DE102012109105A1 - Method for determining planar projection of property and data projected on virtual spherical surface, involves providing value distribution on spherical surface or hemisphere surface, where value distribution is relevant to property - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der vereinfachten Berechnung und somit beschleunigten Visualisierung radial verteilter Daten, Werte, Eigenschaften, Messgrößen oder Merkmale mit Hilfe einer Projektion. Insbesondere liegt die Erfindung auf dem Gebiet der beschleunigten grafischen Darstellung von projizierten Eigenschaftsverteilungen, bzw. Projektionen mit Hilfe eines Standard-Rechners. The invention is in the field of simplified calculation and thus accelerated visualization of radially distributed data, values, properties, measurements or features by means of a projection. In particular, the invention is in the field of accelerated graphical representation of projected property distributions, or projections using a standard computer.
Unter "radial" verteilten Daten bzw. Eigenschaften sind in diesem Zusammenhang beliebige räumliche Verteilungen von Daten bzw. Eigenschaften zu verstehen, die ausgehend von einem Punkt in die betrachteten Richtungen jeweils durch einen einzelnen Eigenschafts-Wert dargestellt werden. Ob dieser Wert auf einer Kugeloberfläche sitzt, wie z.B. der Erdoberfläche, oder ob er auf einer Würfeloberfläche sitzt, oder beispielsweise der Sternverteilung im Weltall von der Erde aus gesehen entspricht, ist dabei unerheblich. Ebenso ist es unerheblich, ob die Kugeloberfläche zu einer realen Kugel oder einer virtuellen Projektionskugel gehört. Zur anschaulichen Illustration des „jeweils nur einen einzelnen Eigenschafts-Wertes“ am Beispiel der erwähnten Sternverteilung wird hierzu hervorgehoben, dass die betreffende Projektion radial hintereinander liegende Sterne typischerweise nicht ausweist, bzw. die radial hintereinander liegenden Werte (Sterne) lediglich als ein Punkt, d.h. als ein Wert dargestellt werden. Alternativ können radial hintereinander liegende Daten natürlich auch aufaddiert dargestellt werden. Mit anderen Worten, kann einmal nur der einzeln sichtbare Teil gezeichnet werden (z.B. ein Stern) und alternativ können aber auch alle Sterne in dieser Richtung als Sternendichte entlang dieser Richtung dargestellt werden. Im Anwendungsfall der Elektronenmikroskopie mit Detektion der von der Probe rückgestreuten Elektronen (EBSD) macht man genau das Letztere, indem man die Zahl der Punkte als Intensität darstellt (mathematische "Faltung"). Mit anderen Worten: jeder Punkt wird z.B. durch eine Gaussverteilung beschrieben und alle Gaussverteilungen werden aufaddiert. Hierbei und im Folgenden werden die Begriffe „Daten“, „Werte“, „Eigenschaften“, „Messgrößen“, „Merkmale“ und „Parameter“ als Synonyme zur Bezeichnung eines dem jeweiligen Punkt auf der Projektionskugeloberfläche zugeordneten oder zuordenbaren Zustandes aufgefasst. In this context, "radially" distributed data or properties are to be understood as meaning any spatial distributions of data or properties which, starting from a point in the directions considered, are each represented by a single property value. Whether this value sits on a spherical surface, e.g. the earth's surface, or whether it sits on a cube surface, or for example corresponds to the star distribution in the universe seen from the earth, is insignificant thereby. It is also irrelevant whether the sphere surface belongs to a real sphere or a virtual projection sphere. For an illustrative illustration of the "only one individual property value" using the example of the mentioned star distribution, it is emphasized that the projection in question typically does not identify radially consecutive stars, or the radially consecutive values (stars) only as one point, i. represented as a value. Alternatively, radially consecutive data can of course also be added up. In other words, once only the single visible part can be drawn (for example, a star) and, alternatively, all stars in that direction can also be represented as star density along that direction. In the application of electron microscopy with detection of the backscattered electrons from the sample (EBSD) one does exactly the latter, by representing the number of points as intensity (mathematical "folding"). In other words, each point is e.g. described by a Gaussian distribution and all Gaussian distributions are added up. Here and in the following, the terms "data", "values", "properties", "measured variables", "features" and "parameters" are understood as synonyms for designating a state assigned or assignable to the respective point on the projection surface.
Räumlich verteilte Daten, Messwerte, Parameter, wie sie beispielsweise zur Beschreibung der Orientierung von Kristallflächen in der Kristallografie, zur Beschreibung der Intensitätsverteilung von Röntgenreflexen bei der Röntgenstrukturanalyse, zur Beschreibung der Verteilung der Niederschlagsmenge auf der Erde, der Sternverteilung von einem Punkt aus gesehen etc. üblich sind, werden typischerweise als radiale Verteilung auf eine Kugeloberfläche projiziert, wenn sie nicht bereits als Daten auf einer Kugel verteilt vorliegen. Dieser Sachverhalt stellt ein klassisches Problem der Kartografie dar. Eine Projektion dieser Kugeloberfläche in die Ebene wird als stereografische Projektion oder auch winkeltreue Azimutalprojektion bezeichnet. Die mathematische Ableitung einer stereografischen Projektion ist schon seit 2000 Jahren bekannt (150 v.Ch). In dem Fall wird eine auf der Kugeloberfläche projiziert vorliegende Eigenschaftsverteilung (sphärische Projektion) auf die Äquatorialebene – oder alternativ und völlig gleichwertig auf die Azimutalebene – projiziert. Die dabei entstehende Projektion nennt man winkeltreu, weil der Winkel, unter dem sich beliebige Ebenen, die durch den Kugelmittelpunkt verlaufen, schneiden, auch in der stereografischen Projektion erhalten bleibt. Es sind zahlreiche Ansätze bekannt, eine Eigenschaftsverteilung – auf eine Kugel-Oberfläche projiziert – möglichst verzerrungsarm in eine ähnliche (bzw. relative) ebene Fläche zu transformieren. Bei einer azimutalen Projektion werden die einer realen oder einer virtuellen Kugeloberfläche zugeordneten Eigenschaftsparameter auf korrespondierende Flächensegmente einer Ebene entweder getreu den realen Flächenverhältnissen, getreu den realen radialen Abstandsverhältnissen oder winkeltreu in die Projektionsebene übertragen, d.h. projiziert. Wenn nicht anders ausgewiesen, steht im weiteren Verlauf der Begriff "Projektion" stets für "azimutale Projektion". Spatially distributed data, measured values, parameters, as for example for the description of the orientation of crystal surfaces in crystallography, for the description of the intensity distribution of X-ray reflections in the X-ray structure analysis, for the description of the distribution of rainfall on the earth, the star distribution from one point, etc. are typically projected onto a spherical surface as a radial distribution if they are not already distributed as data on a sphere. This phenomenon is a classic problem of cartography. A projection of this spherical surface into the plane is called stereographic projection or even angle-accurate azimuthal projection. The mathematical derivation of a stereographic projection has been known for 2000 years (150 BC). In that case, a property distribution projected on the spherical surface (spherical projection) is projected onto the equatorial plane - or alternatively and completely equivalent to the azimuthal plane. The resulting projection is called angled, because the angle at which any plane passing through the center of the sphere intersects is preserved even in the stereographic projection. Numerous approaches are known for transforming a property distribution - projected onto a spherical surface - into a similar (or relative) plane surface with as little distortion as possible. In an azimuthal projection, the property parameters assigned to a real or a virtual spherical surface are transferred to corresponding surface segments of a plane either true to the real area ratios, true to the real radial distance ratios or conformal to the projection plane, i. projected. Unless otherwise stated, the term "projection" will always be used to refer to "azimuthal projection".
