Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten

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1 Virtual Reality Modellierung virtueller Welten Prof. Dr. Andreas Henrich Lehrstuhl für Medieninformatik Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Angewandte Informatik Otto-Friedrich-Universität Bamberg, Bamberg Telefon: oder 2851 (Sekretariat) WWW: Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten

2 Gliederung 1. Einordnung "Virtuelle Welten" 2. Grundlagen und Hintergründe 3. Möglichkeiten zur Erstellung von 3D-Modellen 4. Farbe, Licht und Schatten 5. Virtual Reality und VRML 1. Überblick VRML 2. Einfache Grundelemente 3. Gruppieren von Knoten 4. Lichtquellen 5. Ereignisse und Aktionen 6. Weiterführende Aspekte Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 5)

6 Teilaspekte der Computergrafik mathematische Grundlagen der Computergrafik Beschreibung und Modellierung von dreidimensionalen Objekten Darstellung und Rendering die Grafik-Pipeline Reflexionsmodelle Beleuchtung die Radiosity-Methode Techniken des Ray Tracings Volumen-Rendering Farben in Computergrafiken Image-Based Rendering Foto-Modellierung Computeranimation Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 6)

7 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 7)

8 Ein Ansichtssystem Die Mindestanforderungen für ein funktionierendes Ansichtssystem a) Blickpunkt C und Blickrichtung N b) Eine Ansichtsebene, normal zur (Senkrecht auf) Blickrichtung N, d Einheiten von C entfernt c) Ein Ansichtskoordinatensystem mit dem Ursprung C und den Achsen UV in einer Ebene parallel zur Ansichtsebene d) Ein Sichtvolumen, festgelegt durch den Pyramidenstumpf, der von C und dem Fenster der Ansichtsebene gebildet wird Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 8)

9 Projektion auf einen gedachten Bildschrim nach: D. Jackèl, ICG Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 9)

10 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 10)

11 Einfache Transformationen Objekte werden häufig zunächst in einem Objektkoordinatensystem definiert sie können dann durch eine Transformation in das Weltkoordinatensystem überführt werden Vorteil: Definition des Objektes unabhängig von endgültiger Position, Größe und Orientierung Transformation in ein anderes Koordinatensystem als Transformation der Eckpunkte: x Gegeben sei ein Punkt: V = y z Translation: Skalierung: Rotation: V' V' = S V V' = V + D = Translationsvektor R V Skalierungsmatrix Rotationsmatrix Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 11)

12 Beispiele (2D) es handelt sich jeweils um eine Translation, Skalierung, Rotation aller Punkte! Translation, Skalierung, Rotation des gesamten Koordinatensystems! Translation: Verschieben um 3 in X-Richtung V = V ' = 5 + = Skalierung: doppelt so groß in X- und halb so groß in Y-Richtung V ' = = 0 0,5 5 2,5 Rotation: um V ' = cos(30) sin(30) sin(30) cos(30) 3 5 = 0,866 0,5 0,5 3 0,866 5 = 0,098 5,83 2 0,5 Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 12)

13 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 13)

14 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 14)

15 Digitalisierung aufgrund von Bildern Olympus 3D ScanTop Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 15)

16 Wie geht das? Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 16)

17 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 17)

18 3D-Software Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 18)

19 4. Farbe, Licht und Schatten räumlicher Eindruck und Realitätsnähe entstehen durch Perspektive, Schatten, Lichtreflektionen, Spiegelungen Beispiele für Überlegungen hierzu: 1. Wie können wir das von einem beliebigen Punkt auf der Objektoberfläche reflektierte Licht berechnen? lokale Reflexionsmodelle 2. Wie können wir daraus die Lichtintensität der Pixel berechnen, auf die das Polygon projiziert wird? Schattierungsalgorithmen Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 19)

20 lokale Reflexionsmodelle Schattierungsalgorithmen Lokale Reflexionsmodelle berechnen die Lichtintensität in irgendeinem Punkt P auf der Oberfläche eines Objekts Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 20) Schattierungsalgorithmen interpolieren Pixelwerte aus berechneten Lichtintensitäten an Polygonpunkten

