专利名称：具有图像生成功能的模拟装置和具有图像生成步骤的模拟方法
技术领域：
本发明涉及模拟装置及方法，特别是将解析模型构筑的三维空间分割为多个部分空间模拟解析对象的行为并在对各部分空间将模拟结果图像化之后通过考虑遮断关系将该图像重叠而具有可以实时地使解析模型的行为实现可视化的图像发生功能的模拟装置和包括图像发生阶段的模拟方法。
背景技术：
近年来，随着数字计算机的性能提高，已可以模拟大规模的解析对象的行为，但是，为了容易理解行为，使模拟结果实现可视化是很重要的。
图1是现有的模拟装置的结构图，由根据设定的参量1～m计算解析对象的动态特性的模拟器10和存储模拟器10的运算结果的存储介质(例如硬盘)11、将存储介质11存储的运算结果实现图像化的图像化装置12和显示由图像化装置12实现了图像化的模拟结果的显示屏13构成。
但是，在现有的模拟装置中，是将图像化作为在模拟结束之后执行的主过程处理的，所以，存在以下问题。
1.为了一旦将从模拟装置输出的模拟结果存储到存储介质中之后就进行图像化处理，所以，难于实时地观察变更了参量的结果。
2.为了用图像化装置将模拟结果实现图像化，必须将硬盘等存储的模拟结果变换为适合于图像化装置的形式，但是，在解析对象的规模大时，变换的计算量非常庞大。
例如，在移动了视点时，也必须再次生成与移动后的视点对应的图像，另外，在模拟结果作为体积数据输出而利用多边形实现图像化时，就必须将体积数据变换为多边形。因此，不可能将模拟结果实时地作为图像而进行观察。
因此，为了使模拟运算和图像化处理实现高速化，提出了所谓的分散型模拟装置。
图2是节点数为8的分散型模拟装置的结构图，用各节点#1～#8分散计算解析对象的行为，然后，将计算结果合成。
节点#1～#8的输出通过通信线路(例如Message Passing Interface)和高速网络转换开关21向服务器22传输，在CRT23上作为图像进行显示。
并且，为了在视觉上识别模拟结果，要以每1秒约30幅(视频速率)的频度更新图像，所以，解析对象的规模增大时，必须增加节点数即并联连接的计算机数。
但是，由于各节点与服务器之间的通信线路是1条线路，所以，增加节点数时，节点间或节点与服务器间的通信将发生冲突，从而不能忽略通信所需要的额外时间。
图3是表示并联台数与处理时间的关系的曲线图，横轴表示并联计算机台数，纵轴表示处理时间(秒)。即，图3表示并联连接的计算机台数增加到50～100台时，处理时间缩短，计算机台数增加到100台以上时，处理时间反而延长。并且，在使用当前可以使用的CPU时，最短的处理时间只不过约为“0.5秒”。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题而提出的，目的在于提供在将解析模型构筑的三维空间分割为多个部分空间模拟解析对象的行为并在对各部分空间将模拟结果图像化之后通过考虑遮断关系将图像混合而具有可以将解析对象的行为实时地实现图像化的图像生成功能的模拟装置。
具有第1图像生成功能的模拟装置和方法具有按各指定的时间间隔对将解析对象的数模型构筑的三维空间分割的多个部分空间分别模拟解析对象的行为的多个部分模拟单元、在指定的时间间隔内生成由部分模拟单元模拟的部分空间的模拟结果的部分图像的多个部分图像生成单元、在指定的时间间隔内将由部分图像生成单元生成的部分图像混合并生成作为解析对象全体的模拟结果的图像的全体图像的全体图像生成单元和在上述指定的时间间隔内显示由全体图像生成单元生成的全体图像的显示单元。
在本发明中，将解析对象的行为分割为部分空间模拟，模拟结果立即实现图像化。并且，通过将部分图像混合，实现解析对象的模拟结果的图像化。
具有第2图像生成功能的模拟装置和方法是，部分模拟单元计算将部分空间分割的多个体素(ボクセル)的体素值。