Für die flächentreue Transformation (Engl. – equal area projection) in eine Ebene werden unterschiedliche Darstellungsmöglichkeiten genutzt. Beispielsweise wird bei der azimutalen Lambert-Projektion – als alternative Bezeichnung für die equal area-Projektion – jeder Punkt der sphärischen Projektion in einen Projektionspunkt in der azimutalen Ebene überführt. Dabei wird eine radiale Eigenschaft, z.B. die Richtung von Vektoren, ausgehend von der Oberfläche einer Kugel, deren Mittelpunkt mit dem Projektionsursprung zusammenfällt, flächentreu in eine ebene Fläche abgebildet. Bei der Konstruktion werden dazu vom "Nordpol" bzw. von einem ersten Scheitelpunkt ausgehend die Sekantenlängen auf die an diesem ersten Scheitelpunkt der Projektionskugel anliegende azimutale Ebene übertragen. For the area-equivalent transformation (Engl. - equal area projection) into a level different representation possibilities are used. For example, in the azimuthal Lambert projection - as an alternative name for the equal area projection - each point of the spherical projection is converted into a projection point in the azimuthal plane. Thereby a radial property, e.g. the direction of vectors, starting from the surface of a sphere whose center coincides with the projection origin, imaged surface-to-surface in a flat surface. In the construction, the secant lengths are transmitted from the "north pole" or from a first vertex to the azimuthal plane present at this first vertex of the projection sphere.
Zum besseren Verständnis bzw. für eine sachgerechte Interpretation müssen diese Daten häufig im Raum gedreht werden. Die Drehung der Daten erfordert ein jeweiliges Neuberechnen sämtlicher Projektionsdaten, das wiederum sehr zeitaufwendig sein kann. For better understanding or interpretation, these data must often be rotated in the room. The rotation of the data requires a respective recalculation of all the projection data, which in turn can be very time consuming.
Die Berechnung der Projektionsdaten erfordert mit wachsendem Umfang der zu Grunde liegenden Messdaten einen proportional wachsenden Zeitaufwand. Beispielsweise sind für Kristallorientierungsmessungen mittel EBSD (Engl. – electron backscatter diffraction) fast immer mehrere Millionen Projektionspunkte neu zu berechnen. Der unter Verwendung eines Standard-Rechners (Standard Computer System) hierfür zu veranschlagende Zeitaufwand geht in die Sekunden. Die sich aus der Berechnungsdauer ergebende Verzögerung verhindert eine kontinuierliche Darstellung der Projektionsdaten bei räumlicher Drehung unter Verwendung konventioneller Rechentechnik. The calculation of the projection data requires a proportionally increasing expenditure of time as the size of the underlying measurement data increases. For example, for crystal orientation measurements by means of EBSD (Engl. - Electron backscatter diffraction) almost always several million Recalculate projection points. The amount of time to be estimated using a standard computer (standard computer system) is in seconds. The delay resulting from the calculation period prevents continuous presentation of the projection data during spatial rotation using conventional computing techniques.
In der Labormeßtechnik bzw. bei der praktischen Verwendung derartiger Projektionstechniken zu analytischen Zwecken werden im wesentlichen die folgenden Wege beschritten:
- a) Die vermessene Eigenschaft – als 3D-Daten oder auf einen beliebigen Körper projiziert – rotiert um eine feststehende spiegelnde Kugeloberfläche, so dass sich die gedrehte Eigenschaft auf der feststehenden Kugel bzw. Halbkugel darstellt. Dabei wird die gedrehte Eigenschaft selbst gar nicht visualisiert, sondern nur deren Reflektion auf der Kugeloberfläche.
- b) Die vermessene Eigenschaft wird wirklich auf einer Kugeloberfläche projiziert und diese Projektion dann bei feststehendem Projektionspunkt (Kameraposition) gedreht.
- c) Die radiale Eigenschaftsverteilung wird aus geometrischen Objekten, z.B. Zylindern, Kreisen usw., selbst erzeugt (zusammengestellt). Durch einen Trick wird alles das ausgeblendet, was nicht dargestellt werden soll, d.h. man betrachtet die erzeugte Anordnung geometrischer Objekte z.B. durch eine Aperturblende, die den nicht erforderlichen Teil, der aus Sicht des Nordpols über die Äquatorebene hinaus geht, ausblendet (ausschließliche Darstellung der oberen Halbkugel). Alle Daten (Objekte) sind damit nach wie vor vorhanden und müssen nicht aufwendig weggeschnitten werden.
- d) Die Eigenschaft wird – wie in a–c) – erzeugt und dann wird nicht die sphärische Projektion gedreht, sondern der Projektionspunkt (Kamera mit vorgeschalteter Blende) um den Mittelpunkt der Projektionskugel bewegt. Damit bewegt man anstelle von sehr vielen Objekten – z.B. für c) können das einige hundert oder tausend Objekte sein – nur die abbildende Kamera.
- a) The measured property - projected as 3D data or onto any body - rotates around a stationary specular spherical surface so that the rotated property is on the fixed sphere or hemisphere. The rotated property itself is not visualized at all, but only its reflection on the sphere surface.
- b) The measured property is actually projected on a spherical surface and this projection is then rotated at a fixed projection point (camera position).
- c) The radial distribution of properties is generated (composed) from geometric objects, eg cylinders, circles, etc. By means of a trick, all that is hidden, which is not to be represented, ie one looks at the generated arrangement of geometric objects, for example by an aperture diaphragm, which fades out the unnecessary part, which goes from the viewpoint of the North Pole beyond the equatorial plane (exclusive representation of the upper hemisphere). All data (objects) are thus still available and need not be cut away consuming.
- d) The property is - as in a-c) - generated and then does not rotate the spherical projection, but the projection point (camera with front panel) moves around the center of the projection sphere. So you move instead of very many objects - for example, for c) can be a few hundred or a thousand objects - only the imaging camera.
Gemäß den beschriebenen Ansätzen können alle Elemente der Kugeloberfläche vollständig erfasst werden, indem die im Raum gekrümmte Fläche von allen Seiten und Abständen aus betrachten werden kann. Das wird über eine entsprechende Schnittstelle zur Anwendungsprogrammierung (Engl. – application specific interface / API) durch die Auswahl eines bestimmten Abstands und einer bestimmten Richtung ausgehend vom Mittelpunkt der Projektionskugel ermöglicht. Beispiele für derartige APIs sind Glide (3dfx), OpenGL (Khronos Group) oder Direct X (Microsoft). Für die stereografische Projektion der Eigenschaftsverteilung liegt der, in historischen Abhandlungen auch manchmal als Augpunkt – in moderneren Darstellungen aber oft als Südpol – bezeichnete Projektionspunkt immer auf der Kugeloberfläche. Eigentlich ist seine Position unerheblich, solange er nur Element der Kugeloberfläche ist. Die stereografische Projektion erfolgt immer auf diejenige Ebene, die senkrecht (orthogonal) zu derjenigen Linie steht, die durch den Projektionspunkt (Position der Kamera) und den Mittelpunkt der Projektionskugel gebildet wird und selbst durch den Mittelpunkt der Kugel verläuft. Sie stellt als Projektionsebene die Äquatorebene dar, wenn diese ebenfalls durch den Mittelpunkt der Projektionskugel verläuft und man die Position der Kamera immer als Südpol bezeichnet. According to the described approaches, all the elements of the spherical surface can be completely detected by allowing the area curved in space to be viewed from all sides and from all distances. This is made possible via an appropriate application specific interface (API) by selecting a specific distance and direction from the center of the projection sphere. Examples of such APIs are Glide (3dfx), OpenGL (Khronos Group) or Direct X (Microsoft). For the stereographic projection of the property distribution, the projection point, sometimes referred to as an eye point in historical treatises - in modern representations but often as a south pole - always lies on the sphere surface. Actually, his position is irrelevant as long as he is just an element of the sphere surface. The stereographic projection always takes place on the plane which is perpendicular (orthogonal) to the line formed by the projection point (position of the camera) and the center of the projection sphere and itself passes through the center of the sphere. It represents the equatorial plane as the projection plane, if it also passes through the center of the projection sphere and the position of the camera is always referred to as the south pole.
Vor diesem Hintergrund wird ein Projektionsverfahren gemäß Anspruch 1, eine grafische Darstellung gemäß Anspruch 14 und eine Visualisierung von Mess-, Analyse- und/oder Simulationsdaten gemäß Anspruch 15 vorgeschlagen, das unabhängig vom Datenumfang ist und das mit Hilfe konventioneller Rechentechnik, insbesondere mithilfe eines Grafikprozessors (Graphics Processing Unit (GPU)) beschleunigt umgesetzt werden kann.