21 Schattieren von Pixeln Die von jedem Punkt auf der Objektoberfläche reflektierte Lichtintensität ist eine Berechnung im Welt- oder gar Ansichtskoordinatenraum. Wir gründen sie auf die Ausrichtung der Oberfläche in Bezug zu einer Lichtquelle und ggf. zum Betrachter. Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 21)

22 Lokale Reflexionsmodelle Ziel: Berechnung der von einem Punkt auf der Oberfläche eines Objekts reflektierten Lichtintensität. einfaches Modell: Ermittlung der Intensität des reflektierten Lichts als Funktion der Oberflächeneigenschaften und der Oberflächenausrichtung im betrachteten Punkt in Bezug auf die Position einer Punktlichtquelle. lokales Reflexionsmodell, weil es nur die direkte Beleuchtung berücksichtigt. Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 22)

23 Lokale Reflexionsmodelle Die vom Modell simulierten physikalischen Reflexionsphänomene: Ideale spekulare Reflexion (a) Reale spekulare Reflexion (b) Ideale diffuse Reflexion (c) Punktlichtquelle, die einen dünnen Lichtstrahl auf einen Punkt einer Oberfläche aussendet Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 23)

24 Berechnung des reflektierten Lichtes ideale spekulare Reflexion wenn einfallendes Licht - ohne Abweichung - in die gespiegelte Richtung reflektiert wird (tritt in der Praxis nicht auf) reale spekulare Reflexion wenn ein dünner Lichtstrahl auf einen realen Spiegel trifft, dessen Oberfläche physisch rau ist ideal diffuse Oberfläche reflektiert das Licht gleichmäßig in alle Richtungen (matte Oberfläche) Reflexionsmodell von Phong die Reflexion einer Oberfläche besteht aus drei linear kombinierten Komponenten: Reflektiertes Licht = Umgebungslicht + diffuse Komponente + spekulare Komponente Umgebungslicht simuliert die globale oder indirekte Beleuchtung. Ohne Umgebungslicht würden nicht direkt angestrahlte Flächen schwarz gerendert. Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 24)

25 Berechnung der Intensität Wir erhalten für das reflektierte Licht (ambient [umgebend] = a): I a a Ausmaße (Einfluss) der drei Komponenten durch Konstanten gesteuert: k a = k I + kd + ks + k d =1 I d + k s I s Sei: I i die Intensität des einfallenden Lichts θ der Winkel zwischen der Oberflächennormale im betrachteten Punkt und der Richtung der Lichtquelle dann berechnen wir I d (diffuse Kompo.) als: I d = I i cosθ oder in Vektorschreibweise I d = I i ( L N) Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 25)

26 eine Frage des Blickwinkels spekulare Reflexion ist physisch ein Abbild der Lichtquelle, das über einen Bereich der Oberfläche verschmiert" ist ruft das so genannte Glanzlicht hervor Glanzlicht wird von einem Betrachter nur gesehen, wenn die Blickrichtung nahe an der Spiegelrichtung liegt. Spekulare Reflexion simulieren wir daher durch: I = s I i cos n Ω oder in Vektorschreibweise I = s I i ( R V) n Dabei ist: Ω der Winkel zwischen der Blickrichtung und der Spiegelrichtung R n ein Index, der den Grad der Unvollkommenheit einer Oberfläche simuliert n = : die Oberfläche ist ein idealer Spiegel Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 26)

27 Die zusammengesetzte Formel Zusammenführen der Ausdrücke ergibt: I = k a I a + I i ( k ( L N) + k ( R V) n ) d Lichtintensität in einem einzelnen Punkt P als eine Funktion der Orientierung des Ansichtsvektors V. Halbkreis = Summe des Umgebungsterms und des diffusen Terms, der für einen bestimmten Wert von N konstant ist. s Radius ( Abstand zu P ) = Wert von I Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 27)

28 Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 28) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 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

