Grafik-Computer: Grundlagen, Architekturen und Konzepte computergrafischer Sichtsysteme

300 Pages·1992·7.32 MB·German

by  Dr.-Ing. habil. Dietmar Jackèl (auth.)

Dietmar Jackel
Grafik-Computer
Grundlagen, Architekturen und Konzepte
computergrafischer Sichtsysteme
Mit 196 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dr.-Ing. habil. Dietmar Jackel
Institut fUrTechnische Informatik
Technische Universitat Berlin
FranklinstraBe 28129
1000 Berlin 10
und
G MD-Forschungszentrum
fUr Innovative Rechnersysteme
und -technologien (FIRST)
Hardenbergplatz 2
1000 Berlin 12
ISBN 978-3-662-07547-0
Die Deutsche Bibliothek -CIP·Einheitsaufnahme
Jackel, Dietmar:
Grafik·Computer: Grundlagen,Architekturen und Konzepte
computergrafischer Sichtsysteme / Dietmar JackeL
ISBN 978-3-662-07547-0 ISBN 978-3-662-07546-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07546-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1992
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1992
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlage yom Autor
Einbandgestaltung: Klaus Lubina, Sch6neiche
68/3020-5 4 3 2 1 0 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
fur Christina, Mimmi und Bijou
Vorwort
Die Bedeutung und die Verbreitung der computergrafischen Sichtsysteme hat in den letzten
zehn Jahren in nahezu allen Bereichen der Informationsverarbeitung stetig zugenommen.
Der Grund fUr diese Entwicklung liegt im rapiden Anstieg der Verarbeitungsleistung der
Arbeitsplatzrechner (Workstations), die sich innerhalb einer Dekade urn etwa das zweihun
dertfache erhOhte. Hierdurch wuchsen auch die Ergebnisdatenmengen so stark an, daB deren
Interpretation heutzutage vielfach mit Hilfe leistungsfahigercomputergrafischer Sichtsyste
me erfolgt. Dieser Sachverhalt fUhrte zur Entwicklung von sog. Super-Workstations, die die
Eigenschaften von Graflk-Computern mit denen von leistungsstarken, universell verwend
baren Arbeitsplatzrechnern verbinden.
Da derartige Systeme bisher nur in sehr speziellen Aufsatzen oder marginal im Rahmen
der allgemeinen Computergraflk-Literatur behandelt wurden, entstand die Idee, diese
Thematik einschlieBlich der hierzu gehorenden Randgebiete in einer Monographie vorzu
stellen. Die Schwierigkeit bei der Konzeption dieses Buches lag in erster Linie darin, daB
es thematisch zwischen den beiden im Grunde sehr unterschiedlichen Fachgebieten Rech
nerarchitektur und Computer-Grafik angesiedelt ist und damit auf einen yom Vorwissen her
heterogenen Leserkreis abgestimmt werden muBte. Damit Leser, die auf dem Gebiet der
Rechnerarchitektur zu Hause sind, die Idee, die hinter der Architektur eines Grafik-Com
puters steht, nachvollziehen konnen, mtissen ihnen zusatzlich die Kenntnis der Visualisie
rungsalgorithmen und deren effektive Organisation vermittelt werden. Andererseits war es
erforderlich Architekturkonzepte in der Weise darzustellen, daB Leser, die sich vorwiegend
in der Computergrafik auskennen, keine oder nur geringe Verstiindnisschwierigkeiten
haben. Hilfreich bei der Suche nach einer geeigneten Darstellungsform war eine Vorlesung,
die ich tiber diese spezielle Thematik an der TV Berlin fUr Studentinnen und Studenten der
Informatik und Elektrotechnik gehalten habe. Das hierbei entwickelte Vorlesungsskript
diente als Grundlage fUr die vorliegende Monographie, die, wie ich hoffe, den angestrebten
KompromiB zwischen den Fachgebieten Computergraflk und Rechnerarchitektur erftillt.
Das Buch gliedert sich in sieben Kapitel. Kapitel 1 behandelt die physiologischen
Grundlagen der Sichtgeratetechnik und vermittelt einen Einblick in den hypothetischen
Ablauf der visuellen Wahrnehmungsprozesse. Darilber hinaus stellt es einige meBbare
Phanomene des visuellen Systems vor, die fUr die Technik der computergraflschen Sichtge
rate relevant sind.