- (1) Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion von auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaftswerten vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Eigenschaftsverteilung auf der Oberfläche einer (Projektions-)Kugel oder auf der gekrümmten Oberfläche einer (Projektions-)Halbkugel, d. h. einer Kugelhalbschale; – Bereitstellen einer virtuellen Kamera; – Ausrichten der Kamera so, dass eine senkrecht zur Bildebene der Kamera verlaufende Gerade, die durch den Mittelpunkt der kreisförmigen Blende (Aperturblende) verläuft, auf den Mittelpunkt der Kugel trifft; – Auswählen einer gewünschten 2-D-Planarprojektion aus der Gruppe: gnomonische Projektion, stereografische Projektion (konforme azimutale Projektion, bzw. Engl. – conformal projection), abstandstreue, d.h. radial abstandstreue Projektion (Engl. – equidistant projection), flächentreue Projektion (Engl. – equal area projection), Parallelprojektion (Engl. – orthographic projection) und Zentralprojektion (Engl. – perspective projection); – Auswählen einer als Funktion der gewünschten Projektion abhängigen Kameraposition als Abstand der Kamera zum Projektionskugelmittelpunkt, wobei ein bezogen auf die Kamera hinter dem Kugelmittelpunkt liegender Durchtrittspunkt der Geraden durch die Kugeloberfläche einen ersten Scheitelpunkt der Kugeloberfläche definiert; – Erfassen eines Bildes mit der Kamera von zumindest einem Ausschnitt einer halben Kugeloberfläche, die den ersten Scheitelpunkt umfasst; – Ausgeben eines (2-dimensionalen) Kamerabildes als Abbildung der (gekrümmten) Kugeloberfläche, das der gewünschten 2D-Planarprojektion entspricht.
- (1) According to a first embodiment, a method for determining a planar projection of property values distributed on a spherical surface is proposed, which comprises the following steps: providing a property distribution on the surface of a (projection) sphere or on the curved surface of a (projection -) hemisphere, ie a hemisphere of a sphere; - Providing a virtual camera; - Aligning the camera so that a plane perpendicular to the image plane of the camera straight line passing through the center of the circular aperture (aperture stop), meets the center of the ball; - Selecting a desired 2-D planar projection from the group: gnomonic projection, stereographic projection (conformal azimuthal projection, or English conformal projection), distance-independent, ie, radial distance projection (English - equidistant projection), area-true projection (Engl - equal area projection), parallel projection (English - orthographic projection) and central projection (English - perspective projection); Selecting a camera position which is dependent on the desired projection as the distance of the camera to the projection sphere center, wherein a passing point of the straight line through the spherical surface, defined relative to the camera, defines a first vertex of the spherical surface; Capturing an image with the camera of at least a portion of a half sphere surface comprising the first vertex; Outputting a (2-dimensional) camera image as an image of the (curved) spherical surface corresponding to the desired 2D planar projection.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus der beschleunigten Darstellung einer flächenähnlichen Projektion durch Minimierung des anfallenden Rechenaufwandes, da die eigentliche Eigenschaftsverteilung nur ein einziges Mal berechnet, auf die Kugeloberfläche gemappt werden, und dann nur noch mittels Kamera abgebildet werden muss. Damit können Eigenschaftsverteilungen virtuell schneller und quasi in Echtzeit gedreht und bei verschiedenen Betrachtungsrichtungen und -winkeln einer als Projektionsfläche genutzten Kugeloberfläche auf einer elektronischen Anzeige, beispielsweise einem Display, einem Bildschirm oder mit Hilfe eines Projektors dargestellt, oder mit Hilfe eines Druckers ausgedruckt werden. Advantages of this embodiment result from the accelerated representation of a surface-like projection by minimizing the amount of computation involved, since the actual property distribution is calculated only once, mapped onto the spherical surface, and then only has to be imaged by means of a camera. In this way, property distributions can be rotated virtually more quickly and quasi in real time and displayed at different viewing directions and angles of a spherical surface used as a projection surface on an electronic display, for example a display, a screen or with the aid of a projector, or printed out with the aid of a printer.
Weitere Vorteile sind die unter praktischen Gesichtspunkten völlig hinreichende Präzision der erzielten Flächentreue bzw. Ähnlichkeit, bei gleichzeitig enorm beschleunigter, weil vereinfachter Umsetzung. Die eigentliche und einmalige Berechnung der Eigenschaftsverteilung ist praktisch genauso rechenintensiv wie bisher, jedoch wird diese einmalige Berechnung zur Darstellung verschiedenster Betrachtungsrichtungen und -Abstände – d.h. für unterschiedliche Projektionsarten – genutzt, muss also nicht ständig neu erfolgen, bzw. wird von der entsprechenden Software (z.B. OpenGL) umgesetzt und der GPU hardware-seitig ausgeführt. Das ermöglicht eine erhebliche Verminderung des Rechenaufwandes und eine daraus resultierende Zeitersparnis bzw. praktisch verzögerungsfreie Darstellung unterschiedlicher Projektionen.
- (2) Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein Verfahren vorgeschlagen, weiterhin umfassend: – Bewegen der virtuellen Kamera und/oder der Kugel relativ zueinander, wobei der gewählte erste Abstand beibehalten wird, und – Wiederholen des Erfassens eines Bildes.
- (2) According to a second embodiment, a method is proposed, further comprising: moving the virtual camera and / or the sphere relative to each other while maintaining the selected first distance, and repeating the capture of an image.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich für die vollständige Erfassung der verteilt vorliegenden Eigenschaften (Werte) oder Parametersätze, da eine Darstellung maximal die Eigenschaftsverteilung eines Halbraumes – als projizierter Inhalt einer Halbkugel – erfasst. Zahlreiche Eigenschaftsverteilungen sind zentrosymmetrisch, so dass untere als auch obere Halbkugel den gleichen Inhalt haben. In dem Fall reicht die Darstellung einer Halbkugel zur Beschreibung der Eigenschaft völlig aus. Für nichtzentrosymmetrische Verteilungen, z.B. Verteilung der Kontinentalflächen auf der Erde, oder der Sterne im Universum, müssen dagegen für eine vollständige Darstellung zwei Halbkugeln dargestellt werden. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich für das häufig bestehende Erfordernis einer anschaulichen visuellen Darstellung komplexer Zusammenhänge. Für die Kristallografie ergeben sich besondere Vorteile bei der Ermittlung von Vorzugsorientierungen oder der nachträglichen Ausrichtung eines mikroskopischen Gefüges, z.B. unter Berücksichtigung einer dem Gefüge auferlegten Belastungsrichtung. Auf diese Art und Weise kann ein tatsächlich schräg erfolgter Anschnitt bzw. Anschliff einer Materialprobe (reale Schnittebene) so gedreht werden, dass die Darstellung orthogonal zu einer Flächennormalen des Gefüges erfolgt, d.h. als ob der Anschliff erneut wohlausgerichtet angefertigt und vermessen worden wäre.
- (3) Gemäß einer dritten Ausführungsform wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei das Erfassen ein zumindest abschnittsweises Aufnehmen derjenigen halben Kugeloberfläche umfasst, die den ersten Scheitelpunkt einschließt. Mit anderen Worten wird dabei ein vollständiges oder ein teilweises Bild (Teil-Bild) derjenigen halben Kugeloberfläche erfasst bzw. aufgenommen, die den ersten Scheitelpunkt einschließt. Die sich daraus ergebenden Vorteile betreffen eine weitere Beschleunigung der Darstellung besonders interessierender auf der Kugeloberfläche verteilt vorliegender Eigenschaften oder Parametersätze.
