控制通过多个输入参数而参数化的功能单元的方法和系统

摘要

本发明涉及一种简化的用于控制由多个输入参数(F

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于建立控制功能单元的控制系统的方法，其中，该功能单元通过多个输入参数而参数化。本发明还涉及一种这样的控制系统以及采用这样的控制系统对功能单元进行控制的方法。

背景技术

复杂技术系统(以下一般地称之为“功能单元”)的特性通常可以通过多个输入参数、即在多维参数空间中确定。在这样的参数空间中找到合适的值组合(以下也称之为“调节状态”或“值元组”)对于用户来说通常是困难且无聊的，因为可能的调节状态数随着参数空间的维数成指数增长，以及各输入参数之间的相互作用就其对功能单元的结果特性的影响来说对于缺少经验的使用者常常是不可预见的。

在此功能单元既可以是硬件组件也可以是软件组件。

这样的功能单元的例子尤其是用于计算在三维显示中虚拟对象的照明感觉的软件模块，尤其是所谓的光线跟踪软件。这样的照明要求可以用于成像医疗技术，以便例如将通过断层造影方法获得的身体结构的三维图像实际地显示出来。一种这样的照明要求例如通过规定待成像对象的环境光强度、扩散弛豫、镜象反射或光泽等的输入参数来参数化。在此通常大多数可能的调节状态会导致不期望的图像印象，而仅有少数调节状态能提供满意的结果。

这样的功能单元的另一个例子是用于对三维立体图像着色(VRT，体积着色)的软件。这样的方法也常常用于在成像医疗技术中三维显示所拍摄的身体结构。在此输入参数尤其定义可由功能单元混合成众多可能的最终颜色的颜色成分，如红、绿、蓝。在此同样仅有极少数混合色能导致如医疗工作者通常所期望显示的身体结构的真实颜色印象。而且“真实的”颜色会时而不规则地分布在可用的色谱上。

基于硬件的功能单元的例子是复杂的具有多个可组合成总声音的声道和/或频道的音调混合台，或复杂光设备的控制设备。

基于硬件的功能单元通常借助于多个分别对应于一个输入参数的机械调节器(滑阀式调节器、旋转调节器等)来设置输入参数。尤其是在基于软件的功能单元中，为了设置输入参数最多只能在软件程序的用户界面或字母输入区中图形地模拟机械调节器。在这两种情况下使用者都必须对每个输入参数单独寻找适当的设置。

为了简化对这样的功能单元的参数化有时会为使用者提供常用值组合(所谓的预设值)的列表。这样的预设值列表在颜色选择模块的情况下包含例如用于多个标准色的值组合。

当预先仅给出了少数选择可能性时，这样的离散值列表尤其可使参数化过程大大简化。但由此强制性地限制了用户设置个性化结果的选择自由度。另一方面如果预先给出大量可能的值组合则又强制性地使选择过程复杂化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在此基础上提供一种用于控制功能单元的方法和所属的控制系统，使得用户能够直观地、简单而快速地对功能单元参数化。此外本发明要解决的技术问题还在于提供一种特别适于建立这样的控制系统的方法。

本发明的技术问题通过一种建立用于功能单元的控制系统的方法来解决，该功能单元通过多个输入参数来参数化。在此，首先在由用于参数化功能单元的输入参数张紧的参数空间中选出多个值元组(相应于“有意义的”调节状态)作为支持位置。然后借助这些支持位置确定一个取决于多个控制参数的内插函数，该内插函数将控制参数的每个值元组唯一地映射为输入参数的一个值元组。此外，还这样确定内插函数，使其(作为值域)定义一个由输入参数张紧的参数空间的连续子空间，该子空间包含每个支持位置并具有与控制参数数目相应的维度。