在本发明中，按将部分空间分割为骰子块状的体素单位执行模拟运算。
具有第3图像生成功能的模拟装置和方法是，部分图像生成单元利用多路共享叠加法将由部分模拟单元模拟计算的体素值混合，生成部分图像。
在本发明中，由多路共享叠加法将部分空间的体素值混合。
具有第4图像生成功能的模拟装置和方法是，根据利用二进制空间分区法决定的优先度将由部分图像生成单元生成的部分图像混合。
在本发明中，根据利用BPS法决定的优先度将部分图像混合。
具有第5图像生成功能的模拟装置和方法是，全体图像生成单元具有由根据2个部分图像的遮断关系将2个部分图像混合而生成混合图像的混合图像生成单元层叠而成的结构。
在本发明中，全体图像生成单元由多个混合图像生成单元以流水线方式构成。
具有第6图像生成功能的模拟装置和方法是，混合图像生成单元具有判断2个部分图像的优先度的优先度判断单元、根据优先度判断单元的判断结果切换2个输入图像与2个输出图像的对应关系的切换单元和根据混合方程式将从切换单元输出的输出图像混合并输出混合图像的图像混合单元。
在本发明中，混合图像生成单元通过将具有特定功能的硬件组合而构成。
附图的简单说明图1是现有的模拟装置的结构图。
图2是现有的分散型模拟装置的结构图。
图3是表示并联台数与处理时间的关系的曲线图。
图4是本发明的模拟装置的结构图。
图5是分割为部分空间的分割方法的说明图。
图6是1个部分空间的斜视图。
图7是部分空间的部分图像生成方法的说明图。
图8是MS叠加法的说明图。
图9是BPS树的表现图。
图10是混合方法的说明图。
图11是遮断关系图。
图12是混合过程的说明图(1/2)。
图13是混合过程的说明图(2/2)。
图14是流水线方式的合成器的结构图。
图15是合并程序的结构图。
图16是本发明的模拟装置的动作时间图。
图17是服务器处理程序的流程图。
图18是节点处理程序的流程图。
图19是部分图像生成程序的流程图。
具体实施例方式
图4是本发明的模拟装置的结构图，模拟装置4由控制装置全体的服务器40、显示图像的显示装置(例如CRT)41、执行将解析模型构筑的三维空间分割为多个的部分空间的模拟和图像化处理的多个节点431～438和将各节点431～438的输出合成并向服务器输出的合成器44构成。
服务器40以总线400为中心，由CPU401、存储由CPU401执行的程序和CPU401的处理结果的存储器402、将动图像信号向显示装置41输出的图形插件(GB)403和用于与合成器44接口的接口插件(IFB)404构成。
另外，各节点431～438都具有相同的结构，以总线43a为中心，对解析对象的一部分构筑的部分空间执行模拟的CPU43b、存储由CPU43b执行的模拟程序和CPU43b的模拟结果的存储器43b、生成部分空间的模拟结果的图像的图像生成机器插件(VGB)43c和用于与合成器44接口的接口插件(IFB)43d构成。
在上述实施方案中，服务器431～438的模拟结果的图像假定是由专用的图像生成引擎生成的，但是，如果CPU43b具有高速的处理能力，也可以利用图像发生程序由软件发生图像。
图5是分割为部分空间的分割方法的说明图，表示将解析模型构筑的三维空间B分割为8部分空间B1～B8的情况。并且，各部分空间B1～B8内的解析模型原样地组装到各节点431～438中。
图6是1个部分空间Bi的斜视图，部分空间Bi分割为多个体素V(i，j，k)，通过执行模拟，对1个体素V(i，j，k)计算1组体素值。
体素值取决于与什么样的物理量对应或解析对象是什么。例如，模拟地球的天气时，体素值就是大气中的一点的气温、大气压、风向、风速等。这样，体素值就不限定为1个，可以包含多个物理量。
分割为部分空间的分割数不特别限定，但是，为了容易合成在部分空间中发生的图像，分割为多个特别是2的3n次方(n是正整数)个是有利的。
