DE10105765A1

DE10105765A1 - Method for visual representation of the spatial distribution of the values of a physical quantity within a fixed space which allows a viewer of the representation to intuitively recognize areas of high and low measurement value

Info

Publication number: DE10105765A1
Application number: DE10105765A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-09-05

Abstract

Method in which the fixed space in which the physical quantity is to be represented is split up into partial volumes in which the measurement values to be represented have a single value and the value assigned to the partial volume is represented as a concentration of optically perceptible distributed particles. Thus if a measurement value is high the particle concentration is high. The measurement value can also be represented by particle shape and color.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Verfahren und Systeme zur Erfassung sowie zur visuellen Darstellung räumli cher Objekte sind in vielfältiger Form bekannt. Sie werden für die Vermessung von Objekten, zur Darstellung von Objekten im Bereich der Simulationstechnik, der rechnergestützten Konstruktion, der Medizin, jedoch auch zur grafischen Darstellung mathematischer Funktionen, dreidimensionalen Maßdaten usw. eingesetzt. Es geht mit anderen Worten um die Darstellung sowohl errechneter dreidimensionaler Grafiken als auch um die Erfassung und Darstellung sonsti ger dreidimensionaler Objekte. Die Wiedergabe erfolgt regelmäßig mit Mitteln der EDV- bzw. Videotechnik.Methods and systems for recording and for the visual representation of spatial Objects are known in many forms. They are used for surveying of objects, for the representation of objects in the field of simulation technology, computer-aided design, medicine, but also graphic Representation of mathematical functions, three-dimensional measurement data, etc. used. In other words, it is about rendering both calculated three-dimensional graphics as well as the acquisition and display otherwise three-dimensional objects. The reproduction is carried out regularly by means IT or video technology.

Derartige Verfahren sind beispielsweise aus den Fundstellen DE 197 53 040 A1 und DE 197 49 974 A1 bekannt. Hierbei wird ein räumliches Objekt dadurch ermittelt, dass eine, durch eine Mikrolinsenanordnung gekennzeichnete Abbil dungsanordnung, die einen begrenzten Tiefenschärfebereich aufweist, mittels eines Scanners nach Maßgabe der räumlichen Tiefe des Objektes geführt wird, so dass anhand der, aus unterschiedlichen räumlichen Tiefen des Objektes ermittelten Objektpunkten deren relative Lage zueinander errechnet und zu einem das Objekt beschreibenden Datensatz komplettiert wird. Bei der visuel len Wiedergabe der Abbildung des räumlichen Objektes wird umgekehrt vorge gangen, wobei nunmehr ausgehend von einem, das Objekt beschreibenden Datensatz eine Laserdiodenanordnung angesteuert wird und mittels einer scannergeführten Abbildungsoptik aus einer Vielzahl nach Maßgabe der räum lichen Tiefe aufeinander folgender Teilbilder das räumliche Bild des Objektes generiert wird. Such methods are, for example, from the references DE 197 53 040 A1 and DE 197 49 974 A1 are known. This creates a spatial object determines that an image characterized by a microlens arrangement arrangement, which has a limited depth of field, by means of a scanner is guided according to the spatial depth of the object, so that based on the different spatial depths of the object determined object points their relative position to each other and calculated a data record describing the object is completed. At the visuel len reproduction of the image of the spatial object is reversed , starting from a description of the object Record a laser diode arrangement is controlled and by means of a scanner-guided imaging optics from a variety according to the space depth of successive partial images the spatial image of the object is generated.

Wesensmerkmal dieser bekannten Erfassungs- und Wiedergabetechniken ist, dass das Objekt durch in Richtung der räumlichen Tiefe aufeinander folgender Teilbilder wiedergegeben und die Gesamtheit seiner Oberflächenpunkte darge stellt wird, welches zwar für den Betrachter eine durch einen großen Tiefen schärfebereich gekennzeichnete Wiedergabe ermöglicht, wobei jedoch keine Einblicke in das Innere des Gegenstands vermittelt werden.Essential feature of these known acquisition and reproduction techniques is that the object is consecutive in the direction of spatial depth Rendered partial images and the entirety of its surface points Darge which is for the viewer one by a great depth Sharpness marked playback allows, but none Insights into the inside of the object are conveyed.

Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zu entwickeln, welches eine Wiedergabe räumlicher Objekte unter gleichzeitiger Eröffnung eines Einblicks in diese Objekte ermög licht. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Verfahren durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.Against this background, the object of the invention is a method of to develop the type described at the beginning, which is a reproduction of spatial Objects while opening an insight into these objects light. In such a method, this task is solved by the features the labeling part of claim 1.

Erfindungswesentlich ist, dass die jeweils darzustellende Messgröße, insbe sondere deren räumliche Verteilung teilvolumenspezifisch, somit nach Maß gabe von Teilvolumina digitalisiert wiedergegeben wird, wobei der örtliche Wert dieser Messgröße durch die Konzentration optisch wahrnehmbarer Partikel dargestellt ist. Den genannten Teilvolumina ist ein bestimmter Ort innerhalb des darzustellenden Gegenstands zugeordnet, wobei über eine Skalierung des Wertes der Konzentration der genannten Partikel in einem Teilvolumen der dementsprechende Wert der Messgröße darstellbar ist. In Abhängigkeit von dieser Skalierung ermöglichen somit die Zwischenräume zwischen den Parti keln Einblicke in das Innere des abgebildeten Gegenstands, somit eine Tiefen ortung, so dass wiederum in Abhängigkeit von der vorgenommenen Skalierung die Transparenz des Gegenstands gegeben ist sowie die räumliche Verteilung der dargestellten Messgröße deutlich wird. Bei dieser Messgröße kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische Messgröße bzw. einen sonsti gen, in seiner räumlichen Verteilung wiederzugebenden Parameter handeln, der das Ergebnis eines Berechnungsvorgangs bildet, somit einen Teil eines Simulationsmodells oder der eine experimentell ermittelte Eigenschaftsvertei lung oder eine dreidimensionale Messung wiedergibt. In jedem Fall führt die Anwendung des Verfahrens zur räumlichen Darstellung eines ein endliches Volumen aufweisenden Gegenstands, der nicht nur durch seine äußere Ober fläche gekennzeichnet ist, sondern der ein hohes Maß an Transparenz aufweist und örtlich inhomogene Verteilungen der genannten Messgröße auch in ihrer Tiefe für den Betrachter erkennen lässt.It is essential to the invention that the measured variable to be displayed, in particular in particular, their spatial distribution is sub-volume-specific, thus made to measure Partial volumes are reproduced digitized, the local value this measurand through the concentration of optically perceptible particles is shown. The partial volumes mentioned is a specific location within the assigned object to be displayed, with a scaling of the Value of the concentration of the particles mentioned in a partial volume of the the corresponding value of the measured variable can be represented. In dependence of this scaling thus enables the spaces between the parts insights into the interior of the depicted object, thus a depth location, so that again depending on the scaling carried out the transparency of the object is given as well as the spatial distribution the measured variable shown is clear. With this measurand it can be basically any physical quantity or any other act in its spatial distribution to reflect parameters which is the result of a calculation process, thus part of a Simulation model or an experimentally determined property distribution or a three-dimensional measurement. In any case, the Application of the method for the spatial representation of a finite Volume exhibiting object, not only by its outer upper area is marked, but has a high degree of transparency and locally inhomogeneous distributions of the named measurement quantity also in their Depth for the viewer.

Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind auf unterschiedliche Gestaltungs formen der zu Darstellungszwecken benutzten Partikel gerichtet. Alle Partikel weisen vorzugsweise eine gleiche Größe und Gestalt auf und können hiernach opak ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass aus einer Betrachtungsrichtung zwei unmittelbar hintereinander gelegene Partikel nicht unterscheidbar sind und dass sich die Partikel ansonsten teilweise überdecken können, wobei aus an deren Blickrichtungen hingegen die Überdeckung teilweise aufgehoben ist, so dass stereoskopische Betrachtungstechniken die Transparenz des dargestell ten Gegenstands noch erhöhen. Alternativ hierzu können die Partikel auch transparent angelegt sein, so dass nach Maßgabe der Beleuchtungsverhält nisse in Abhängigkeit von der örtlichen Anhäufung der Partikel sich deren Hel ligkeiten addieren. Die örtliche Helligkeit sowie das Maß der Überdeckungen bilden in diesem Fall die kennzeichnenden Parameter zur Beschreibung örtli cher Inhomogenitäten des dargestellten Objektes bezüglich der zu beschrei benden Messgröße.The features of claims 2 and 3 are different in design shape the particles used for illustration purposes. All particles are preferably of the same size and shape and can be used accordingly be opaque. This means that from one direction two particles immediately behind one another are indistinguishable and that the particles can otherwise partially overlap, with off on however, the gaze directions of which the coverage is partially removed, so that stereoscopic viewing techniques represent the transparency of the increase the item. Alternatively, the particles can also be made transparent so that according to the lighting conditions Depending on the local accumulation of the particles, their hel add up. The local brightness and the degree of coverage in this case form the characteristic parameters for describing local cher inhomogeneities of the displayed object with respect to the to be described measuring variable.

Die Partikel können sämtlich eine gleiche Einfärbung haben. Es ist entspre chend den Merkmalen des Anspruchs 4 jedoch auch möglich, den Partikeln unterschiedliche Einfärbungen zu verleihen, so dass zusätzlich zur örtlichen Anzahl der Partikel die darzustellende Messgröße auch über die Farbe der Partikel kodiert sein kann. Ein weiteres Mittel zur Kodierung kann in der Gestalt der Partikel liegen. Über die Gestalt, die Einfärbung und die örtliche Konzentra tion der Partikel, die wiederum teilvolumenspezifisch angelegt ist, lassen sich weitere Informationen betreffend den dargestellten Gegenstand vermitteln. So kann beispielsweise durch eine Modulation von Farbe, Helligkeit und Gestalt in Abhängigkeit von der Entfernung zum Betrachter die Erkennung des räumli chen Charakters des dargestellten Gegenstands, insbesondere die Tiefenzu ordnung einzelner Bereiche verbessert werden. The particles can all have the same color. It is the same According to the features of claim 4, however, also possible the particles to give different colorations, so that in addition to the local Number of particles the measured variable to be displayed also via the color of the Particles can be encoded. Another means of coding can be in the form the particles lie. About the shape, the coloring and the local concentration tion of the particles, which in turn is designed to be part-volume-specific provide further information regarding the item shown. So can, for example, by modulating color, brightness and shape in Depending on the distance to the viewer, the recognition of the spatial Chen character of the object depicted, especially the depths order of individual areas can be improved.

Das Verfahren kann zur Darstellung eines skalaren Feldes z. B. eines Tempe raturfeldes innerhalb eines räumlich abgegrenzten Volumens benutzt werden. Insbesondere dann, wenn die Partikel den Eindruck einer ausgeprägten Rich tung vermitteln, besteht jedoch entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 auch die Möglichkeit, ein vektorielles Feld, z. B. ein Strömungsfeld, ein magneti sches Feld usw. in seiner räumlichen Verteilung darzustellen. Da in diesen Fällen insbesondere die Veränderung der jeweiligen Feldgröße - in der Tiefe des betrachteten Raumes gesehen - von Interesse ist, bietet das erfindungs gemäße Verfahren besondere Vorteile einer raschen und übersichtlichen Dar stellung.The method can be used to represent a scalar field. B. a tempe field within a spatially delimited volume. Especially when the particles give the impression of a pronounced rich mediate device, but exists according to the features of claim 5 also the possibility of a vector field, e.g. B. a flow field, a magneti to represent the field, etc. in its spatial distribution. Because in these Cases in particular the change in the respective field size - in depth seen of the space under consideration - of interest is what the invention offers procedures, special advantages of a quick and clear presentation position.

Entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 6 und 8 erfolgt die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens rechnerunterstützt. Dies bietet in Verbindung mit der räumlichen Unterteilung eines gegebenen Volumens in Teilvolumina ebenso Vorteile wie bei der raschen Skalierung der innerhalb eines Teilvolumens regellos verteilten Partikel nach Maßgabe der örtlich dar zustellenden Messgröße. Gleiches gilt für die gestaltliche und farbliche Wie dergabe der Partikel zwecks Kodierung einer weiteren hiermit verbundenen Information. Hinzutritt jedoch die einfache Möglichkeit einer Bearbeitung zwecks Verdeutlichung der Wiedergabe sowie die weitere Möglichkeit der Ausführung räumlicher Transformationen, insbesondere Rotationen, Transla tionen usw., so dass infolge der dem Betrachter auf diesem Wege vermittelten Parallaxeninformation eine weitere Verbesserung des Einblicks in die räumliche Tiefe des dargestellten Objekts gegeben ist.According to the features of claims 6 and 8, the practical Computer-aided application of the method according to the invention. This offers in connection with the spatial subdivision of a given volume in Partial volumes as well as the rapid scaling of the inside of a partial volume of randomly distributed particles according to the local measurand to be delivered. The same applies to the design and color of how delivery of the particles for the purpose of encoding a further one associated therewith Information. However, there is also the easy possibility of editing for the purpose of clarification of the reproduction and the further possibility of Execution of spatial transformations, especially rotations, transla tion, etc., so that as a result of the mediated in this way to the viewer Parallax information further improves insight into spatial Depth of the displayed object is given.

Die Merkmale der Ansprüche 9 und 10 sind auf die Beseitigung von durch die Diskretisierung nach Maßgabe von Teilvolumina sich ergebenden, störenden Effekten gerichtet.The features of claims 9 and 10 are based on the elimination of Discretization according to partial volumes resulting, disturbing Effects directed.

Die Merkmale der Ansprüche 12 und 13 sind auf die Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Diese betrifft - wie eingangs bereits dar gelegt worden ist, den gesamten Bereich der räumlichen Wiedergabe sowohl analytisch ermittelter Verteilungen einer Messgröße als auch denjenigen einer experimentell ermittelten Verteilung und kann Anwendung finden im gesamten Bereich von Technik, Naturwissenschaft und Medizin.The features of claims 12 and 13 are to the application of the inventions directed method according to the invention. This affects - as already mentioned at the beginning has been laid out across the full range of spatial rendering analytically determined distributions of a measurand as well as those of one experimentally determined distribution and can be applied throughout Area of technology, science and medicine.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand unterschiedlicher Darstellungen eines räumlichen Gebildes näher erläutert werden.The invention is explained below using different representations spatial structure are explained in more detail.

Die Fig. 1 bis 6 zeigen einzelne praktische Anwendungsfälle des erfindungs gemäßen Verfahrens anhand räumlicher Verteilungen von Partikeln, deren un terschiedliche räumliche Konzentration die Verteilung einer skalaren Feldgröße zeigt. Die Darstellungen sind rechnerunterstützt vorgenommen worden, wobei anhand eines Koordinatensystems beliebige räumliche Transformationen des dargestellten Gegenstands möglich sind, und zwar nicht nur Rotationen bzw. Translationen, sondern gleichermaßen auch örtliche abweichende Skalierun gen, so dass gute Einblickmöglichkeiten in das Innere des wiedergegebenen Objektes vermittelt werden. Figs. 1 to 6 show individual practical applications of the method according to Inventive based spatial distributions of particles whose un terschiedliche spatial concentration showing the distribution of the scalar field size. The representations have been made with the aid of a computer, and any spatial transformations of the represented object are possible using a coordinate system, and not just rotations or translations, but also local deviating scalings, so that good insight into the interior of the reproduced object is conveyed.

