Die Elemente einer Szene werden in einer Graphstruktur gespeichert

Transkript

1 SZENEGRAPHEN

2 Szenegraphen Allgemeines Szenegraphen dienen zum Verwalten von 3D-Szenen Die Elemente einer Szene werden in einer Graphstruktur gespeichert Jede reale Implementierung eines Szenegraphen ist immer optimiert für einen besonderen Einsatzzweck Szenegraphen erleichtern dem Programmierer die Arbeit Szenegraphen können verschiedene Operation mit Szenen beschleunigen Szenegraphen sind Modell-orientert, reine 3D-APIs sind Punkt-orientiert 2

3 3D OHNE SZENEGRAPHEN

4 3D ohne Szenegraph Übliche Vorangehensweise Programmieren: Loader für: Texturen, Modelle, Shader, Szenen Zeichnen von Modellen 3D-API-Aufrufe, Setzen von Texturen & Shader Positionen verwalten Animationen verwalten, Interaktionen steuern Kamera und Lichter setzen 4

5 SZENEGRAPHEN

6 Szenegraphen Struktur Formal ist eine Szenegraph (Bezeichnung Szenengraph auch erlaubt!) ein Graph mit: einseitig gerichteten Kanten, der keine Kreise beinhaltet. Da Szenegraph immer zusammenhängend, azyklisch und jeder Knoten (außer Wurzel) genau einen Vorgänger hat ist er ein Baum. 6

7 Szenegraph Terminologie Wurzel Universum A B Blätter E F C D G Allgemein ist die Anzahl der Kinder nicht festgelegt. A ist der Vater von B, E das Kind von B Je nach Implementierung speichern Knoten unterschiedliche Dinge! Hier wird auf einen allgemeinen und 7

8 Szenegraph Beispielszene Szene Flughafen Flugzeug 1 Flugzeug 2 Flügel Innenraum Triebwerke Sitzplatz 1 Sitzplatz 2 Armlehne Links Armlehne Rechts 8

9 Szenegraph Vorteil 1 Verändert man die Transformation einens Knotens, setzt sich diese auf alle Kinderknote bis zu den Blättern fort: Verändert sich die Position des Flugzeugs, werden alle darin enthaltenen Objekte mitbewegt. Wodurch geschieht? Beim Durchlauf durch den Baum werden die Transformationen aufmultipliziert! 9

10 Szenegraph Vorteil 1 Veränderte Transformation z.b. neue Position (Flugzeug fährt) Szene Flughafen Flugzeug 1 Flugzeug 2 Alle Element unterhalb des Knotens Flugzeug 1 verändern ebenfalls ihre Position Flügel Innenraum Triebwerke Sitzplatz 1 Sitzplatz 2 Armlehne Links Armlehne Rechts 10

11 Szenegraph Vorteil 2 Nicht nur Transformationen, auch andere Attribute werden in Form von States durchpropagiert : Beleuchtungsoptionen Materialparameter Animationsparameter Rauminformationen 11

12 Szenegraph Vorteil 3 Optimierung von statischer Zweigen: Nicht veränderliche Teile eines Szenegraphs (Sonderknoten oder Äste ohne Transformationsknoten) können zusammengefasst werden: Geometrieverschmelzung Vorberechnung von States 12

13 Szenegraph Vorteil 4 Beschleunigung des 3D-Rendering Durch Bounding-Volumes können nicht sichtbare Teile der Szene leicht identifiziert werden. Diese müssen nicht gezeichnet werden, die Graphikkarten hat weniger Arbeit Die meisten Szenegraphen besitzen LOD-System-fähige Modelle! 13

14 Szenegraph Vorteil 4 14

15 Szenegraph Vorteil 5 (Einfaches) Framework, das die Arbeit mit 3D-APIs erleichtert bzw. abstrahiert: Szenegraphen übernehmen meistens die Ausgabe ein Programmierer muss nur den Graph mit den gewünschten (& sinnvollen) Informationen füllen, den Rest übernimmt das Framework. 15

16 Szenegraph Vorteil 6 Szenegraph abstrahieren meist auch andere Input/Output-Systeme Frameworks wie Ogre3D oder Panda3D bieten eigene Schnittstellen für GUI, Window- & Input-Management, an Plattformunabhängigkeit 16

17 Szenegraphen Vorteil 7 Szenegraphen können mit verschiedenen Programmiersprachen benutzt werden Framework effizient implementiert C++ Zugriffe auf Framework aus anderen Umgebungen nicht wirklich relevant, da nur Steuerung von Abläufen bzw. Koordinaten von Daten Für die meistene Szenegraphen existieren Bindings in viel Sprachen! 17

18 Szenegraph Vorteilsübersicht Transformationen & Attribute werden propagiert Optimierung von statischen Zweigen Beschleunigung des Rendervorgangs Abstraktion von 3D-API: OpenGL, DirectX, Abstraktion von Plattformen: Windows, Linux, Unix, iphone, Abstraktion von Programmiersprachen: C++, Python, Java,.NET-Sprachen, Lua, 18