为了实现模拟结果的图像化，体素值按照预先决定的规则变换为色彩信息。例如，如果气温是高温，就变换为红色，如果是低温，就变换为蓝色，如果是中间的温度，就变换为黄色。
图7是利用光线投影(Ray-casting)(RC)法的部分空间的图像发生方法的说明图，屏幕S上的像素P(p，q)的色由包含在部分空间Bi内的圆柱C中的体素的色信息的卷积积分值所决定。
但是，视野随着远离屏幕S而扩大，于是，圆柱C的粗细随着远离屏幕而变粗，所以，卷积积分的范围与到屏幕的距离相应地扩大，从而卷积积分运算变得复杂。
因此，在本发明中，通过应用多路共享叠加法(MS法)，使图像发生变得容易。
图8是MS法的说明图，(A)表示和图7相同应用RC法的情况，(B)表示应用MS法的情况。
即在MS法中，通过使部分空间变形并利用与基准面垂直的平行光照射变形的部分空间内的体素而在基准面上生成图像，可以通过简单的相加计算而计算出基准面上的像素值。
由MS法生成的部分空间的图像即部分图像从各节点向合成器44传输，将部分空间的图像混合而生成解析模型全体的图像即全体图像。
并且，为了生成全体图像，必须根据视点与各部分空间的位置关系决定遮断关系，下面，参照图5说明遮断关系的决定方法。
首先，利用7个分隔面S1～S7将8个部分空间B1～B8隔开。即，由第1分隔面S1分割为第1部分空间群B1～B4和第2部分空间群B5～B8。其次，由第2分隔面S2将第1部分空间群分割为第1-1的部分空间群B1及B2和第1-2的部分空间群B3及B4。进而，由第3分隔面S3将第1-1的部分空间群分割为第1-1-1的部分空间群B1和第1-1-2的部分空间群B2。这样，反复进行分割，直至在由分隔面分割的1个空间中包含1个子体积为止。并且，将与视点的距离最短的空间中包含的子体积Bi对应的图像Ii的优先度设定为最高。即，与视点的距离越短，对与部分空间Bi对应的图像Ii赋予越高的优先度，用BSP(Binary Space Partitioning)树的形式表现。
图9是图5的BSP树的表现，对与部分空间B1对应的图像I1赋予优先度“1“，以下的图像按I3、I2、I4、I6、I8、I5、I7的顺序赋予优先度。
下面，说明部分空间的图像混合方法。
从光源发射的光通过解析模型构筑的三维空间到达屏幕上的点(p，q)时，点(p，q)的辉度Ic可以用[数式1]表示。Ipq=∫s0s1L(s)e_∫0sμ(t)dtds]]>其中，μ(t)是光线上的位置t的衰减率L(s)是光线上的位置s的辉度[数式1]S0是光线的出发点S1是光线的终点令Δs＝Δt，将[数式1]离散化，则得[数式2]。Ipq=Σi=0i=N-1(LiΔsΠj=0j=i-1e-μiΔsΔs)]]>=Σi=0i=N-1(CiΠj=0j=i-1ai)]]>[数式2]将[数式2]展开，则得[数式3]。IC＝{C0+C1α0+C2α0α1+C3α0α1α2+......+Ck-1α0α1......αk-1}+{α0α1......αk-1Ck+α0α1...αk-1Ck+1αk+α0·α1......αk-1CN-1αk......αN-2}＝IA+AA·IBAC＝AA·AB[数式3]其中，AA＝α0α1.........αk-1AB＝αkαk+1......αN-1LA＝C0+C1α0+.........+Ck-1α0...αk-1IB＝Ck+Ck+1αk+......+CN-1αk...αN-2由[数式3]可知，通过使用[数式3]将辉度分别用IA和IB表示的2个图像混合，可以求出合成图像的辉度。以上，说明了取分割数为“2”的情况，但是，显而易见，取分割数大于2时，同样也可以进行混合。
图10是混合方法的说明图，按照[数式3]所示的混合方程式将辉度、透过率分别为IA、AA和IB、AB的2幅图像混合时，就生成辉度、透过率为Ic、Ac的混合图像。