- (4) Gemäß einer vierten Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin das Aufnehmen eines vollständigen Bildes jener halben Kugeloberfläche, die den ersten Scheitelpunkt nicht einschließt, das heißt jener, die noch nicht dargestellt wurde. Die sich daraus ergebenden Vorteile betreffen eine zusätzliche Minimierung des Rechenaufwandes und die zusätzliche Beschleunigung der Darstellung aller auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaften oder Parametersätze. Beispielsweise ergeben sich besondere Vorteile für die Vereinfachung relevanter Mess- oder Simulationsergebnisse auf dem Gebiet der Meteorologie und der Klimaforschung, ebenso aber auch der Kristallografie und Materialforschung. In dem Fall werden zwei sich diametral gegenüberliegende Kameras zur Abbildung genutzt, oder die Verteilung als zweite Projektionskugel mit entsprechend ausgerichteter Eigenschaftsverteilung und Kamera eingesetzt. Es wird ein Verfahren zur beschleunigten digitalen Darstellung von auf einer Kugeloberfläche verteilten Daten vorgeschlagen, wobei die Daten ausgewählt sind unter einer anisotropen Eigenschaft (Elastizitätstensor, Intensitätsverteilung in einem Beugungsbild usw.) oder einer anisotrop verteilten Eigenschaft (Intensität einer ausgewählten Kristallrichtung als Verteilung im Raum, d.h. wie bei der kristallographischen Texturanalyse).
- (3) According to a third embodiment, a method is proposed, wherein the capturing comprises an at least partial recording of that half spherical surface which encloses the first vertex. In other words, a complete or partial image (partial image) of the half spherical surface that includes the first vertex is acquired. The resulting advantages relate to a further acceleration of the representation of particularly interesting properties or parameter sets distributed on the spherical surface.
- (4) According to a fourth embodiment, the proposed method further comprises taking a complete image of that half spherical surface which does not include the first vertex, that is, that which has not yet been illustrated. The resulting advantages relate to an additional minimization of the computational effort and the additional acceleration of the representation of all properties or parameter sets distributed on a spherical surface. For example, there are particular advantages for simplifying relevant measurement or simulation results in the field of meteorology and climate research, as well as crystallography and materials research. In this case, two diametrically opposed cameras are used for imaging, or the distribution is used as a second projection sphere with a correspondingly aligned property distribution and camera. A method for accelerated digital display of data distributed on a spherical surface is proposed, the data being selected from an anisotropic property (elasticity tensor, intensity distribution in a diffraction image, etc.) or anisotropically distributed property (intensity of a selected crystal direction as distribution in space, ie as in the crystallographic texture analysis).
Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der schnellen und vereinfachten Darstellung komplexer Messsituationen aus Anwendungsgebieten optischer Bildgebung mit Hilfe von Markersubstanzen.
- (5) Gemäß einer fünften Ausführungsform erfolgt das oben erwähnte Bewegen von Kugeloberfläche und Kamera relativ zueinander und das Wiederholen dieser Schritte so lange, bis allen auf der Kugeloberfläche verteilten Eigenschaften bestimmte Zielkoordinaten, d. h. Flächenkoordinaten zugeordnet sind. Die erzielten Vorteile sind die bereits vorstehend benannte Beschleunigung durch eine Vereinfachung notwendiger Rechenschritte. Dabei können die Zielkoordinaten in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Datenverteilung gewählt werden. Ebenso kann die Zuordnung von Flächenkoordinaten auch nur für einen interessierenden Teil der insgesamt verteilt vorliegenden Daten vorgenommen werden.
- (6) Gemäß einer weiteren Ausführungsform ergibt das vorgeschlagene Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Halbkugeloberfläche (Kugelhalbschale) vorliegenden Eigenschaftsverteilung eine flächenähnliche Projektion der Kugeloberfläche, wenn der erste Abstand der 2,15-
fache bis 2,3-fache Wert des Radius der Kugel, insbesondere der 2,268-fache Wert des Radius der Kugel ist. - (7) Gemäß einer weiteren Ausführungsform ergibt das vorgeschlagene Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Halbkugeloberfläche (Kugelhalbschale) verteilt vorliegenden Eigenschaft eine abstandsähnliche Projektion der Kugeloberfläche, wenn der erste Abstand ein Wert im Bereich vom 1,9-
fachen bis zum 2,1-fachen des Radius ist, insbesondere der 2-fache Radius ist bzw. der Durchmesser der Kugel ist. - (8) Gemäß einer weiteren Ausführungsform ergibt das vorgeschlagene Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaft eine stereografische Projektion der Kugeloberfläche, wenn der erste Abstand ein Wert im Bereich vom 0,85-fachen bis zum 1,15-fachen des Radius der Kugel ist, insbesondere der Radius der Kugel ist.
- (9) Gemäß einer weiteren Ausführungsform ergibt das vorgeschlagene Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaften eine gnomonische Projektion der Kugeloberfläche, wenn der erste Abstand einen Wert im Bereich des – 0,1-fachen bis zum 0,1-fachen des Radius der Kugel ist, insbesondere wenn der erste Abstand den Wert 0 annimmt.
- (10) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaft vorgeschlagen, wobei die Eigenschaft eine Größe ist, ausgewählt unter einer zur zumindest ausschnittsweisen Charakterisierung der Erde oder eines anderen Himmelskörpers dienenden Größe, die gemessen oder errechnet (simuliert oder modelliert) sein kann, umfassend eine astronomische, meteorologische, geologische, glaziologische, hydrologische, geografische, ozeanografische, klimatologische, biologische, ökologische, agronomische, soziologische, demografische, politische, militärische, kulturelle, ökonomische, telemetrische, funktechnische, avionische, Satelliten oder andere Raumflugkörper, oder Funknetze, insbesondere Mobilfunknetze betreffenden Eigenschaft.
- (5) According to a fifth embodiment, the above-mentioned moving of the spherical surface and the camera relative to each other and the repetition of these steps takes place until all the properties distributed on the spherical surface are assigned specific target coordinates, ie surface coordinates. The advantages achieved are the above-mentioned acceleration by simplifying necessary calculation steps. The target coordinates can be selected depending on the current data distribution. Likewise, the assignment of area coordinates can also be made only for a part of interest of the total distributed data available.
- (6) According to a further embodiment, the proposed method for determining a planar projection of a property distribution present on a hemisphere surface (spherical half-shell) yields a surface-like projection of the spherical surface when the first distance is 2.15 times to 2.3 times the value of the radius Sphere, in particular, is 2.268 times the radius of the sphere.
- (7) According to a further embodiment, the proposed method for determining a planar projection of a property distributed on a hemisphere surface (spherical half-shell) yields a distance-like projection of the spherical surface when the first distance has a value in the range from 1.9 times to 2.1 times the radius is, in particular, the 2-fold radius is or the diameter of the ball.
- (8) According to another embodiment, the proposed method for determining a planar projection of a property distributed on a spherical surface yields a stereographic projection of the spherical surface when the first distance is in the range of 0.85 to 1.15 times the Radius of the ball is, in particular the radius of the ball is.
- (9) According to a further embodiment, the proposed method for determining a planar projection of a distributed properties on a spherical surface gives a spherical projection of the spherical surface when the first distance has a value in the range of -0.1 times to 0.1 times is the radius of the sphere, in particular if the first distance assumes the value 0.
- (10) According to a further embodiment, a method for determining a planar projection of a property distributed on a spherical surface is proposed, wherein the property is a variable selected from a variable serving for at least partially characterizing the earth or another celestial body, which measures or calculates (simulated or modeled), including astronomical, meteorological, geological, glaciological, hydrological, geographic, oceanographic, climatological, biological, environmental, agronomic, sociological, demographic, political, military, cultural, economic, telemetric, radio, avionics, Satellites or other spacecraft, or radio networks, in particular mobile telephony network property.
Vorteile ergeben sich beispielsweise für das verbesserte Verständnis komplexer Zusammenhänge, die zweckmäßige Auslegung von Funknetzen, die erleichterte Lösung von Fragestellungen aus dem Bereich der Logistik oder die optimierte Entscheidungsfindung in anderen Sphären menschlicher Aktivität.
- (11) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaft vorgeschlagen, wobei die Eigenschaft ausgewählt ist unter einer physikalisch oder chemisch anisotropen Eigenschaft oder einer anisotrop verteilten physikalischen oder chemischen Eigenschaft., die zu Zwecken der beschleunigten Verarbeitung und/oder der Visualisierung auf eine virtuelle Kugeloberfläche projiziert wird.
- (11) According to a further embodiment, a method for determining a planar projection of a property distributed on a spherical surface is proposed, wherein the property is selected from a physically or chemically anisotropic property or an anisotropically distributed physical or chemical property, for accelerated Processing and / or the visualization is projected onto a virtual sphere surface.