Vorwort VIII
Zentrales Thema von Kapitel 2 sind die Bildanzeigen. Hier werden jene Aspekte der
Farbmetrik behandelt, die zum Verstandnis der Farbbildanzeigen notwendig sind. AuBerdem
wird auf die Funktionsweise der Flachbildanzeigen, der 3D-Sehhilfen und der 3D-Volumen
anzeigen eingegangen. Kapitel 3 vennittelt die Grundlagen der Sichtgerntetechnik und gibt
einen Uberblick tiber die unterschiedlichen Fonnen und Einsatzbereiche spezieller Bild
rechner und Grafik-Computer. 1m Kapitel4 werden die Algorithmen sowie die Organisation
der Visualisierungsprozesse diskutiert. Sie dienen zum Verstandnis der in Kapitel 5 vorge
stellen Architekturkonzepte verschiedener Grafik-Computer. Kapitel 6 und 7 widmen sich
den Methoden fUr die Visualisierung von multidimensionalen Datenfeldern sowie den
Architekturen jener Sichtsystemen, die speziell flir die effektive Visualisierung dieser
Datenreprasentationsfonn geeignet sind. Ein Sachregister und ein ausflihrliches Literatur
verzeichnis, das aus Grtinden der Ubersichtlichkeit in Kapiteln geordnet ist, schlieBen das
Buch abo Die zur Beschreibung von Funktionsablaufen verwendeten Algorithmen sind in
einem der Sprache Pascal ahnlichem Pseudo-Kode verfaBt.
Allen, die am Zustandekommen dieses Buches mitgewirkt haben, insbesondere den
Mitarbeitern und Studenten des Instituts flir Technische Infonnatik an der TU Berlin, mochte
ich an dieser Stelle herzlich danken. Besonderer Dank gebtihrt Frau H. Kallan flir die
mtihevolle Durchsicht des Manuskriptes sowie den Herren Dr. Th. Flik, M. Frohlich, G.
Knittel, M. Krauss, Prof. H. Lemke, H. Rtisseler, Prof. S. Stiehl flir ihre Anregungen und
Verbesserungsvorschlage.
Die Anregung zum Schreiben dieser Monographie erhielt ich wahrend einer mehrjahrigen
Tatigkeit als Gastwissenschaftler an der Forschungsstelle flir Innovative Rechnersysteme
und -technologien (FIRST) der Gesellschaft flir Mathematik und Datenverarbeitung
(GMD), wo ich die Moglichkeit hatte, einen leistungsfahigen Grafik-Computer zu konzi
pieren und an seiner Entwicklung mitzuarbeiten. Herrn Prof. W. Giloi, der mir hierzu die
Gelegenheit gab, sowie den Kollegen der Grafikgruppe der GMD-FIRST, mit denen ich
diese Arbeit erfolgreich durchflihren konnte, sei hierftir auf das herzlichste gedankt. Nicht
zuletzt sei auch dem Springer Verlag flir die U nterstiitzung bei der Herausgabe dieses Buches
mein Dank ausgesprochen.
D. Jackel Berlin, im Frtihjahr 1992
Inhaltsverzeichnis
1 Physiologische Aspekte der Sichtgeratetechnik 1
1.1 Visuelle Wahrnehmung . . . . . . . . 2
1.2 Ortsfrequenz-und Kontrastverhalten . 9
1.3 Perzeption von Farben. . . . . . . . . 12
2 Bildanzeigen 16
2.1 Farbmetrik. . 16
2.1.1 Begriffe der Farbmetrik 16
2.1.2 RGB/XYZ-, XYZ/RGB-und RGB/RGB'-Transformationen. 22
2.2 Bildrohren. . . . . . . . 27
2.2.1 Funktionsprinzip. 27
2.2.2 FarbbildrOhren. . . 29
2.2.3 Leuchtstoffbeschichtung 34
2.2.4 Gamma-Korrektur ......... . . . 35
2.3 Flachbildanzeigen. . . . 36
2.3.1 Flachbildrohren . 36
2.3.2 Plasmaanzeigen. . 40
2.3.3 Fliissigkristallanzeigen 48
2.3.4 Elektrolumineszenzanzeigen. 53
2.4 3D-Bildanzeigen und 3D-Sehhilfen 56
2.4.1 Spiegelstereoskop...... 56
2.4.2 Anaglyphen-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.3 Polarisationsfiltervorsatz. . . . . . . . . . 58
2.4.4 LC-Shutter. . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.5 Schwingspiegel-Display ......... . 60
x Inhaltsverzeichnis
2.4.6 Kopfverbundene Anzeigen. 62
2.4.7 Omniview-System. . . . . 64
3 Einfiihrung in die Technik cornputergrafischer Sichtsysterne .. 66
3.1 Geschichtliche Entwicklung der computergrafischen Sichtsysteme. 66
3.2 Funktionsprinzipien computergrafischer Sichtsysteme . 68
3.2.1 Rastergrafische Sichtsysteme ... 68