图11是遮断关系图，表示根据图9的BPS树而与8个子体积B1～B8对应的图像遮断关系。
图12是混合过程的说明图(之一)，由服务器431生成部分空间B1的图像I1、由服务器432生成部分空间B2的图像I2、由服务器433生成部分空间B3的图像I3、由服务器434生成部分空间B4的图像I4。
图像I1～I4传输给合成器44，按照图10所示的混合方程式进行混合，生成I1+I2+I3+I4。
图13是混合过程的说明图(之二)，图像I1～I8混合后，生成解析对象全体的模拟结果的图像。
将图像混合的合成器44也可以利用软件构成，但是，为了进行高速处理，使用所谓的流水线方式的计算机进行并行运算是有利的。
图14是流水线方式的合成器的结构图，为了将8幅图像合成，合成器44由7个合并器441～447构成。
图15是1个合并器的详细结构图，各合并器由优先度判断部44a、选择器44b和混合器44c构成。
即，节点X和Y的输出信号输入优先度判断部44a和选择器44b。在优先度判断部中，判断在节点X生成的图像IX与在节点Y生成的图像IY的遮断关系，并向选择器44b输出控制指令。
例如，在IY的优先度高、IX的优先度低时，就选择选择器44b的交叉路径，将节点X的输出向选择器44b的输出口B输出，将节点Y的输出向选择器44b的输出口A输出。相反，在IY的优先度低、IX的优先度高时，就选择选择器44b的直接路径，将节点X的输出向选择器44b的输出口A输出，将节点Y的输出向选择器44b的输出口B输出。
并且，在混合器44c中，根据图10所示的混合方程式将选择器44b的2个输出混合，并输出混合的图像的强度和透过率。
返回到图14，在模拟装置4具有8台服务器441～448时，合成器44由7台合并器441～447层叠成3级而构成。
即，在第1合并器441中，将图像I1和I3混合，在第2合并器442中，将图像I2和I4混合，在第3合并器443中，将图像I5和I7混合，在第4合并器444中，将图像I6和I8混合。
在第5合并器445中，将第1合并器441和第2合并器442的输出混合，在第6合并器446中，将第3合并器443和第4合并器444的输出混合。并且，在第7合并器447中，将第3合并器443和第4合并器444的输出混合，成为合成器44的输出。
上述实施方案说明了服务器数为8个时的合成器，但是，在服务器数为9个以上时，通过将上述8个合成器层，可以与上述服务器数对应。
合成器44的输出向服务器40传输，由显示装置41进行显示，但是，混合图像是利用MS法首先图像化的，所以，在显示装置41进行显示时，要使用众所周知的纹理映射功能修正变形。
图16是本发明的模拟装置的动作定时图，最上一行表示服务器的动作定时图，第2行以下表示节点#1～#8的动作定时图。
即，为了使服务器与节点的动作同步，例如服务器生成定时脉冲。
检测到定时脉冲时，服务器就将模拟条件和观察图像的视点位置等作为参量向各节点输出。
各节点接收到参量时，就进行解析对象的子空间的模拟，然后，将模拟结果进行部分图像化处理，并输出部分图像。
服务器从各节点收集部分图像，由合成器进行混合，并在修正变形后显示全空间的图像。
图17是服务器执行的服务器处理程序的流程图，在步骤170判断是否为动作时刻，如果不是动作时刻，就直接结束该程序。
在步骤170判断是肯定时，即，如果是动作时刻，在步骤171就将模拟条件和观察图像的视点位置等作为参量向各节点输出。
然后，在步骤172接收由合成器混合的图像，在步骤173进行映射处理，修正变形后，由显示装置进行显示，并结束该程序。
图18是各节点执行的节点处理程序的流程图，在步骤180判断是否为动作时刻，如果不是动作时刻，就直接结束该程序。