29 Schattierung durch Interpolation bisher: Berechnung von Lichtintensitäten in einem Punkt jetzt: Anwendung auf ein Polygon und Berechnung der Lichtintensität über seine Oberfläche zwei klassische Methoden: Gouraud-Schattierung und Phong-Schattierung Ziele beider Methoden: effiziente Interpolation von Informationen über das Aussehen eines Polygons Verminderung der Sichtbarkeit von Polygonkanten im endgültig schattierten Bild Ausgangspunkt sind jeweils die "Ecknormalen" Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 29)

30 Unterschied Gouraud- und Phong-Methode Bei Gouraud (a) werden die berechneten Intensitätswerte interpoliert Bei Phong (b) werden die Normalenvektoren interpoliert und jeweils eine neue Berechnung er Intensität vorgenommen Gouraud: Phong: Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 30)

31 Ray Tracing globales Beleuchtungsmodell bezieht die indirekte Beleuchtung mit ein! Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 31)

32 Grundprinzip des Ray Tracing die 3D-Objekte einer Szene werden hier im Ansichtsraum betrachtet: im Ansichtsraum können die Beleuchtungsphänomene geometrisch und z.t. auch physikalisch berechnet werden Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 32)

33 Grundprinzip des Ray Tracing Ausgangspunkt: Bildraster in der Projektionsebene man erzeugt vom Blickpunkt (Ursprung des Ansichtskoordinatensystems) durch jedes Pixel des Rasters einen Strahl Für jeden Strahl werden die Schnittpunkte mit den Objekten berechnet. Falls der Strahl mehrere Objekte trifft, wird der Schnittpunkt mit dem kleinsten z-wert genommen stammt vom sichtbaren Objekt Man bestimmt nun am Ort des Schnittpunktes die Normalenrichtung der Oberfläche, den Lichteinfallswinkel sowie den Winkel des Betrachters gegenüber der Normalen. mit den Materialeigenschaften (Koeffizienten für diffuse und spekulare Reflexion) und dem Exponenten n (Shininess) kann die Lichtreflexion nach Phong-Beleuchtungsmodell berechnet werden Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 33)

34 Erste Einordnung Ergebnis bei diesem einfachen Ray-Tracing ist identisch mit direktem Phong-Shading noch ist keine indirekte Beleuchtung berücksichtigt! Nachteil des Ray Tracing dabei: für jedes Pixel werden relativ aufwendige geometrische Operationen gemacht es können keine inkrementellen Verfahren ausgenutzt werden Vorteile des Ray Tracing kommen erst durch Erweiterungen zum Tragen Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 34)

35 Rekursives Ray Tracing Auf Objekt A auftreffender primärer Strahl (1) wird am Auftreffpunkt an der Oberflächennormale gespiegelt. Sekundärer Strahl (2) wird erzeugt. Bei der Spiegelung wird ein prozentualer Anteil der spekularen Reflexion bestimmt Strahl 2 wird verfolgt und trifft hier auf ein weiteres Objekt B Dort werden wieder die spekulare und diffuse Reflexion von der Lichtquelle nach Phong berechnet und mit dem prozentualen Anteil der spekularen Reflexion beim Objekt A zum Farbwert des Pixels P addiert! durch ein bestimmtes Pixel P Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 35)

36 Schatteneffekte können beim Ray Tracing berechnet werden von den Schnittpunkten der Strahlen mit den Objekten wird eine Gerade zur Lichtquelle verfolgt (Schattenfühler S) findet man z.b. auf dem Weg von A zur Lichtquelle einen Schnittpunkt des Schattenfühlers S a mit einem Objekt C, ist der Weg des Lichts blockiert Folge: diese Lichtquelle trägt nicht zum Farbwert des Pixels bei d.h. es entsteht ein Schatten von C auf A Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 36)

37 Brechungseffekt kann beim Ray Tracing ebenfalls berücksichtigt werden Entsprechend Einfallswinkel, Normalenvektor und Brechungsfaktor wird die Richtung des gebrochenen Strahls berechnet So können Verzerrungen simuliert werden entstehen z.b. bei einer Linse oder einem Wasserglas Ist ein Material reflektierend und transparent, müssen beim Schnittpunkt zwei Sekundärstrahlen berechnet werden gebrochener Strahl und reflektierter Strahl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 37)