Vorteile dieser Ausführungsform betreffen die beschleunigte grafische Darstellung und/oder Visualisierung auf einer ebenen Fläche jedweder verteilt auf einer gekrümmten Oberfläche vorliegender Eigenschaft, insbesondere die schnelle Darstellung von auf einer Projektionskugeloberfläche verteilt vorliegender Daten, wenn zu Zwecken eines besseren Verständnisses vorliegender Messsituationen zwischen einzelnen Ansichten oder Ausschnitten der Projektionsfläche hin und her gewechselt wird.
- (12) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion einer auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaft vorgeschlagen, wobei die Eigenschaft eine einer Achse eines Kristalls zuordenbare physikalische oder chemische Größe, eine Elektronendichte oder eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons oder eines anderen Teilchens, z.B. eines Positrons oder eines Kerns, ist. Mit anderen Worten kann die Eigenschaft eine anisotrope physikalische oder chemische Größe (z.B. die Richtungsabhängigkeit der Stärke einer chemischen Bindung) sein. So kann sie beispielsweise ausgewählt sein unter: einer Materialeigenschaft, umfassend Härte, E-Modul, Bruchschlagzähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Konzentration, chemischer Aktivität, Elektronendichte, Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elementarteilchens und anderen.
- (12) According to a further embodiment, a method for determining a planar projection of a property distributed on a spherical surface is proposed, wherein the property is a physical or chemical size, an electron density or a residence probability of an electron or another particle, eg a positron or a nucleus, is. In other words, the property may be an anisotropic physical or chemical quantity (eg, the directional dependence of the strength of a chemical bond). For example, it may be selected from among a material property including hardness, Young's modulus, fracture toughness, electrical conductivity, thermal conductivity, concentration, chemical activity, electron density, residence probability of an elementary particle, and others.
Vorteile ergeben sich beispielsweise für die beschleunigte Darstellung von Messsignalen eines Detektors für ein Elektronenmikroskop, insbesondere eines Detektors zur Detektion von rückgestreuten oder unter Einfluss energiereicher Strahlung emittierten Partikeln, und betreffen das gesamte Gebiet der Kristallografie und deren Anwendung, beispielsweise in der Materialforschung und der Materialprüfung.
- (13) Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin ein Darstellen von ermittelten Flächenkoordinaten als Digitalbild.
- (13) According to a further embodiment, the proposed method further comprises displaying determined surface coordinates as a digital image.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich in einer erleichterten Visualisierung vorliegender komplexer Zusammenhänge und der Möglichkeit der unmittelbaren Einbindung erhaltener Ergebnisse in Modelle, anwendungsspezifische Benutzeroberflächen oder Software-Module zum Betrieb und zur Steuerung von Mess- und Analysetechnik, insbesondere von Elektronenmikroskopen, Rasterelektronenmikroskopen, Tomographen und Röntgenapparaturen.
- (14) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine grafische Darstellung vorgeschlagen, die eine Planarprojektion umfasst, die gemäß einem der vorstehend genannten Verfahren gewonnen, oder von einem solchen hergeleitet wurde.
- (14) According to another embodiment, a graphical representation is proposed which comprises a planar projection obtained according to one of the aforementioned methods or derived from such.
Insbesondere kann die grafische Darstellung in Form eines Bildschirmbildes oder einer Videosequenz, in Form eines Computerausdrucks auf Papier oder auf Folie oder auch mit Licht, beispielsweise mit Hilfe zumindest eines über eine Anzeigefläche geführten Laserstrahls erfolgen. In particular, the graphical representation can take the form of a screen image or a video sequence, in the form of a computer printout on paper or on film or else with light, for example with the aid of at least one laser beam guided over a display surface.
Vorteile bestehen beispielsweise in einer gesteigerten Nutzerfreundlichkeit von Software zur Steuerung von Röntgen- und/oder Elektronenmikroskopen, insbesondere in der Möglichkeit einer verbesserten Mensch-Maschine Kommunikation bei der Steuerung derartiger Geräte.
- (15) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Visualisierung von Mess-, Analyse-, oder Simulationsdaten gemäß einem der benannten Verfahren vorgeschlagen. Dabei können zusätzliche Farb- oder Musterkodierungen für einzelne Projektionsarten oder für Zahlenbereiche der dargestellten Werte vorgenommen werden. In ihrer Gesamtheit verbessern die vorgeschlagenen Ausführungsformen beispielsweise die Nutzerfreundlichkeit von Anwendersoftware zur Gerätesteuerung, die Anschaulichkeit komplexer Messsituationen oder erleichtern das Verständnis komplexer Zusammenhänge.
- (16) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Anordnung mit mindestens einem Chip und/oder Prozessor vorgeschlagen, wobei die Anordnung derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion gemäß einer der vorstehend umrissenen und/oder nachfolgend detaillierter beschriebenen Ausführungsformen ausführbar ist.
- (15) According to another embodiment, the visualization of measurement, analysis, or simulation data according to one of the named methods is proposed. Additional color or pattern encodings can be made for individual projection types or for numerical ranges of the displayed values. In their entirety, the proposed embodiments improve, for example, the user-friendliness of application software for device control, the clarity of complex measurement situations or facilitate the understanding of complex relationships.
- (16) According to a further embodiment, an arrangement with at least one chip and / or processor is proposed, wherein the arrangement is set up such that a method for determining a planar projection according to one of the embodiments outlined above and / or subsequently described in more detail is feasible.
Beispielsweise kann der Chip und/oder Prozessor einen für das jeweilige Anwendungsfeld angepassten ASIC umfassen. Daraus ergeben sich Vorteile für die rasche Darstellung der jeweils gewählten Projektion, insbesondere die rasche Ausgabe des Kamerabildes der Kugeloberfläche, das der gewünschten Planarprojektion entspricht.
- (17) Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die vorgeschlagene Anordnung weiterhin eine Grafikkarte.
- (17) According to another embodiment, the proposed arrangement further comprises a graphics card.
Vorteile ergeben sich daraus, dass verbreitet anzutreffende Computer und Computersysteme typischerweise bereits mit einer Grafikkarte ausgerüstet sind, die einen Grafik-Prozessor (GPU) umfasst. Diese Bauteile sind angepasst für die schnelle Datenverarbeitung insbesondere mit Hilfe von Grafik-Programmen. Aus diesem Grund ermöglicht die Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens im Zusammenspiel von Grafikkarte, Grafikprozessor, Computer und Computer-Bildschirm eine besonders rasche Darstellung 2-dimensionaler Abbilder verfahrensgemäß vorgenommenen Projektionen und erlaubt beispielsweise bei Einbettung in die entsprechende Steuer-Software die effektive Gerätesteuerung von Teilchenstrahl-basierten Analysesystemen, wie Rasterelektronenmikroskopen oder Röntgenmikroskopen.
- (18) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
- (18) According to another embodiment, a computer program is proposed, which allows a data processing device, after being loaded into storage means of the data processing device, to perform a method for determining a planar projection according to one of claims 1 to 13.
Vorteile ergeben sich daraus, dass die vorstehend angegebenen oder nachfolgend weiter ausgeführten Verfahrensschritte oder Verfahrensabläufe ausgeführt werden können. Solche Computerprogramme können beispielsweise (gegen Gebühr oder unentgeltlich, frei zugänglich oder passwortgeschützt) downloadbar in einem Daten- oder Kommunikationsnetz bereitgestellt werden. Ein so bereitgestelltes Computerprogramm oder eine Kombination modulartig aufgebauter Programme kann dann durch ein Verfahren nutzbar gemacht werden, das die nachfolgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen einer Werteverteilung auf einer Kugeloberfläche;
- – Bereitstellen einer virtuellen Kamera, umfassend eine Aperturblende;
- – Ausrichten der Kamera auf den Mittelpunkt der Kugel;
- – Auswählen einer gewünschten 2D-Planarprojektion;
- – Auswählen einer als Funktion von der gewünschten Projektion abhängigen Kameraposition in einem definierten ersten Abstand der Kamera zum Mittelpunkt der Kugel;
- – Erfassen eines Bildes mit der Kamera von zumindest einem Ausschnitt einer halben Kugeloberfläche;
- – Ausgeben eines Kamerabildes der halben Kugeloberfläche oder zumindest des einen Ausschnitts der halben Kugeloberfläche, entsprechend der gewünschten 2D-Planarprojektion.