在步骤180判断是肯定时，即，如果是动作时刻，在步骤181就从服务器接收模拟条件和观察图像的视点位置等参量。然后，在步骤182进行分别空间的模拟，在步骤183为了生成部分图像而将基准面清除。
在步骤184执行部分图像生成程序，详细情况后面进行说明。最后，在步骤185向服务器发送部分图像，并结束该程序。
图19是在节点处理程序的步骤184执行的部分图像生成程序的详细流程图，在步骤184a将表示子空间的体素地址的指标(i，j，k)分别设定为初始值“1”。i和j是在基准面内沿相互正交的轴的地址，k是沿与基准面垂直的轴的地址。
在步骤184b求随k而变化的4个参量(UP·ΔI、UP·ΔJ、UP·bSI、UP·bSJ)。这里，UP·ΔI和UP·ΔJ分别是i轴和j轴方向的增量，是变形后的体素间的i轴和j轴的坐标的增量。UP·bSI和UP·bSJ分别是i轴和j轴方向利用MS法变形后的子体积的侧端的坐标。
在步骤184c，将设基准面上的1点的坐标为(p，q)时的q的初始值设定为UP·bSJ，在步骤184d，将j方向的增量与q相加，更新q。
在步骤184e，将p的初始值设定为UP·bSI，在步骤184f，将i方向的增量与p相加，更新p。
在步骤184g，求表示变形前的体素位置的参量ijk和表示变形后的对应的体素位置的参量Sijk。
即，Sijk＝(p，q，r)在步骤184h，为了计算基准面上的1点(p，q)的像素值C，首先，根据表示体素位置的参量(i，j，k)取出该体素的体素值Vijk。体素值Vijk是以红色成分R、绿色成分G、蓝色成分B和透明度A为要素的4维矢量。
并且，作为体素值Vijk与权函数w之积，计算像素值C。
C←Vijk*w(p-ip，q-jq)其中，(ip，jq)是与体素(i，j，k)对应的基准面上的点的i轴和j轴坐标。另外，体素值也是以红色成分R、绿色成分G、蓝色成分B和透明度A为要素的4维矢量。
最后，在步骤184i，根据[数式4]将通过全部步骤的处理计算的合成像素值Cc和在步骤184h计算的像素值C进行合成计算，更新合成像素值Cc。RcGcBc=Ac*RGB+RcGcBc]]>Ac＝Ac*A但是Cc=RcGcBcAc]]>[数式4]C=RGBC]]>在步骤184j，判断对全部体素的处理是否结束，在沿i轴的处理未结束时，在步骤184k，将i增加1，返回到步骤184f。
另外，在沿j轴的处理未结束时，在步骤184m，将j增加1，返回到步骤184d，在沿k轴的处理未结束时，在步骤184n，将k增加1，返回到步骤184b。在对全部体素的处理结束时，就结束该程序。
按照第1发明的具有图像生成功能的模拟装置和方法，将大规模的解析对象分割为部分空间进行模拟，对各部分空间可以将结果图像化，所以，即使节点的处理能力不是特别优异，也可以用视频速度显示模拟结果。
按照第2发明的具有图像生成功能的模拟装置和方法，模拟运算对体素进行，所以，模拟结果的图像化很容易实现。
按照第3发明的具有图像生成功能的模拟装置和方法，通过利用MS法生成部分图像，可以缩短图像生成时间。
按照第4发明的具有图像生成功能的模拟装置和方法，通过使用BSP法，可以利用递归处理决定遮断关系。
按照第5发明的具有图像生成功能的模拟装置和方法，合成器是流水线结构，所以，可以使部分图像的混合实现高速化。
按照第6发明的具有图像生成功能的模拟装置和方法，合并器由功能硬件构成，所以，可以使2图像的混合处理实现高速化。
权利要求
1.一种具有图像生成功能的模拟装置，具有按各指定的时间间隔对将解析对象的数学模型构筑的三维空间分割了的多个部分空间分别模拟解析对象的行为的多个部分模拟单元、在上述指定的时间间隔内生成由上述部分模拟单元模拟的部分空间的模拟结果的部分图像的多个部分图像生成单元、在上述指定的时间间隔内将由上述部分图像生成单元生成的部分图像混合并生成作为解析对象全体的模拟结果的图像的全体图像的全体图像生成单元和在上述指定的时间间隔内显示由上述全体图像生成单元生成的全体图像的显示单元。