38 Monte-Carlo-Ray-Tracing Problem bisher: nur ideale spekulare Reflexion betrachtet reicht für anspruchsvolle realistische Darstellungen nicht Monte-Carlo-Ray-Tracing: bei jeder Reflexion wird eine Menge von mehreren zufällig in verschiedene Richtungen gestreuten Strahlen verfolgt der Beitrag der gestreuten Strahlen wird mit der statistischen Häufigkeit des jeweiligen Strahls gewichtet dazu braucht man eine Verteilungskurve im Reflexionsmodell Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 38)

39 Beispiele Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 39)

40 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 40)

41 Virtual Reality & 3D Grafik weitere Anwendungsgebiete Geo- und Rauminformationssysteme, z.b. in Bauplanung und Architektur. Zusammenarbeit von Entwicklungsingenieuren (Collaborative Engineering). Medienkunst in entsprechend ausgerüsteten Museen. Unterhaltung und Spiele Im Folgenden: zunächst einige grundlegende Arbeitsweisen und Software für die 3D-Modellierung dann: Betrachtung der Virtual Reality Modeling Language VRML Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 41)

42 5.1 Übersicht VRML VRML ist eine einfache Sprache zur Beschreibung von 3D- Objekten und Umgebungen, also von virtuellen Welten. Die VRML-Daten werden von VRML-Browsern interpretiert und in eine 2D-Darstellung umgerechnet (gerendert). Charakteristische Merkmale von VRML 2.0: Plattformunabhängigkeit: Die Beschreibungsdaten liegen im ASCII-Format vor. Dynamik: Die in VRML beschriebenen Welten können Animationen enthalten. Interaktivität: VRML eröffnet Interaktionsmöglichkeiten zwischen Betrachter und der modellierten Umgebung. Mehrdimensionalität: In VRML werden 2D- und 3D-Objekte miteinander verbunden, durch die Animation kommt eine vierte Dimension hinzu. Multimedialität: In VRML-Welten können Videos, Bilddaten, Klänge etc. eingebunden werden. Diese Vorteile gegenüber proprietären VR-Lösungen werden jedoch mit Nachteilen erkauft. Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 42)

43 VRML Nachteile von VRML: Geringe Geschwindigkeit: VRML-Darstellung mit den gängigen Browsern kann nicht mit proprietären VR-Lösungen konkurrieren. Szenen werden häufig auf bestimmte VRML-Browser optimiert. Die Skriptknoten in VRML zur Realisation der Interaktivität sind umständlich zu programmieren. Das EAI (External Authoring Interface) ist nicht vollständig standardisiert. Gängige VRML-Browser sind weitgehend frei erhältlich als: Plugins für Web-Browser, z.b. als Cosmoplayer (SGI-Tochter CosmoSoftware), WorldView (Intervista Inc.), Community Place (Sony), ActiveX Controls VRML Bibliotheken Standalone VRML Browser Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 43)

44 Quellen Die folgenden Folien basieren auf: Henning, Peter A.: Taschenbuch Multimedia, 2. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2001, Kapitel 13 David R. Nadeau, San Diego Supercomputer Center; John L. Moreland, San Diego Supercomputer Center; Mike M. Heck; Template Graphics Software, Inc.: Introduction to VRML 2.0 ( Als VRML Player wurden genutzt: Computer Associates International, Inc: Cosmo Player ParallelGraphics, Cortona VRML Client: Als VRML Editor wurde genutzt: VrmlPad von ParallelGraphics, Dublin, Ireland ( Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 44)

45 5.2 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 45)

46 Positionsangaben Alle Objekte werden auf den Nullpunkt des Koordinatensystems zentriert: Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 46)

47 VRML-Geometrien einfache Geometrien box cone cylinder sphere text komplexe Geometrien IndexedFaceSet ElevationGrid Extrusion Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 47)

48 Ein ElevationGrid Gedacht zur Darstellung von Gebirgsregionen, Wasseroberflächen, Planetenoberflächen,... Vorgabe des Gitters! ElevationGrid1.wrl Angabe der Höhen an den Gitterpunkten! Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 48)