Die rechnergestützte Darstellung ermöglicht eine einfache Bearbeitung bei spielsweise mit dem Ziel, den räumlichen Charakter des dargestellten Gegen stands zu verdeutlichen. So kann eine gewählte Skalierung verändert werden und es können die Partikel der den Gegenstand darstellenden Partikelwolke hinsichtlich ihrer Farbe und/oder Gestalt zusätzlich verändert werden. Eine durch die genannten Teilvolumina gegebene Diskretisierung der Darstellung kann dadurch behoben werden, dass alle Partikel jeweils eines Teilvolumens nach Maßgabe eines zufälligen Wegelements in einer zufälligen Richtung ver schoben werden. Dadurch, dass auf diesem Wege einzelne Partikel die Grenze zwischen aneinanderliegenden Teilvolumina überschreiten, führt nach Maß gabe der Länge der Wegelemente zu einer "Verwischung" der Grenzen zwi schen den Teilvolumina.The computer-aided display enables easy editing for example with the aim of the spatial character of the counter represented to clarify the status. A selected scaling can be changed in this way and the particles of the particle cloud representing the object can with regard to their color and / or shape can also be changed. A discretization of the representation given by the partial volumes mentioned can be remedied that all particles of a sub-volume ver in accordance with a random path element in a random direction be pushed. Because in this way individual particles cross the border between adjacent partial volumes leads to size give the length of the path elements to a "blurring" of the borders between the partial volumes.

Claims

1. A method for the visual representation of the spatial distribution of the values of a measured variable within a defined space, characterized in that the space is subdivided into those sub-volumes in which the measured variable to be displayed has a uniform value and that the local, ie one each sub-volume assigned value of the measured variable is displayed in accordance with the concentration of optically perceptible particles randomly distributed within the sub-volume.

2. The method according to claim 1, characterized by using opaque Particle.

3. The method according to claim 1, characterized by a use trans parent particles.

4. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized characterized in that the measured variable additionally by means of the form and the Color of the particles is coded.

5. The method according to any one of the preceding claims 1 to 4, characterized characterized that to represent the field of a vectorial measurement size non-spherical, axisymmetric particles are used, the give the impression of a pronounced direction.

6. The method according to any one of the preceding claims 1 to 5, characterized characterized by a computer-based, part-volume-specific, made-to-measure a predefinable scaling of the measured variable to be displayed taken coding of the measured variable according to the concentration of the particles.

7. The method according to any one of the preceding claims 1 to 5, characterized characterized by a computer-aided, part-volume-specific, according to requirements a predefinable scaling coding of the measurement size according to shape, color or other optically perceptible shape agent of the particles.

8. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the Spatially transforming the particle cloud representing the measured variable bar, in particular rotatable, translatable and scalable.

9. The method according to any one of the preceding claims 1 to 8, characterized characterized that to abolish one by the subdivision into subvo lumina given discretization of all particles in accordance with given path lengths are shifted randomly.

10. The method according to claim 9, characterized in that path lengths are created in accordance with upper limits and otherwise randomly.

11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the Path lengths in accordance with specifiable mean path lengths and one Predeterminable stochastic distribution function are created.

12. Application of the method according to one of the preceding claims 1 to 11 for the visual representation of an analytically determined spatial Si simulation model regarding the distribution of the named measurement variable.

13. Application of the method according to one of the preceding claims 1 to 11 for the visual representation of an experiment or otherwise determined spatial distribution of the named measurement variable.