- (19) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein computerlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
- Providing a value distribution on a spherical surface;
- Providing a virtual camera comprising an aperture stop;
- - Align the camera to the center of the sphere;
- - selecting a desired 2D planar projection;
- Selecting a camera position dependent on the desired projection at a defined first distance of the camera to the center of the sphere;
- Capturing an image with the camera of at least a section of half a spherical surface;
- Outputting a camera image of half the spherical surface or at least of a section of the half spherical surface, according to the desired 2D planar projection.
- (19) According to another embodiment, there is provided a computer-readable storage medium having stored thereon a program that allows a data processing device, after being loaded into storage means of the data processing device, to perform a planar projection determination method according to any one of claims 1 to 13 ,
Vorteilhafterweise kann das vorgeschlagene Speichermedium eingesetzt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer Planarprojektion durchzuführen, wobei das Verfahren die oben detaillierter ausgeführten Schritte umfasst:
- – Bereitstellen einer Werteverteilung auf einer Kugel- bzw. Halbkugeloberfläche;
- – Bereitstellen einer virtuellen Kamera, umfassend eine Aperturblende;
- – Ausrichten der Kamera auf den Mittelpunkt der Kugel;
- – Auswählen einer gewünschten 2D-Planarprojektion;
- – Auswählen einer als Funktion von der gewünschten Projektion abhängigen Kameraposition in einem definierten ersten Abstand der Kamera zum Mittelpunkt der Kugel;
- – Erfassen eines Bildes mit der Kamera von zumindest einem Ausschnitt einer halben Kugeloberfläche;
- – Ausgeben eines Kamerabildes der halben Kugeloberfläche oder zumindest des einen Ausschnitts der halben Kugeloberfläche, entsprechend der gewünschten 2D-Planarprojektion.
- (20) Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Computerprogramm aus einem elektronischen Datennetz, wie beispielsweise aus dem Internet, auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird, wobei das Computerprogramm, nachdem es in ein Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, das Durchführen eines Verfahrens zum Ermitteln einer Planarprojektion gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gestattet.
- - Providing a value distribution on a spherical or hemisphere surface;
- Providing a virtual camera comprising an aperture stop;
- - Align the camera to the center of the sphere;
- - selecting a desired 2D planar projection;
- Selecting a camera position dependent on the desired projection at a defined first distance of the camera to the center of the sphere;
- Capturing an image with the camera of at least a section of half a spherical surface;
- Outputting a camera image of half the spherical surface or at least of a section of the half spherical surface, according to the desired 2D planar projection.
- (20) According to another embodiment, a method is proposed in which a computer program is downloaded from an electronic data network, such as from the Internet, to a data processing device connected to the data network, the computer program having been loaded into a storage means of the data processing device is, performing a method for determining a planar projection according to the embodiments described above allowed.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche. The above-described embodiments may be arbitrarily combined with each other. Other embodiments, modifications and improvements will become apparent from the following description and the appended claims.
Gemäß typischer Ausführungsformen erfolgt die Projektion einer radialen Eigenschaftsverteilung (z.B. der Verteilung einer Intensität) oder der Verteilung von Einzelpunkten gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren nicht wie bisher üblich über die Berechnung der einzelnen Punkte, sondern durch Umsetzung der Daten in ein Bild (Grafik), welches durch geeignete Abbildung sofort in der gewünschten Projektion erscheint. According to typical embodiments, the projection of a radial property distribution (eg, the distribution of an intensity) or the distribution of individual points according to the proposed method is not as usual on the calculation of the individual points, but by converting the data into an image (graph), which by suitable image immediately appears in the desired projection.
Da sich die Eigenschaftsverteilung durch Drehung nicht ändert, muss deren sphärische Projektion oder die vorstehend in [0007] beschriebene Umsetzung nur einmal erzeugt bzw. berechnet werden. Damit ergibt sich die jeweils gewünschte Projektion unmittelbar aus der ersten Berechnung bzw. Darstellung der sphärischen Projektion. Das hat den Vorteil, dass keine Neuberechnung der Projektionsdaten in die Ebene erforderlich ist, sondern lediglich das Bild auf dem jeweils verwendeten Anzeigemedium (z.B. Bildschirm, Display, Projektor-Fläche, Ausdruck) gedreht wird. Der dafür erforderliche Rechenaufwand ist vernachlässigbar gering und vom Nutzer nicht wahrnehmbar. Since the property distribution does not change by rotation, its spherical projection or the conversion described above in [0007] must be generated or calculated only once. This results in the respective desired projection directly from the first calculation or representation of the spherical projection. This has the advantage that no recalculation of the projection data into the plane is required, but only the image is rotated on the display medium used (e.g., screen, display, projector surface, printout). The required computational effort is negligible and not perceptible by the user.
Typischerweise bedient sich das vorgeschlagene Verfahren zur Darstellung (d.h. Erzeugung der gewünschten Ebenen-Projektion durch Abbildung mittels virtueller Kamera) einer plattform- und programmiersprachenunabhängigen Grafikschnittstelle. Beispielsweise kann die plattform- und programmiersprachenunabhängige Grafikschnittstelle OpenGL (Open Graphics Library) genutzt werden. Die radiale Eigenschaftsverteilung wird dabei nur einmal berechnet und in eine oder mehrere Bitmaps überführt, die den Gesamtraum beschreiben und zur Darstellung als auch zur Projektion mit Hilfe der gewählten Grafikschnittstelle Verwendung finden. Typically, the proposed method uses to represent (i.e., generate the desired plane projection by virtual camera imaging) of a platform and programming language independent graphics interface. For example, the platform- and programming language-independent graphics interface OpenGL (Open Graphics Library) can be used. The radial property distribution is calculated only once and converted into one or more bitmaps that describe the overall space and are used for display as well as for projection using the selected graphics interface.
Die beiliegenden Figuren veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien des vorgeschlagenen Verfahrens. The accompanying figures illustrate exemplary embodiments and, together with the description, serve to explain the principles of the proposed method.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann eine azimutale Lambert-Projektion (equal area) der Eigenschaftsverteilung dadurch erreicht werden, dass die Position der OpenGL-Kamera, einfach verändert wird. According to the proposed method, an azimuthal Lambert projection of the property distribution can be achieved by simply changing the position of the OpenGL camera.
Dazu wird gemäß einer typischen Ausführungsform die Position der OpenGL-Kamera aus der Mitte der Projektionskugel heraus um den zweifachen bis um den 2,5-fachen Wert des Radius der Projektionskugel verschoben. Typischerweise wird die Position der OpenGL-Kamera aus dem Zentrum der Projektionskugel um das 2,1-fache bis um das 2,3-fache des Radius der Kugel, insbesondere um den Wert 2,268 × R verschoben, wobei R den Radius der Kugel (Projektionskugel) darstellt. For this purpose, according to a typical embodiment, the position of the OpenGL camera is shifted out of the center of the projection sphere by twice to 2.5 times the value of the radius of the projection sphere. Typically, the position of the OpenGL camera is shifted from the center of the projection sphere by 2.1 times to 2.3 times the radius of the sphere, in particular by the value of 2.268 × R, where R is the radius of the sphere (projection sphere ).
Typischerweise erfolgt die geometrische Projektion in die azimutale Ebene am Scheitelpunkt, wobei der Punkt auf der Kugeloberfläche mit seinem Sekantenabstand in die Projektionsfläche übertragen wird. Das entspricht in etwa einer von der Kameraposition Pe aus zentralperspektivischen Abbildung der Kugeloberfläche auf eine zur azimutalen Ebene parallele Fläche. Dabei ist der Scheitelpunkt S bzw. Augpunkt jener auf der Kugeloberfläche liegende Punkt, der der Kamera diametral gegenüber liegt bzw. am Weitesten von der Kameraposition Pe entfernt ist. Typically, the geometric projection takes place in the azimuthal plane at the vertex, with the point on the spherical surface is transmitted with its secant distance in the projection surface. This corresponds approximately to one of the camera position P e from a central perspective image of the spherical surface on a parallel to the azimuthal plane surface. In this case, the vertex S or Augpunkt that lying on the spherical surface point which is the camera diametrically opposite or furthest away from the camera position P e .
