Пристрій для визначення інтенсивності спекулярної складової кольору

Пристрій для визначення інтенсивності спекулярної складової кольору, що містить блок постійної пам’яті, перший блок множення, перший вхід якого з’єднано із виходом блока постійної пам’яті та другий, третій і четвертий блоки множення, виходи яких підключено до першого, другого і третього виходів пристрою відповідно, який відрізняється тим, що у нього введено перший регістр, вихід якого підключено до блока постійної пам’яті, керуючий вхід якого підключено до першого керуючого входу пристрою, а інформаційний вхід підключено до першого інформаційного входу пристрою, другий регістр, вихід якого підключено до обох входів п’ятого блока множення, до входу блока інверторів та до другого інформаційного входу другого суматора, керуючий вхід др угого регістра підключено до другого керуючого входу пристрою, а інформаційний вхід підключено до другого інфо U 2 (19) 1 3 20998 4 реалізації, а, також, складність обчислення вхідних пам’яті, перший блок 10 множення, другий блок 12 операндів для знаходження спекулярної складової множення, третій блок 13 множення, четвертий кольору. блок 14 множення, перший регістр 1, другий реВ основу корисної моделі поставлена задача гістр 2, п’ятий блок 7 множення, блок 8 інверторів, спрощення апаратної реалізації і зменшення склаперший суматор 9, другий суматор 11, третій редності обчислення вхідних операндів пристрою гістр 3, четвертий регістр 4, п’ятий регістр 5. для визначення інтенсивності спекулярної складоПерший вхід першого блока 10 множення вої кольору за рахунок виконання операцій безпоз’єднано із виходом блока 6 постійної пам’яті. Вихід др угого блока 12 множення підключено до середньо із значенням cos d , яке легко отримуєтьr r першого виходу 25 пристрою. Вихід третього блося скалярним добутком векторів H і N , досягнуто ка 13 множення підключено до другого виходу 26 зменшення складності апаратної реалізації та збіпристрою. Вихід четвертого блока 14 множення льшення швидкості обчислення. підключено до третього виходу 27 пристрою. Вихід Суть пристрою полягає в тому, що в пристрій першого регістра 1 підключено блока 6 постійної для визначення спекулярної складової кольору, пам’яті, керуючий вхід якого підключено до першоякий містить блок постійної пам’яті, перший блок го керуючого входу 15 пристрою, а інформаційний множення, перший вхід якого з’єднано із виходом вхід підключено до першого інформаційного входу блока постійної пам’яті, другий, третій та четвер16 пристрою. Вихід другого регістра 2 підключено тий блоки множення, виходи яких підключено віддо обох входів п’ятого блока 7 множення, до входу повідно до першого, другого і третього виходів блока 8 інверторів та до другого інформаційного пристрою, введено перший регістр, вихід якого входу другого суматора 11, керуючий вхід другого підключено до блока постійної пам’яті, керуючий регістра 2 підключено до другого керуючого входу вхід якого підключено до першого керуючого входу 17 пристрою, а інформаційний вхід підключено до пристрою, а інформаційний вхід підключено до другого інформаційного входу 18 пристрою. Обидпершого інформаційного входу пристрою, др угий ва входи п’ятого блока 7 множення підключено до регістр, вихід якого підключено до обох входів виходу другого регістра 2, а вихід з’єднано із перп’ятого блока множення, до входу блока інверторів шим інформаційним входом першого суматора 9. та до другого інформаційного входу др угого сумаВихід блока 8 інверторів з’єднано із другим інфортора, керуючий вхід другого регістра підключено маційним входом першого суматора 9. Вхід 28 до другого керуючого входу пристрою, а інформапереносу першого суматора 9 підключено до рівня ційний вхід підключено до другого інформаційного логічної, а вихід до другого входу першого блока входу пристрою, п’ятий блок множення, обидва 10 множення. До першого інформаційного входу входи якого підключено до виходу др уго го регістдругого суматора 11 підключено вихід першого ра, а вихід з’єднано із першим інформаційним блока 10 множення, керуючий вхід 30 підключено входом першого суматора, блок інверторів, вихід до рівня логічного нуля (заземлено), а вихід якого з’єднано із другим інформаційним входом з’єднано із першими входами другого 12, третього першого суматора, вхід переносу якого підключено 13 та четвертого 14 блоків множення. Керуючий до рівня логічної одиниці, а вихід до другого входу вхід третього регістра 3 підключено до третього першого блока множення, другий