3.2.2 Vektorkalligrafische Sichtsysteme. . 70
3.3 Spezialisierte rastergrafische Sichtsysteme . 72
3.3.1 Grafik-Computer flir die Realzeitanimation . 73
3.3.2 Bildverarbeitungssysteme. . . . . . . . . . . . 75
3.3.3 Grafik-Computer zur Visualisierung von Voxel-Reprasentationen 78
3.3.4 Grafik-Computer photorealistische Darstellungen . . 81
3.4 Geratetechnik rastergrafischer Sichtsysteme 93
3.4.1 Grafikprozessor . . 94
3.4.2 Bildspeichersystem 96
3.4.3 Video-Logik. 99
3.4.4 Rastermonitor . . . 104
4 Visualisierung von Oberflachenreprasentationen . 107
4.1 Anforderungen an das Geometriemodell . . . 107
4.2 Organisation der VisualisierungsprozeBkette . 109
4.3 Geometrieprozesse. . . . . . . . . 112
4.3.1 Geometrietransformationen 112
4.3.2 Backfacing. . . . . . . . . 115
4.3.3 Perspektivische Projektion . 116
4.3.4 Polygonkappen 117
4.4 Initialisierungsprozesse 120
4.4.1 Bestimmung der Inkrementalkonstanten. . . . . . .. 120
4.4.2 Dreieckszerlegung und Bestimmung der Kanteninkremente 123
4.5 Rendering-Prozesse ................... . 125
4.5.1 Organisation der Rendering-Prozesse ...... . 125
4.5.2 Z-Koordinaten-und Pixel-Normaleninterpolation 126
Inhaltsverzeichnis XI
4.5.3 Berechnung der reflektierten Lichtintensitat 127
4.5.4 Bestimmung der Pixel-Farben . 129
4.5.5 Transparenzdarstellung. 132
4.5.6 Z-Buffering. . . . . . . 133
4.5.7 Gouraud-Interpolation. 134
4.6 Rechenaufwand . . . . . . . . 135
4.6.1 Geometrieprozesse ... 135
4.6.2 Initialisierungsprozesse 137
4.6.3 Rendering-Prozesse 138
4.6.4 Beispiel . . . . . . . . 139
5 Bildrechner zur Visualisierung von Oberflachenreprasentationen . 141
5.1 Pixel Machine ............ . 142
5.1.1 Architekturiiberblick...... 143
5.1.2 Geometry-Processing-Pipeline 146
5.1.3 Pixel-Nodes .. 148
5.2 IRIS-GTX Workstation 150
5.2.1 Architekturiiberblick 151
5.2.2 Geometry-Subsystem 153
5.2.3 Scan-Con version-Subsystem . 154
5.2.4 Raster-Subsystem . 159
5.2.5 Display-Subsystem ..... 161
5.3 Solid-Rendering-Accelerator (SRX) ....................... 162
5.3.1 Architekturiiberblick........................... 163
5.3.2 Scan-Converter 167
5.3.3 Pixel-Cache . . 170
5.3.4 Frame-Buffer. . 173
5.4 Visualisation Accelerator (VISA) . 176
5.4.1 Architekturiiberblick.... 176
5.4.2 Geometrie-Subsystem. . . 179
5.4.3 Initialisierungsparameter. 182
5.4.4 Rendering-Algorithmus 184
5.4.5 Rendering-Prozessor.. 188
5.4.6 Z-Filter. . . . . 192
5.4.7 2D-Subsystem........... 195
XII Inhaltsverzeichnis
5.5 Pixel-Planes-4-System ... 199
5.5.1 Architekturiiberblick. 199
5.5.2 Funktionsprinzip ... 201
5.5.3 Geratetechnische Realisierungsaspekte des SFB-Systems 209
5.6 Pixel-Planes-V-System .... 213
5.6.1 Architekturiiberblick. 213
5.6.2 Funktionsprinzip. 216
5.7 PROOF-System 217
5.7.1 Architekturiiberblick. 217
5.7.2 Objektprozessor-Pipeline . 221
5.7.3 Objektprozessor .. 223
5.8 SAGE-System. . . . . . . 228
5.8.1 Architekturiiberblick .. 229
5.8.2 Pixel-Processor-Pipeline. 231
5.8.3 Vertical-Interpolation-Processor. 234
6 VisuaIisierung von Voxel-Reprasentationen. . . . . . . . . . . . . . . . .. 237
6.1 Projektionsprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.1.1 "Back-to-Front"-und "Front-to-Back"-Projektion 238
6.1.2 Ray-Casting . . 240
6.2 Schattierungsverfahren 242
6.2.1 Gradientenschattierung im Bildraum . 242
6.2.2 Gradientenschattierung im Objektraum . 245
7 Bildrechner zur VisuaIisierung von Voxel-Reprasentationen . 248
7.1 Voxel-Prozessor ........... . 248
7.1.1 Architekturiiberblick...... 248
7.1.2 Geratetechnische Realisierung . 250
7.1.3 Voxel-Multiprozessor-System. 253
7.2 3DP 4 -System . . . . . . . . . . . . . 254
7.2.1 Architekturiiberblick...... 254
7.2.2 Geratetechnische Realisierung. 256
7.3 PARCUM-System. . . . . . 258
7.3.1 Architekturiiberblick. 258