“输入参数的值元组”是指任意调节状态，即对每个输入参数的任意的值组合。“控制参数的值元组”相应地指对每个控制参数的任意的值组合。

“参数空间”指输入参数的所有可能值元组的集合。在此参数空间的维数相应于输入参数的个数。因此在N＝2，3，...个输入参数的情况下参数空间是N维的。子空间是参数空间的具有与控制参数的个数相应维数M＝1，2，3，...的任意子集。“空间”的概念一般地描述数学意义上的一维或多维空间，尤其是线、平面、3D空间等。同样，“体积”的概念应涉及维度的理解为所属空间的内容，即线的长度、平面的平面内容、3D空间的3D体积，等等。

在此在涉及控制参数的边界情况下，“个数”包括M＝1。在这种边界情况下只有一个控制参数。在这种情况下子空间仅构成参数空间中的一条线(直的或弯曲的)。通过这种变形可以实现能特别简单而直观操作的控制系统，因为用户可以通过改变唯一的控制参数来“经历”所有相关的值元组。在此，基于支持位置的建立方法使得可以尤其有效地就相关调节状态来优化控制系统，对于调节状态在参数空间中的任何复杂分布都可以简单地执行该优化。

此外，在特定情况下具有多个控制参数是有利的。在此优选确定小于参数空间维数的多个控制参数，从而又将具有相对高维度的参数空间减小到维度较低的子空间。通过这种“降低维度”，在用户有较大选择自由度的情况下也仍然能大大降低参数化的开销。但在个别情况下，预先给定与输入参数的个数相当数量的控制参数、即M＝N是具有优点的。由此尤其可以通过引入直观易采集的控制参数来“消除”多个输入参数的复杂的相互作用。

在一种可尤其简单而灵活应用的方法变形中确定内插函数，其中，首先借助选出的支持位置在参数空间中确定子空间。尤其在高维度的参数空间中，这优选用数学方法来实现。但特别是在两维或三维参数空间中还可以手动地确定子空间，例如手动地用线或平面将支持位置连接起来。如果确定了子空间，则对子空间的每个维度确定相应于控制参数的坐标。在一维子空间的情况下，该步骤仅限于选择坐标方向，因为子空间仅普通地给出了参数空间中一个坐标轴的延伸。在两维或三维子空间的情况下，在该子空间中确定相应的坐标系，尤其是坐标轴的位置、形状以及方向。在此可以引入任意坐标系，尤其是笛卡儿坐标、极坐标、圆柱坐标、球坐标、曲线坐标，等等。在下一步骤中分配这些坐标，即设置各相应控制参数的数值刻度。这可以通过对每个坐标确定成长函数(Fortschrittsfunktion)来非常简单而灵活地实现，通过该成长函数对每个所属控制参数的值都分配一个沿着坐标的点。该方法有利地允许定义非线性成长函数，其中控制参数的变化不与坐标轴上的位置改变成正比。通过非线性成长函数可以尤其灵活地将控制参数与控制功能单元时的特殊需求相匹配。例如可以通过在成长函数中的相应位置上设置的级简单地“跳过”参数空间中的低效区域。

作为在参数空间中确定子空间的数学方法尤其引入样条内插(Spline-Interpolation)法。作为样条尤其是指逐块定义并连续的、特别是可连续微分的多项式。替代地或附加地，作为用于确定子空间的数学方法还优选采用体积最小化算法，该算法在须包含子空间中所有支持位置的附加条件下使子空间的M维体积最小。这样的体积最小化方法例如在建筑中用于最小面积计算(模拟肥皂膜图形)。如果子空间包含不止一个维度，则优选对所属的控制参数赋予正交的坐标。

本发明的技术问题还通过一种用于控制功能单元的方法来解决，其中，首先对每个预先给定的控制参数设置一个值。然后借助这样产生的控制参数的值元组按照以上描述的内插函数的标准为每个输入参数确定一个值并输入功能单元。

本发明的技术问题还通过一种用于控制功能单元的控制系统来解决。该控制系统具有调节单元，用于为每个控制参数给定一个值。该调节单元在此尤其包含与控制参数的数目相对应数量的虚拟或机械调节器。此外该控制系统还包括其中实现内插函数的控制单元。