суматор, до керуючого входу 20 пристрою, інформаційний вхід першого інформаційного входу якого підключено підключено до третього інформаційного входу 19 вихід першого блока множення, керуючий вхід підпристрою, а вихід з’єднано із другим входом другоключено до рівня логічного нуля, а вихід з’єднано го блока 12 множення. Керуючий вхід четвертого із першими входами другого, третього та че тверрегістра 4 підключено до четвертого керуючого того блоків множення, третій регістр, керуючий входу 22 пристрою, інформаційний вхід підключевхід якого підключено до третього керуючого входу но до четвертого інформаційного входу 21 припристрою, інформаційний вхід підключено до трестрою, а ви хід з’єднано із другим входом третього тього інформаційного входу пристрою, а вихід блока 13 множення. Керуючий вхід п’ятого регістра з’єднано із другим входом другого блока множен5 підключено до п’ятого керуючого входу 24 приня, четвертий регістр, керуючий вхід якого підклюстрою, інформаційний вхід підключено до п’ятого чено до четвертого керуючого входу пристрою, інформаційного входу 23 пристрою, а вихід інформаційний вхід підключено до четвертого інз’єднано із другим входом четвертого блока 14 формаційного входу пристрою, а вихід з’єднано із множення, керуючий вхід пристрою 29. (див. Фіг.1). другим входом третього блока множення, п’ятий Для зафарбовування об’єктів у пристрої викорегістр, керуючий вхід якого підключено до п’ятого ристовується модель освітлення Бліна, згідно з керуючого входу пристрою, інформаційний вхід якою інтенсивність спекулярної складової кольору підключено до п’ятого інформаційного входу прирозраховується по формулі: строю, а ви хід з’єднано із другим входом четверто(1) I=Ilkscos n d , го блока множення. де Il - інтенсивність джерела світла, ks - коефіНа фігурі 1 зображено схему пристрою. цієнт дзеркального відбиття, n - коефіцієнт спекуНа фігурі 2 зображено хід променів у моделі лярності поверхні, який знаходиться в діапазоні 1освітлення Бліна. r На фігурі 3 відображено рознесення в часі 1000, d - кут між вектором нормалі N до поверхні r процесів запису інформації на вхід регістра 2 та в заданій точці і вектором півшляху H cos n d зчитування інформації з виходів пристрою. дистрибутивна функція відбивної здатності поверПристрій для визначення інтенсивності спекухні (BRDF). Вектор Н розраховується за формулою лярної складової кольору містить блок 6 постійної (2). r r r L+V H= r r L+V 5 20998 (2) r r Вектори L та V - одиничні вектори, що визначають відповідно місце розташування джерела світла та спостерігача (див. Фіг.2). Пропонується апроксимація BRDF квадратичною функцією відносно cosx , тобто cos nx=a.cos 2x+b.cosx+c (3) Для знаходження a, b, c - коефіцієнтів квадратичної функції скористаємося точками, значення BRDF в яких можна легко визначити. При х=0 cos nх=1, звідки можна записати (4) а+b+с=1 Якщо cosx=0, то cos nх також дорівнюватиме 0, звідси а.0+b.0+с=0 (5) Враховуючи формули (4) і (5) можна визначити, що ~ =0; b=1-а (6) n Для отримання коефіцієнту а прирівняємо значення BRDF та квадратичної функції в точці перегину функції cos nх. Продиференціювавши дану функцію по х та прирівнявши отриману другу похідну до 0 отримаємо, що абсциса точки перегину дорівнює: æ 1 ö g = arctgç ç n -1 ÷ . ÷ è ø Таким чином знаючи n можна визначити cos g та cos n g , звідки, враховуючи (3) та (6) маємо: a.cos 2 g +(1-a).cos n g =cos n g . (7) Введемо наступні позначення t=cosx, tn=cos nх. Тоді, враховуючи введені позначення, формула (7) перепишеться у вигляді a.t2+(1-a).t=tn З останнього рівняння знаходимо t n-1 - 1 (8) . t -1 Загальна формула для знаходження коефіцієнта а буде такою: A= æ æ 1 öö cosn-1ç arctgç ÷÷ -1 ç ÷÷ ç è n -1øø è (9) a= æ æ 1 öö ÷÷ - 1 cosç arctgç ç ÷÷ ç è n - 1 øø è Таким чином, для заданого n можна визначити коефіцієнти квадратичної функції, використовуючи формули (9) та (6). Значення а доцільно обчислити попередньо і зберігати у блоці постійної пам’яті. У регістр 1 записується значення коефіцієнта n спекулярності поверхні. Для цього його значення подається на інформаційний вхід 16 пристрою , а на керуючий вхід 15 - рівень логічної одиниці. У регістр 2 записується значення косинуса кута між r r вектором нормалі та вектором H ,cos j =H.N, N r r вектор нормалі, a L та V - одиничні вектори, що визначають відповідно місце розташування джерела світла та спостерігача. Як видно з формули r (1), вектор H знаходиться шляхом додавання век 6 r r торів L та V та нормалізації отриманого