Die Konstruktion der Projektionsebene
Das sich bei der Betrachtung der Innenfläche der entgegengesetzten Halbkugel ergebende Bild entspricht für die bezeichnete Kameraposition Pe mit geringen Abweichungen dem der azimutalen Lambert-Projektion. Die auftretenden lokalen Abweichungen der Bildpunkte, generiert durch eine Zentral-Projektion mittels Kamera, von denen der exakten azimutalen Lambert-Projektion ergeben sich aus dem Strahlensatz und betragen für die bevorzugte Kameraposition Pe maximal 0,6%. The image resulting from viewing the inner surface of the opposite hemisphere corresponds to the azimuthal Lambert projection for the designated camera position P e with slight deviations. The occurring local deviations of the pixels, generated by a central projection by means of camera, of which the exact azimuthal lambert projection result from the set of rays and amount to a maximum of 0.6% for the preferred camera position P e .
Da sowohl die Kugel als auch die Kamera mit Blick auf den Kugelmittelpunkt frei gedreht werden kann, erhält man auf diese Weise eine verzögerungsfreie Entzerrung der auf der Kugeloberfläche dargestellten Eigenschaftsverteilung mit einer weitestgehend exakten Projektion. Since both the sphere and the camera can be freely rotated with respect to the center of the sphere, this results in a delay-free equalization of the property distribution shown on the sphere surface with a largely exact projection.
Wie leicht nachvollziehbar, können sphärische Projektionen verwendet werden, um die radiale Verteilung einer Eigenschaft auf einer Kugeloberfläche unverzerrt darzustellen. Ebenso können sphärische Projektionen aber auch verwendet werden, indem man nicht wie üblich auf die konvex gekrümmte Oberfläche (von außen) sondern auf die konkav gekrümmte Oberfläche (von innen) schaut.
Dieser Zusammenhang ist nochmals in
Durch Verschieben der (virtuellen) Kamera an verschiedene Positionen ist ebenso die Darstellung der gnomonischen, der radial abstandsähnlichen und – wie nachfolgend gezeigt – sogar eine flächenähnliche Projektion möglich: Dieser im Nachhinein frappierend einfacher Zusammenhang verschiedener Projektionsarten ergibt sich allein aus der Position des Betrachters, bzw. einer jeweils gewählten Kameraposition in Bezug zum Kugelmittelpunkt: Bei Positionierung der Kamera im Punkt G ergibt sich die gnomonische, bei Positionierung im Punkt S (Südpol) die stereografische (konformale), für die Position der Kamera im Punkt ED ergibt sich die (radial) abstandsähnliche und für die Position im Punkt EA überraschend die hier vorgeschlagene flächenähnliche Projektion. By moving the (virtual) camera to different positions, the representation of the gnomonic, the radially distance-like and - as shown below - even a surface-like projection is possible: This subsequently surprisingly simple context of different types of projection results solely from the position of the viewer, or of a selected camera position in relation to the ball center point: When the camera is positioned at point G, the result is gnomonic, when positioned at point S (South Pole) the stereographic (conformal), for the position of the camera at the point ED results in the (radial) distance-like and surprising for the position in the point EA the proposed here area-like projection.
Die sich für verschiedene Projektionen bei gleicher Eigenschaftsverteilung ergebenden Abbilder sind in
Überraschend erwies sich, dass auf wesentlich einfachere Weise als bisher ein Abbild einer Zentralprojektion erhalten werden kann, das sehr ähnlich zur klassischen Lambert-Projektion ausfällt, wenn der Projektionspunkt Pe in einen bestimmten Abstand zum Kugelmittelpunkt gebracht wird. Surprisingly, it has been found that an image of a central projection, which is very similar to the classical Lambert projection, can be obtained in a much simpler manner than heretofore if the projection point P e is brought to a certain distance from the center of the sphere.
Das zeigt
Das ist in
Wie erläutert, wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die zur Erzeugung des ebenen Abbilds der Projektion verwendete virtuelle Kamera im Abstand vom 2,268-fachen Radius der Projektionskugel zum Mittelpunkt der Projektionskugel platziert. Dabei kann, wie oben spezifiziert, dieser Abstand auch geringfügig kleiner oder größer als das 2,268-fache des Radius sein, um den Charakter der flächentreuen Projektion zu erhalten. Mit dem 2.268-fachen Radius ist nur der Abstand festgelegt, unter dem die radiale Abweichung zur exakten Konstruktion am geringsten ist. Die Berechnung des Kamerabilds (d.h. die Projektion) erfolgt mit Hilfe üblicher, dem Fachmann bekannter Computerprogramme bzw. Berechnungsroutinen, die vom Graphik-Prozessor (GPU) ausgeführt werden. Sie erfordert rechentechnisch einen wesentlich geringeren Aufwand, als die klassische Lambert-Projektion. Daraus ergeben sich bei Umsetzung der entsprechenden Berechnungsroutinen mit Hilfe des abgestimmten Zusammenwirkens eines Grafik-Prozessors (GPU) und einer Grafik-Karte bzw. einer entsprechenden Computer-Hardware erhebliche Vorteile für eine beschleunigte Ergebnis-Darstellung. As explained, according to the proposed method, the virtual camera used to produce the planar image of the projection is placed at a distance of 2.228 times the radius of the projection sphere to the center of the projection sphere. In this case, as specified above, this distance may also be slightly smaller or larger than the 2.268 times the radius in order to obtain the character of the area-true projection. With the 2.268-fold radius, only the distance is determined under which the radial deviation to the exact construction is the lowest. The computation of the camera image (i.e., the projection) is done using conventional computer programs or calculation routines known to those skilled in the art, which are executed by the graphics processor (GPU). It requires computationally much less effort than the classic Lambert projection. This results in implementation of the corresponding calculation routines with the help of the coordinated interaction of a graphics processor (GPU) and a graphics card or a corresponding computer hardware significant advantages for an accelerated result representation.
Die resultierende Ähnlichkeit der vorgeschlagenen vereinfachten Projektion zur klassischen Lambert-Projektion ergibt sich aus zwei Gründen:
- a) die nun erhaltene Abbildung ist gemäß dem Strahlensatz eine geometrisch ähnliche Abbildung, denn in Höhe der in
4 mit4 bezeichneten Ebene wären beide Projektionen praktisch fast identisch, und - b) die Projektionen sind eben nur fast identisch, denn es treten Abweichungen auf, die im Falle eines Abstandes des Projektionszentrums Pe vom Mittelpunkt der Kugel, bzw. der Halbkugel des 2,268-fachen des Radius der Kugel bzw. Halbkugel allerdings maximal nur 0.6% betragen. Für andere -Abstände sind die Abweichungen entsprechend größer.
- a) the image obtained is a geometrically similar image according to the set of rays, because at the level of
4 With4 level, both projections would be almost identical, and - b) the projections are just almost identical, because deviations occur, which in the case of a distance of the projection center P e from the center of the sphere, or the hemisphere of 2.268 times the radius of the sphere or hemisphere, however, only a maximum of 0.6% be. For other distances the deviations are correspondingly larger.
Das bedeutet, dass mit einer virtuellen Kamera, die im Punkt Pe positioniert ist, der Blick in die in Richtung der Projektionsebene
Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens bestehen somit einerseits in der Möglichkeit einer verzögerungsfreien Rotation mittels unterschiedlicher Projektion von radialen Eigenschaftsverteilungen, als auch andererseits in der intuitiven Bedienung einer z.B. in der Texturforschung standardmäßig verwendeten Projektion von Daten bei extrem geringem Rechenaufwand. The advantages of the proposed method thus exist on the one hand in the possibility of a delay-free rotation by means of different projection of radial Property distributions, as well as on the other hand in the intuitive operation of a standard example in the texture research used projection of data at extremely low computational effort.
Dadurch wird die Dateninterpretation deutlich vereinfacht, was eine erhebliche Verkürzung des Arbeitsaufwandes bewirkt. As a result, the data interpretation is significantly simplified, which causes a significant reduction in the workload.