2.按权利要求1所述的具有图像生成功能的模拟装置，其中上述部分模拟单元计算将部分空间分割后的多个体素的体素值。
3.按权利要求2所述的具有图像生成功能的模拟装置，其中上述部分图像生成单元利用多路共享叠加法将由上述部分模拟单元模拟的体素值混合，生成部分图像。
4.按权利要求1～3的任一项所述的具有图像生成功能的模拟装置，其中上述全体图像生成单元根据利用二进制空间分区法决定的优先度，将由上述部分图像生成单元生成的部分图像混合。
5.按权利要求4所述的具有图像生成功能的模拟装置，其中上述全体图像生成单元具有将2个部分图像根据该2个部分图像的遮断关系进行混合而生成混合图像的混合图像生成单元分层叠层的结构。
6.按权利要求5所述的具有图像生成功能的模拟装置，其中上述全体图像生成单元具有分层叠层上述全体图像生成单元的结构。
7.按权利要求5或权利要求6所述的具有图像生成功能的模拟装置，其中上述混合图像生成单元具有判断2个部分图像的优先度的优先度判断单元、根据上述优先度判断单元的判断结果切换2个输入图像与2个输出图像的对应关系的切换单元和根据混合方程式将从上述切换单元输出的输出图像混合并输出混合图像的图像混合单元。
8.一种具有图像生成步骤的模拟方法，具有按各指定的时间间隔对将解析对象的数学模型构筑的三维空间分割了的多个部分空间分别模拟解析对象的行为的多个部分模拟步骤、在上述指定的时间间隔内生成在上述部分模拟步骤模拟的部分空间的模拟结果的部分图像的多个部分图像生成步骤、在上述指定的时间间隔内将在上述部分图像生成步骤生成的部分图像混合并生成作为解析对象全体的模拟结果的图像的全体图像的全体图像生成步骤和在上述指定的时间间隔内显示在上述全体图像生成步骤生成的全体图像的显示步骤。
9.按权利要求8所述的具有图像生成步骤的模拟方法，其中上述部分模拟步骤计算将部分空间分割后的多个体素的体素值。
10.按权利要求9所述的具有图像生成步骤的模拟方法，其中上述部分图像生成步骤利用多路共享叠加法将在上述部分模拟步骤模拟的体素值混合，生成部分图像。
11.按权利要求8～10的任一项所述的具有图像生成步骤的模拟方法，其中上述全体图像生成步骤根据利用二进制空间分区法决定的优先度将在上述部分图像生成步骤生成的部分图像混合。
12.按权利要求11所述的具有图像生成步骤的模拟方法，其中上述全体图像生成步骤反复执行将2个部分图像根据该2个部分图像的遮断关系进行混合而生成混合图像的混合图像生成步骤。
13.按权利要求12所述的具有图像生成步骤的模拟方法，其中上述混合图像生成步骤具有判断2个部分图像的优先度的优先度判断步骤、根据上述优先度判断步骤的判断结果切换2个输入图像与2个输出图像的对应关系的切换步骤和根据混合方程式将从上述切换步骤输出的输出图像混合并输出混合图像的图像混合步骤。
全文摘要
本发明提供具有可以实时地将解析对象的行为实现图像化的图像生成功能的模拟装置和方法。解析对象的行为分割为多个部分空间，由节点431～438对各部分空间进行模拟运算，应用MP法可视化为部分图像。部分图像向流水线结构的合成器44传输，考虑以利用BSP法决定的视点为基准的遮断关系进行混合。混合图像在服务器40中使用纹理映射功能进行变形修正后，由显示装置41进行显示。
文档编号G06T15/08GK1457473SQ02800403
公开日2003年11月19日 申请日期2002年2月27日 优先权日2001年2月28日
发明者村木茂, 绪方正人, 梶原景范, 刘学振, 越塚健儿 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所, 村木茂, 三菱精密株式会社