вектору (див. Фіг.2). Значення cos d подається на інформаційний вхід 18. Запис здійснюється по задньому фронту сигналу, який поступає на керуючий вхід 17. У регістри 3, 4 та 5 від зовнішнього пристрою записується значення інтенсивності R, G, B складових кольору, помножених на коефіцієнт ks дзеркального відбиття поверхні відповідно. Для цього на інформаційні входи 19, 21 та 23 подаються значення інтенсивності R-складової, G-складової та В-складової, помножених на коефіцієнт дзеркального відбиття поверхні, відповідно, а на відповідні керуючі входи 20, 22 та 24 подається рівень логічної одиниці. Значення коефіцієнта спекулярності n із регістра 1 поступає на вхід блока 6 постійної пам’яті, де зберігаються відповідні значення коефіцієнта а. Значення коефіцієнта а з виходу блока 6 поступає на перший вхід блока 10 множення, на другий вхід якого поступає операнд cos 2 d - cos d . Bін формується таким чином. Значення cos d з регістра 2 подається на обидва входи блока 7 множення, що забезпечує формування на його виході значення cos 2 d , яке поступає на перший вхід суматора 9. На вхід блока 8 інверторів з регістра 2 поступає значення cos d . На виході блока 8 формується інверсне значення зазначеного операнда, яке поступає на другий інформаційний вхід суматора 9, на виході якого отримують операнд cos 2 d cos d . Оскільки віднімання в суматорі 9 відбувається в доповняльному коді, то на його вхід переносу 28 подають рівень логічної одиниці. Блок 10 множення приймає на перший вхід значення коефіцієнта а із блока 6 постійної пам’яті, на другий вхід - значення cos 2 d - cos d 13 виходу суматора 9. Отриманий добуток a.( cos 2 d - cos d ) поступає на перший інформаційний вхід суматора 11. На другий вхід суматора 11 поступає значення cos d з виходу регістра 2. На виході суматора 11 формується апроксимоване значення BRDF - a.(cos 2 d cos d )+cos d . Iз ви ходу суматора 11 значення BRDF подається на перші входи блоків множення 12, 13 та 14. На другі входи блоків множення 12, 13 та 14 подається значення інтенсивності R, G, B складових кольору помножених на коефіцієнт k, дзеркального відбиття поверхні із виходів регістрів 3, 4 та 5 відповідно. Оскільки суматор виконує мікро операцію додавання двох операндів, то на його вхід 30 переносу подається рівень логічного нуля (вхід заземляється). На виходах пристрою 25, 26 та 27 пристрою формуються R, G, В складові інтенсивності кольору, які знайдено по формулі: (2) I=Ilkscos n d , де Il - інтенсивність джерела світла, ks - коефіцієнт дзеркального відбиття, n коефіцієнт спекулярності поверхні, який знаходиться в діапазоні 1r 1000, d - кут між вектором нормалі N до поверхні r в заданій точці і вектором півшляху H , cos n d дистрибутивна функція відбивної здатності поверхні (BRDF). Достовірність даних на виходах 25, 26, 27 пристрою підтверджується переднім фронтом сигналу, який формується на виході 29 (див. Фіг.3). Цим сигналом є сигнал запису в регістр 2, актив 7 20998 8 ним фронтом запису є задній фронт. Таке часове кодія за рахунок спрощеного розрахунку вихідних рознесення відповідає принципу єдиної часової параметрів. організації. Зрозуміло, що тривалість сигналу Т У пристрої-прототипі використовується два повинна бути більшою перехідних процесів приблока постійної пам’яті, причому у одному із них строю. Керуючий вхід 28 першого суматора 9 зберігаються значення чотирьох різних степенів з’єднано із рівнем логічної одиниці для того, щоб косинуса кута d для всіх можливих значень n на суматор працював у режимі віднімання. Керуючий p всьому діапазоні зміни S (0 £ S £ ). У запропоновхід 30 пристрою підключено до рівня логічного 2 нуля (заземлено), таким чином забезпечується ваному пристрої використано лише один блок робота суматора в режимі додавання. пам’яті, у якому зберігаються значення коефіцієнта У запропонованому пристрої для знаходження а для всіх n. Таким чином, досягається зменшення спекулярної складової кольору використовується як кількості блоків пам’яті, так і їх об'ємів. значення cos d , яке легко отримується скалярним r r У запропонованому пристрої використовуютьдобутком векторів H і N . У пристрої-аналогу вися виключно мікросхеми, що випускаються серійкористовується значення d , що передбачає виконо. нання після знаходження cos d довготривалої операції арккосинуса. Таким чином, у запропонованому пристрої досягається більш висока швид 9 Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков 20998 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601