3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien

Transkript

1 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien Prof. Dr. Andreas Henrich Lehrstuhl für Medieninformatik Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Angewandte Informatik Otto-Friedrich-Universität Bamberg, Bamberg Telefon: oder 2851 (Sekretariat) andreas.henrich@wiai.uni-bamberg.de WWW: 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien

2 Gliederung 1. Einordnung "Virtuelle Welten" 2. Grundlagen und Hintergründe 3. Möglichkeiten zur Erstellung von 3D-Modellen 4. Einsatzszenarien 5. Virtual Reality und VRML Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 2)

3 1. Einordnung "Virtuelle Welten" Abgrenzung: Bilder Grafiken digitales Bild besteht aus N Zeilen mit je M Bildpunkten den sog. Pixeln (engl. Picture Element) Bild kann aus der realen Welt stammen oder virtuell sein (Vektor-)Grafiken: durch grafische Primitive und ihre Attribute spezifiziert Primitive 2D = Linien, Rechtecke, Kreise, Ellipsen, Texte SVG, Primitive 3D = Polyeder, Kugeln,... VRML, X3D, Attribute = Stil der Linien, Breite und Farbe Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 3)

4 (nach U. Nikolaus: Uni Regensburg, Lehrst. für Wirtschaftsinf. III Vorlesungsunterlagen Multimedia I, 1997) 3D-Animation Ziele: Virtual Reality Definition von realitätsnahen 3D-Welten, in denen man sich bewegen kann (Stichwort: Immersion) Phasen der 3D-Animation Modeling Shading & Mapping Lightning & Rendering Animation Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 4)

5 2. Grundlagen und Hintergründe Rolle der Computergrafik Umwandlung der mathematischen oder geometrischen Beschreibung eines Objekts in eine Visualisierung, die die Erscheinung eines realen Objekts simuliert. Computergrafikmodell 2D-Projektion / Visualisierung Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 5)

6 Die Grafik-Pipeline Eine 3D Rendering-Pipeline ein Fortschreiten durch verschiedene 3D-Räume Lokaler Koordinatenraum Weltkoordinatenraum Ansichtsraum Dreidimensionaler Bildschirmraum Anzeigeraum (2D) Objektdefinition Komponieren der Szene Festlegen der Beleuchtung Festlegen des Bezugs zur Blickrichtung Entfernen von Rückseiten Entfernen verdeckter Oberflächen Zurechtschneiden auf das dreidimensionale Sichtvolumen Rastern Modell- Transformation Ansichts- Transformation Schattieren geometrische Verfahren algorithmische Verfahren Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 6)

7 Mathematische Grundlagen Für Modellierung wichtig: Manipulation dreidimensionaler Strukturen Transformationen als wichtiges Werkzeug Translation (Verschiebung), Skalierung und Rotation populärste Methode zur Darstellung eines Objekts: Polygon-Netzmodell Oberfläche eines Objekts: Menge verbundener planarer Polygone Polygon-Netzmodell besteht aus einer Struktur von Punkten jeder Punkt ist ein drei-dimensionaler Punkt im Objektkoordinatensystem für den Anfang sehen wir Objekte einfach als eine Menge dreidimensionaler Punkte Frage: Wie können diese im dreidimensionalen Raum durch lineare Transformationen verändert werden? Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 7)

8 3. Möglichkeiten zur Erstellung von 3D-Modellen 3D Digitalisierer auf Basis von Aufnahme einzelner Punkte Serie von 2D-Bilder von kontrollierten Standpunkten Laserscanner 3D Software Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 8)

9 3D Digitalisierer Aufnahme von Punkten im 3D-Raum Genauigkeit der Mechanik und der Sensorik bestimmt Qualität des Ergebnisses Problem: Punkte müssen einzeln abgenommen werden! Resultat ist nur ein Gittermodell Vorteil: Punkte können gezielt abgenommen werden Folge: Die Modelle bleiben kompakt Einschränkungen: Genauigkeit Größe des erfassbaren Gegenstands Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 9)

10 Digitalisierung aufgrund von Bildern Olympus 3D ScanTop Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 10)

11 Wie geht das? Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 11)

12 Laserscanner The VI-910 is designed for: Reverse Engineering and CAE/ CAD Industrial and Mechanical Design Inspection and Verification of parts or molds Digital Mock-up Rapid Prototyping The VI-910 has multiple applications: Architecture Cultural Heritage/Restoration/Archeology Dental surgery, cosmetic surgery Education Entertainment/Computer Graphics/Animation Forensic Medicine, Ergonomics Mold making, plastics Museum archiving Research institutes Farbe durch Filter möglich Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 12)

13 3D-Software Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 13)

14 Farbe, Licht und Schatten räumlicher Eindruck und Realitätsnähe entstehen durch Perspektive, Schatten, Lichtreflektionen, Spiegelungen Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 14)

15 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 15) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) n sb db i a a b n sg dg i a a g n sr dr i a a r k k I I k I k k I I k I k k I I k I V R N L V R N L V R N L + + = + + = + + = Farben in VRML zusätzliche additive Komponente, die ohne Lichtquelle aktiv ist