49 Ein IndexedFaceSet Definition der Punkte! vase1.wrl Definition der Flächen! Vase mit creaseangle = 2 Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 49)

50 Durchsichtigkeit von Flächen Als Default sind Flächen von hinten immer durchsichtig! Es gilt die Regel der rechten Hand: wenn man die Kanten einer Fläche entlang läuft, zeigt die Handinnenfläche nach innen Von außen hat die Fläche die definierten Eigenschaften (Farbe, Textur, ) Von innen ist sie durchsichtig Beispiel: zwei verschachtelte Boxen: IFScolor.wrl sobald man sich in die eine hineinbewegt, sieht man nur noch die andere, weil die Hülle der Boxen ja von innen durchsichtig ist! Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 50)

51 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 51)

52 Transformation Transform1.wrl alles relativ zum Nullpunkt! alles relativ zum neuen Koordinatensystem! Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 52)

53 Billboard Billboard1.wrl Drehung des lokalen Koordinatensystems, so dass nur die y-achse festgehalten wird. Ein anderes Beispiel (robobill.wrl): Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 53)

54 Farbe und Textur Werden im Appearance Knoten geregelt; Felder: material ambientintensity (Zahl): Bruchteil der Reflexion von ungerichtetem Umgebungslicht diffusecolor (3 Zahlen): Farbe, unter der ein Objekt bei Bestrahlung mit weißem Licht erscheint emissivecolor (3 Zahlen): Farbe, unter der ein Objekt unabhängig von der Beleuchtung erscheint specularcolor (3 Zahlen): Farbe unter welcher spiegelnde Reflexion vom Objekt erscheint (z.b. auf einem glatten Boden) shininess (Zahl): Spiegelungsexponent transparency (Zahl): Durchsichtigkeit texture z.b. Nutzung eines Bildes als Textur (aber auch über pixelweise Definition oder durch Filme) Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 54)

55 Beispiel Appearance1.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 55)

56 Farben bei komplexen Wird durch die Farben unten überschrieben. Gebilden IFScolor.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 56)

57 Texte & Hintergrundfarbe Text1.wrl Texte sind immer flach Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 57)

58 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 58)

59 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 59)

60 5.4 Lichtquellen Arten von Lichtquellen: PointLight haben einen Ursprung und strahlen rundum Licht ab DirectionalLight strahlt auf der ganzen Breite aus einer definierten Richtung SpotLight wie PointLight, ist aber auf einen Abstrahlungskegel begrenzt Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 60)

61 Beispiel für einen Definition zur Wiederverwendung Spot Nutzung Beleuchtung.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 61)

62 Anwendung von Lichtquellen Gemeinsam mit den Materialeigenschaften lassen sich mit Lichtquellen viele Effekte erzielen Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 62)

63 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 63)

64 Felder und Ereignisse Jeder Knoten(-typ) hat spezifische Felder und Ereignisse: Field: Ein gespeicherter Wert (Parameter), z.b. url EventIn: Ein Ereignis, das der Knoten entgegennehmen kann, z.b. set_url EventOut: Ein Ereignis, das der Knoten senden kann, z.b. url_changed Hinweis: ExposedField definiert alle drei Eine abstrakte Sicht auf Felder und Ereignisse: Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 64)

65 Beispiel: Collision Node Einige spezielle Felder und Ereignisse von Collision Knoten: Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 65)

66 Routes Routen verbinden einen EventOut mit einem EventIn Eine Route ist kein Knoten! Der Ausgabetyp und der Eingabetyp müssen exakt übereinstimmen Eine Ausgabe kann mit mehreren Eingaben verbunden sein (fan-out) Mehrere Ausgaben können mit einer Eingabe verbunden sein (fan-in) Knoten müssen benannt werden um in Routen verwendet zu werden! Beispiel: Eine Kollision löst einen Sound aus ROUTE Node1.collideTime TO Node2.startTime Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 66)