附图说明

以下利用附图对本发明的实施例进行详述。图中示出：

图1示意性示出用于控制功能单元的控制系统的框图，其中功能单元通过N＝2，3，4，...的多个输入参数被参数化，该控制系统具有用于设置M个(M＝1，2，3，...，N)控制参数的调节单元，以及具有控制单元，其借助存储的内插函数根据控制参数确定功能单元的输入参数；

图2示出M＝1和N＝2时按照图1的控制系统的第一实施方式；

图3示意性示出具有由内插函数定义的一维子空间的由输入参数张紧的参数空间；

图4示意性示出内插函数的组成部分和按照图1构成的成长函数，其将控制参数映射为按照图3的子空间的一个坐标；

图5示出M＝2和N＝2时按照图1的控制系统的另一实施方式；

图6在按照图3图中示出具有由按照图5的内插函数定义的两维子空间的参数空间；

图7在按照图4的图中示出与按照图6的子空间的第一坐标相对应的成长函数；以及

图8在按照图4的图中示出与按照图6的子空间的第二坐标相对应的成长函数。

在所有附图中对相应的部分和参数采用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出用于控制功能单元2的控制系统1。功能单元2通过N个(N＝2，3，4，...)输入参数F_i(i＝1，2，3，...，N)参数化，即对于功能单元2的运行要求分别对每个输入参数F_i预先给定一个值。

功能单元2尤其是用于在虚拟三维环境中计算虚拟三维对象的照明要求的软件模块。在这种情况下功能单元2通过四个作为输入参数F_i的部分函数来参数化，这些部分函数分别在0％至100％的值域内规定对象的环境光强度、扩散弛豫、镜象反射或光泽等的输入参数。

功能单元2还可以是立体显示程序中用于为虚拟三维对象选择颜色的软件模块。在这种情况下功能单元2通过三个输入参数F_i参数化，这些输入参数也在0％至100％的值域内给出颜色组成部分红、绿、蓝的组成系数。

替代地，功能单元2还可以是具有多个声道的音调混合台，其中每个声道又与一个规定组成系数的输入参数F_i相对应，对应的声道以相应的组成系数在总声音中占有份额。这样的功能单元2的另一个例子是复杂的照明设备，其中可根据各对应的输入参数F_i的标准来区别地控制不同的光源。

在以下描述的控制系统1的范围内，根据M个(M＝1，2，3，...，N)控制参数S_j(j＝1，2，3，...，M)的标准来确定输入参数F_i。

控制系统1包括调节单元3和控制单元4，调节单元3包括多个分别对应一个控制参数S_j的调节器5，并通过这些调节器为对应的控制参数S_j确定一个值。调节单元3向控制单元4给出一个控制参数S_j的值元组T{S_j}。

在控制单元4中存储了基于支持位置的内插函数I，其将控制参数S_j数学地映射为输入参数F_i。换言之，通过内插函数I将相应的输入参数F_i的值元组T{F_i}赋予控制参数S_j的每个值元组T{S_j}。控制单元4将所确定的值元组T{F_i}输出到功能单元2。

以下借助图2和图5的两个简化的例子来详述内插函数I的特性以及建立内插函数I的方法。在此，出于显示技术的原因从仅通过输入参数F₁和F₂参数化的功能单元2出发。

图2示出控制系统1的第一实施方式，其中借助唯一的控制参数S₁来控制功能单元2。相应地，调节单元3也仅包含一个唯一的调节器5，并且值元组T{S₁}也仅包含一个唯一的与控制参数S₁对应的值。

为了建立内插函数I，按照图3，首先在由输入参数F₁和F₂张紧并包含所有可能的值元组T{F₁，F₂}的集合的参数空间6内，选择若干这样的值元组T{F₁，F₂}作为支持位置X_m(m＝1，2，3，...)。所选择的尤其是这样的值元组T{F₁，F₂}，其就功能单元2的特性来说相应于根据经验的合适的调节状态。在医疗技术的照明要求的情况下，所选出的支持位置X_m例如再现出在不同的照明特性下自然要求的器官物质的反射特性。在颜色选择模块的情况下支持位置X_m代表对器官物质的自然要求的颜色的选择，等等。