16 4. Einsatzszenarien William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 16)

17 Virtual Reality: der Begriff Was ist VR? Ziele von VR: Besseres Mensch-Maschine-Interface Bessere User-Performance Anwendungen: Design & Entwicklung Training Cultural Heritage Entertainment Ein frühes Beispiel mit head-mounted display geringer Auflösung und Datenhandschuh William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 17)

18 Schlüsselelemente einer Virtual Reality Experience Virtual World Immersion Sensory Feedback Interactivity William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 18)

19 Unterschiedliche Medien: Arten der Immersion Buch Film Computerspiel Simulator Film Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 19)

20 Ein- und Ausgabe in 3D-Welten William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 20)

21 Caterpillar Virtual Prototyping System in einem CAVE William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 21)

22 Unterstützung bei einer Operation Virtuelle Einblendung des Innenlebens Hilfsmarkierung auf einem realen Gegenstand zur Unterstützung des optischen Trackings William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 22)

23 Physische Illusion des Abgrunds durch 5cm erhöhten Boden William R. Sherman, Alan B. Craig: Understanding Virtual Reality, Morgan Kaufmann, 2003 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 23)

24 5. Virtual Reality und VRML Eine virtuelle Welt (auch Virtual Reality(VR)-Objekt genannt) ist ein abstraktes Modell einer dreidimensionalen Szene, welches aus wechselnden virtuellen Ansichten betrachtet werden kann. Typische Anwendungsgebiete: Visualisierung großer oder komplexer Informationsmengen z.b. aus Datenbanken. Simulation komplexer physikalischer, technischer, chemischer oder biomedizinischer Abläufe. z.b. Darstellung der dreidimensionalen Struktur von Molekülen Marketing und Information über Produkte Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 24)

25 5.1 Einfache Grundelemente Cylinder.wrl Knoten (Shape, Cylinder, Appearance, Material) enthalten mit { } gruppierte Felder Felder (kleingeschrieben) bekommen Inhalte zugewiesen, das können Skalare, Vektoren, Knoten u.a. sein Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 25)

26 Positionsangaben Alle Objekte werden auf den Nullpunkt des Koordinatensystems zentriert: Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 26)

27 5.2 VRML-Geometrien einfache Geometrien box cone cylinder sphere text komplexe Geometrien IndexedFaceSet ElevationGrid Extrusion Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 27)

28 Ein ElevationGrid Gedacht zur Darstellung von Gebirgsregionen, Wasseroberflächen, Planetenoberflächen,... Vorgabe des Gitters! ElevationGrid1.wrl Angabe der Höhen an den Gitterpunkten! Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 28)

29 Ein IndexedFaceSet Definition der Punkte! vase1.wrl Definition der Flächen! Vase mit creaseangle = 2 Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 29)

30 5.3 Gruppieren von Knoten VRML kennt verschiedene gruppierende Knoten: Group {... } einfache Gruppierung mehrerer Knoten Switch {... } von den gruppierten Knoten wird jeweils nur ein ausgewählter angezeigt (z.b. bei Interaktion nützlich) Transform {... } definiert für eine Gruppe von Knoten ein neues Koordinatensystem, das zum umgebenden verschoben, rotiert und skaliert sein kann Billboard {... } ähnlich Transform, aber die Objekte werden nach Definition automatisch zum Betrachter orientiert Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 30)

31 Transformation Transform1.wrl alles relativ zum Nullpunkt! alles relativ zum neuen Koordinatensystem! Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 31)

32 Texte & Hintergrundfarbe Text1.wrl Texte sind immer flach Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 32)

33 Einfügen von Welten durch Inline Gegeben sei eine VRML-Datei chair.wrl mit einem Stuhl und eine VRML- Datei table.wrl mit einem Tisch Dann kann man leicht eine Essgruppe bilden: dinette.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 33)

34 Mit einem Anker in eine andere Welt springen Wohin soll die Reise gehen? Wird später eines der Kinder angeklickt, springt man in die andere Welt? anchor.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 34)

35 5.5 Ereignisse und Aktionen Ereignisse (Events) = Nachrichten, die einen Datenwert enthalten ein Ereignis hat einen bestimmten Datentyp (z.b. SFTime) set_ event: verändert einen Knoten wenn der die Nachricht erhält Beispiel: set_starttime _changed event: wird verschickt, wenn sich ein Knoten ändert Beispiel: position_changed VRML-Datentypen: (SF = single field, MF = multiple field) SFBool SFRotation / MFRotation SFInt32 / MFInt32 SFColor / MFColor SFString / MFString SFnode / MFNode SFFloat / MFFloat SFTime SFVec3f / MFVec3f SFImage SFVec2f / MFVec2f Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 35)

36 Beispiel Interpolator Interpolation1.wrl Definition des zu drehenden Objekts Der Timer liefert die Werte zwischen 0 und 1 In den ersten drei Werten wird die Achse und im letzten die Drehung um die Achse definiert Prof. Dr. Andreas Henrich 3D-Welten - Technik und Einsatzszenarien (S. 36)