19 ARBEITEN MIT SZENEGRAPHEN

20 Arbeiten mit Szenegraphen Auswahl eines geeigneten Szenegraphen Kriterien Programmiersprachen Features & Aktualität Dokumentation, Community & andere Hilfen Unterstützung von externen Tools Strukturierung 20

21 Arbeiten mit Szenegraphen Unterschiede zwischen Szenegraphen Optimierung für APIs Szenarien (Innenraum, Landschaft) Handling bzw. Strukturierung Größe und Klassen des Frameworks Featuresupport! 21

22 Arbeiten mit Szenegraphen Konkreter Einsatz 1. Initialisieren der Basisklassen des Szenegraphs erzeugt meistens die Wurzel ( root ) 2. Hinzufügen der Szene Knoten und Blätter verketten Entweder laden oder manuell im Programm Laden Export von 3D-Modellierprogrammen 3. Logik, Physik und Steuerung implementieren 4. Starten 22

23 ELEMENTE EINES SZENEGRAPHEN

24 Elemente eines Szenegraphen Elemente der Virtuellen Szene Gruppenknoten Blattknoten Transformationen Geometrien Logische Gruppierung Kameras Switches LOD Animation Lichter Materialien, Texturen, Farben 24

25 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte V: Transformationen Zu der Transformation zählen: Translation Rotation Eulerrotation Quaternionenrotation Skalierung 25

26 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte V: Logische Gruppen Beinhalten kein virtuelles Element Kinderelemente haben verhalten sich ähnlich z.b. werden mit transformiert Beispiel: Fluggäste an Bord des Flugzeugs: unabhängig voneinander alle innerhalb des Flugzeugs Bewegung sich relativ zu Flugzeugposition 26

27 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte V: Switches Switches dienen zum Umschalten zwischen verschiedenen Zuständen: LOD-Systeme Kollisionspunkte: Bei Kollision wird Methode aufgerufen 27

28 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte V: Geometrien Geometrien bilden die grundlage der Modelle/Objekte Aufgrund der Hardware werden Szenegraphen (fast) immer alle Modelldaten in polygonale Daten umwandeln Modelle können LOD-Stufen beinhalten 28

29 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte V: Kameras Kameras dienen zum Abbilden der virtuellen Welt auf eine 2D-Ebene Basistypen: Orthogonale oder perspektivische Projektion FOV Seitenverhältnis Near/Far-Parameter Zielgerichtet und zielungebunden 29

30 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte V: Lichter Beleuchtung wird meistens mit Phongscher Beleuchtung umgesetzt: Position Richtung Farben: Ambient, Diffuse, Glanzlicht Glanzparameter Spotlightparameter: Intensität und Öffnungswinkel 30

31 Elemente eines Szenegraphen Szenentypen Man unterscheidet zwischen zwei verschiedenen Sichten auf eine Szene: 1. Virtuelle Szene 2. Reale Szene Die virtuelle Szene ist das, was dargestellt wird. Die reale Szene beinhaltet die Elemente, die die virtuelle Szene darstellen. 31

32 Elemente eines Szenegraphen Beispiel: Virtuelle & Reale Szene V-Szene R-Szene Flughafen Flugzeug 1 Flugzeug 2 Computer Flügel Innenraum Triebwerke Cam 1 Schalter OpenGL Armlehne Links Sitzplatz 1 Sitzplatz 2 Armlehne Rechts Cam 3 Cam 2 Viewport 1 Viewport 2 Viewport 3 32

33 Elemente eines Szenegraphen Elemente der Realen Szene Gruppenknoten Blattknoten Computer Eingabegeräte Logische Gruppierung Sichtsysteme Switches Sichtfenster Soundsysteme 3D-API 33

34 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte R: Computer Verschiedene Szenegraphen können auf mehreren Rechnern rendern Entweder hat jeder Rechner eine eigene Ausgabe oder die reale Ausgabe ist die Kombination der Ergebnisse 34

35 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte R: Eingabegeräte Eingabegeräte stellen eine Intreraktionsmöglichkeit für den Benutzer dar: Mouse Keyboard Joystick, Lenkrad, Balanceboard, Touchpad 35

36 Elemente eines Szenegraphen Knotenobjekte R: Sichtsysteme & Sichtfenster Sichtsysteme und Sichtfenster bestimmen die Art und Größe der Abbildung Stereoskopisch, Monoskopisch, Fillmode: Wireframe, Filled Auflösung 36

37 Elemente eines Szenegraphen Beispiel: Virtuelle & Reale Szene V-Szene R-Szene Flughafen Flugzeug 1 Flugzeug 2 Computer Flügel Innenraum Triebwerke Cam 1 Schalter OpenGL Armlehne Links Sitzplatz 1 Sitzplatz 2 Armlehne Rechts Cam 3 Cam 2 Viewport 1 Viewport 2 Viewport 3 37