在此，可以选择手动地将支持位置X_m与一个顺序相对应。还可以选择自动确定该顺序。图3所示的支持位置X_m的顺序例如通过对应的数字下标m反映。

在确定了支持位置X_m之后，在参数空间6中确定包含预定顺序下的所有支持位置X_m的子空间7。在此，子空间7具有相应于控制参数S_j的数目M的维度。因此在本例中子空间7是一维的并构成参数空间6内的一条线，所有支持位置X_m被在该线上“串起来”。在此子空间7的形状可以选择手动或通过数学算法来确定。优选通过所谓的样条内插、尤其是采用立方样条来计算子空间7。还可以替代地引入迭代地或分析地在最小化M维体积(本例中即子空间7的长度)的情况下来使子空间7的形状最小化的方法。必要时通过其它附加条件、尤其是同时最小化平均曲率来保证子空间7的连续可微分性。

在确定了子空间7之后，定义描述该子空间的坐标系。在此尤其是确定相应于子空间7的维度的坐标K_j(j＝1，2，3，...，M)的个数。在按照图3的一维子空间7的情况下唯一的坐标K₁的形状通过子空间7本身平常地预先给出。仅需预先给出坐标方向。在此坐标方向尤其通过支持位置X_m的顺序来确定。

为了使控制参数S₁与坐标K₁相关，还给出所属的成长函数P_j(j＝1，2，3，...，M)。图4中例如示出针对坐标K₁和所属控制参数S₁的所属的成长函数P₁。成长函数P₁尤其选择为非线性的。

图3和图4一起包含了内插函数I中所存储的信息。尤其是借助成长函数P₁可对于每个控制参数S₁的值导出一个坐标K₁的值，利用该坐标值又可由图3确定子空间7的一个点，并由此确定参数空间6的一个值元组T{F₁，F₂}。控制系统1的用户可以通过调节器5在极端位置之间的平移而在值0和值1之间调节控制参数S₁，并由此沿着坐标K₁连续地经历所有通过支持位置X_m预先定义的输入参数F₁和F₂的调节状态。

在控制单元4中可以选择以坐标K_j和所属成长函数P_j的形式存储内插函数I。在此相同的是在建立内插函数I之后借助成长函数P_j和坐标K_j计算值列表、特征曲线或模型函数，其反映了图3和图4所示的依赖关系。在后一种情况下仅在控制单元4中存储这些值表、特征曲线或模型函数。

图5示出控制系统1的另一实施例，其与上述实施方式的不同之处在于可通过调节单元3来设置两个控制参数S₁和S₂。

为了建立在这种情况下将两个控制参数S₁和S₂映射为两个输入参数F₁和F₂的内插函数I，按照图6，也首先在参数空间6内选择合适的支持位置X_m并关于这些支持位置X_m来确定适当的子空间7。在这种情况下子空间7是两维的，并因此而构成参数空间6内的一个平面。

在该子空间7中也定义一个坐标系，其现在包括对应于控制参数S₁的第一坐标K₁和对应于控制参数S₂的第二坐标K₂。优选自动产生坐标系K₁、K₂。尤其是在如图6所示的不规则构形的子空间7的情况下，优选将坐标K₁、K₂设置为与子空间7的几何形状相匹配的曲线正交坐标系。这样，当坐标K₁、K₂在子空间7的每个位置上都相互成直角时，则称坐标系为正交的。

按照图7和图8，对于每个坐标K₁、K₂也分别设置成长函数P₁和P₂。按照图7的将坐标K₁和所属控制参数S₁相关联的成长函数P₁也选择为非线性的，而将坐标K₂和所属控制参数S₂相关联的成长函数P₂则选择为线性的。

通过所示的例子，可将上述建立原则应用到任意N个输入参数F_i和任意M个预先给定的控制参数S_j。