67 Beispiel KollisionSound.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 67)

68 Sensorknoten für den Betrachter Knoten, die auf Benutzerbewegungen reagieren Wenn dieser die Welt betritt Wenn dieser eine bestimmte Region um ein Objekt betritt Die Position und Ausrichtung innerhalb einer Region ProximitySensor Erzeugt Ereignisse, wenn der Viewpoint: die Region betritt: SFTime entertime die Region verlässt: SFTime exittime sich innerhalb der Region bewegt: SFVec3f position_changed SFRotation orientation_changed Definition: ProximitySensor { center size } Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 68)

69 Andere Knoten, die den Betrachter überwachen LOD (Level Of Detail): zeigt in Abhängigkeit von der Entfernung verschieden detaillierte Objekte Ereignisse werden dabei nicht explizit erzeugt VisibilitySensor: Überwacht, ob eine bestimmte Region für den Betrachter sichtbar ist Ereignisse: isactive, entertime, exittime Collision: überwacht Kollisionen des Betrachters mit Objekten Ereignis: SFTime collidetime Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 69)

70 Reagieren auf Benutzeraktionen Motivation: Der Benutzer kann auf Dinge zeigen, Buttons drücken und loslassen mit einem gedrückten Button Dinge bewegen TouchSensor-Ereignisse Der Zeiger ist auf dem Objekt: SFBool isover Button press/release: SFBool isactive SFTime touchtime (on ButtonUp) Pointer dragged over geometry: SFVec3f hitpoint_changed SFVec3f hitnormal_changed SFVec2f hittexcoord_changed Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 70)

71 Beispiel für TouchSensor Felder von Sound maxfront direction minfront location minback maxback TouchSensor1.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 71)

72 Andere Knoten zur Beobachtung des Nutzers Anchor: zum Springen in eine andere VRML-Welt (erzeugt implizite Aktionen) CylinderSensor: Hier werden die Cursorbewegungen auf eine Drehung einer Zylinderfläche abgebildet Die Zylinderachse liegt parallel zur lokalen y-achse PlaneSensor: bildet Bewegungen in Verschiebungen in der xy-ebene ab SphereSensor: bildet Bewegungen auf eine generelle Rotation um das Zentrum des Sensors ab Sensoren sind keine gruppierenden Knoten Sie lösen Ereignisse auf der geometry von Geschwisterknoten aus Wenn Objekte überlappen wird das am nächsten gelegene Objekt genutzt Der Sensor der am niedrigsten im Objektgraph liegt sendet das Ereignis Mehrere Sensoren können gleichzeitig Ereignisse senden Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 72)

73 Beispiel: Sensoren1.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 73)

74 5.6 Weiterführende Aspekte Zeit Zeit kann verwendet werden, um Animationen zu steuern Interpolation Positionen können interpoliert werden Interpolating Other Data Types Nutzung von Skriptsprachen, Innerhalb von VRML können Skriptsprachen genutzt werden Ein Beispiel ist JavaScript Erzeugung neuer Knotentypen Man kann eigene neue Knotentypen definieren Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 74)

75 Nutzung der Zeit Zeitverlauf.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 75)

76 Interpolation VRML-Interpolatoren dienen der Manipulation von Objekten durch Positionsänderung (OrientationInterpolator, PositionInterpolator) Verformung (CoordinateInterpolator) Farbänderung (ColorInterpolator) Animation (ScalarInterpolator) Änderung der Oberflächennormale (NormalInterpolator). Die Interpolator-Knoten enthalten jeweils eine Liste von Schlüsseln (z.b. im Bereich 0...1) und zugeordnete Datenwerte Funktionsweise: Knoten sendet einen beliebigen Wert aus dem Schlüsselintervall an das eventin- Feld des Interpolators dieser reagiert mit einem aus den Datenwerten interpolierten Zwischenwert Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 76)

77 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 Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 77)

78 Nutzung eines Scripts sine.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 78)

79 Erzeugen neuer Knotentypen Durch PROTO Definitionen können neue Knotentypen deklariert werden: Der neue Typ erhält einen Namen und Felder und Ereignisse, die die Schnittstelle des Prototyps bilden Beispiel: Robots können dann später genau so genutzt werden, wie Spheres Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 79)

80 Ein einfacher Prototyp Prototyp1.wrl Prof. Dr. Andreas Henrich Virtual Reality: Modellierung virtueller Welten (S. 80)