Eine Projektion von ca. 800.000 Datenwerten erfordert ca. 15 Sekunden Rechenzeit (Dualcore Intel i5-460M). Jede Rotation der Daten würde mit der klassischen Lambert-Projektion immer wieder den gleichen Zeitaufwand erfordern. Im Gegensatz dazu gibt es mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren nach einer ersten Berechnung keine Verzögerung mehr, da keine erneute Berechnung der Projektionsdaten mehr vorgenommen werden muss, sondern die erstmals als sphärische Projektion beschriebene Eigenschaftsverteilung mittels der entsprechenden Software, z.B. OpenGL, lediglich gedreht und – je nach gewünschter Projektion – durch eine an einen bestimmten Punkt verschobene Kamera abgebildet wird. A projection of about 800,000 data values requires about 15 seconds of computing time (dual-core Intel i5-460M). Every rotation of the data would require the same amount of time over again with the classic Lambert projection. In contrast, with the method proposed here, after a first calculation, there is no longer a delay, since no further calculation of the projection data has to be made, but rather the property distribution described for the first time as a spherical projection by means of the corresponding software, e.g. OpenGL, only rotated and - depending on the desired projection - is imaged by a camera shifted to a certain point.
Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die beschleunigte digitale Darstellung bzw. Abbildung von physikalischen Messwerten, Parametern, und/oder Eigenschaften in Form eines Digitalbilds unter Zuhilfenahme üblicher Darstellungs-Werkzeuge bzw. Rechnerprogramme. Unter einem Digitalbild wird in diesem Zusammenhang ein aus diskreten Bildpunkten aufgebautes Bild verstanden, wobei den Bildpunkten jeweils Flächenkoordinaten zugeordnet werden können. Dabei können einzelnen Bildpunkten oder allen einzelnen Bildpunkten weiterhin unterschiedliche Informationen, beispielsweise in Form von unterschiedlichen bit-Werten zugeordnet sein (Bildtiefe, bit-Tiefe). Das digital erzeugte oder gespeichert vorliegende Bild kann ein schwarz/weiss-Bild, ein Graustufen-Bild, ein zweifarbiges, dreifarbiges, oder ein anderes Farbbild oder ein Farbauszugsbild bzw. eine Grafik, beispielsweise ein RGB-Bitmap sein. Das digitale Format der elektronisch speicherfähigen oder gespeichert vorliegenden Bilddaten (Grafikformat) ist dementsprechend beliebig frei wählbar und kann beispielsweise ausgewählt sein unter TIFF, GIF, BMP, JPG oder beliebigen anderen digitalen Formaten. The method proposed here enables the accelerated digital representation or mapping of physical measured values, parameters, and / or properties in the form of a digital image with the aid of conventional presentation tools or computer programs. In this context, a digital image is understood to be an image constructed from discrete pixels, it being possible to associate surface coordinates with the pixels in each case. In this case, individual pixels or all individual pixels continue to be assigned different information, for example in the form of different bit values (image depth, bit depth). The digitally generated or stored image may be a black and white image, a grayscale image, a bi-color, tri-color, or other color image or a color separation image or graphic, such as an RGB bitmap. The digital format of the electronically storable or stored present image data (graphic format) is accordingly freely selectable and can be selected for example under TIFF, GIF, BMP, JPG or any other digital formats.
Typischerweise werden mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens digitale Daten ermittelt, die zur visuellen Darstellung komplexer Zusammenhänge praktisch bedeutsamer Messsituationen, beispielsweise aus der physikalischen Messtechnik, verwendet werden sollen. Beispielhafte Anwendungsgebiete umfassen die Materialforschung; die Kristallografie; die Mikrostrukturforschung, insbesondere Röntgenstrukturanalyse, beispielsweise die Röntgenstrukturanalyse mittels Diffraktometrie; die Geologie, insbesondere die Geodäsie, Kartografie; das Verkehrswesen, insbesondere die Luft- und Raumfahrt und das Flugleitwesen im weitesten Sinne; die Meteorologie; die Fotometrie oder das Vermessungswesen. Typically, digital data are determined with the aid of the described method, which are to be used for the visual representation of complex relationships of practically significant measurement situations, for example from physical measurement technology. Exemplary fields of application include materials research; the crystallography; microstructure research, in particular X-ray structure analysis, for example X-ray diffraction analysis; geology, especially geodesy, cartography; transport, in particular aerospace and flight control in the broadest sense; the meteorology; photometry or surveying.
Die genannten Darstellungswerkzeuge bzw. Rechnerprogramme sind typischerweise objektorientierte Software-Programme und -Hilfsmittel, wie sie beispielsweise vom Programm-Modul OpenGL zur Verfügung gestellt werden. The mentioned presentation tools or computer programs are typically object-oriented software programs and aids, such as those provided by the program module OpenGL.
Besondere Anwendungsmöglichkeiten des beschriebenen Projektionsverfahrens liegen im Bereich der Materialforschung und der Werkstoffwissenschaften, beispielsweise in der Werkstoffkunde mittels EBSD, in der Röntgenstrukturanalyse mittels XRD und der Texturforschung, allgemein für den Bereich der Qualitätskontrolle, für den Bergbau, den Bereich der Mineralogie, der Geologie und der Kartographie, sowie insbesondere für die Geographie und Meteorologie. Particular applications of the described projection method are in the field of materials science and materials science, for example in materials science using EBSD, in X-ray diffraction analysis by XRD and texture research, generally in the field of quality control, mining, mineralogy, geology and chemistry Cartography, and in particular for geography and meteorology.
Besondere Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen betreffen Anwendungen auf dem Gebiet der Materialwissenschaften, insbesondere der Zuverlässigkeitsuntersuchung, Werkstoffprüfung und Defektoskopie. Particular advantages of the described embodiments relate to applications in the field of materials science, in particular the reliability study, material testing and defectoscopy.
Weitere Vorteile ergeben sich aus einer auch trotz Wechsel der Beobachtungsposition, bzw. veränderter Wertemenge erhaltenen schnellen Darstellung der auf einer Kugeloberfläche verteilt vorliegenden Eigenschaften oder von auf eine virtuelle Kugeloberfläche projizierten Daten. Insgesamt bestehen die Vorteile somit in der einfachen rechentechnischen Umsetzung mit Hilfe bekannter und hardwareseitig, beispielsweise auf Prozessorniveau bereits implementierter Algorithmen und daraus resultierenden extrem kurzen Rechenzeiten. Further advantages result from a rapid representation of the properties distributed on a spherical surface, or from data projected onto a virtual spherical surface, even if the observation position or changed value set is changed. Overall, the advantages are thus in the simple computational implementation using known and hardware-side, for example, at processor level already implemented algorithms and the resulting extremely short computation times.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren. While specific embodiments have been illustrated and described herein, it is within the scope of the present invention to properly modify the illustrated embodiments without departing from the scope of the present invention. The following claims are a first, non-binding attempt to broadly define the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- N N
- Nordpol, Scheitelpunkt; North Pole, vertex;
- EA, Pe EA, P e
- Kameraposition für (flächentreue) Lambert-Projektion; Camera position for (area-consistent) Lambert projection;
- G G
- Kameraposition für gnomonische Projektion; Camera position for gnomonic projection;
- S S
- Kameraposition für stereografische Projektion (konformal); Camera position for stereographic projection (conformal);
- ED ED
- Kameraposition für abstandstreue Projektion; Camera position for distance-stable projection;
- 1 1
- Projektionskugelzentrum bzw. Ursprungsposition einer virtuellen Kamera im Zentrum der Kugeloberfläche bei gnomonischer Projektion;Projection sphere center or origin position of a virtual camera in the center of the spherical surface with gnomonic projection;
- 2 2
- Obere Halbkugel, bzw. von der Kamera abgewandte Hälfte der Projektionskugel;Upper hemisphere, or half of the projection ball facing away from the camera;
- 3 3
- azimutale Projektionsebene der (flächentreuen) Lambert-Projektion; azimuthal projection plane of the (area-equivalent) Lambert projection;
- 4 4
- virtuelle Projektionsebene gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; virtual projection plane according to the proposed method;
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- 2012-09-26 DE DE201210109105 patent/DE102012109105A1/en not_active Ceased
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