Objektorientierte graphische Programmierung

Transkript

1 Objektorientierte graphische Programmierung

2 Low-Level Level Graphics API z.. B. OpenGL, Direct3D Prozedural - Zeichenprimitive Linie, Dreieck, Zeichenfarbe,... Dual Database Problem 1. Repräsentation: Objekte der Welt 2. Repräsentation: Graphische Datenstrukt. Redundanz, Gefahr von Inkonsistenz Introduction 2 Dieter Schmalstieg

3 High-Level Graphics API z.. B. Inventor, Performer, World Toolkit, VRML, OpenSG, Java3D Rendering Engine oder Scene Graph Objektorientiert Szenenobjekte Objects, not Drawings Nicht auf graphische Darstellung beschränkt Interaktivität: t: Event-Modell für f r 3D Szenen Software-Architektur Toolkit-Ansatz, Erweiterbarkeit Introduction 3 Dieter Schmalstieg

4 Application Programmer s s View Rendering Engine or Scene Graph OpenGL or D3D Introduction 4 Dieter Schmalstieg

5 Warum High-Level API? Rapid prototyping Rapid application development (RAD) interpreted script geometry file Application oder Shell (Browser, Editor) Hi-Level API Low-Level API Introduction 5 Dieter Schmalstieg

6 Open Inventor Unser Fallbeispiel: Open Inventor API Basiert auf C++ Verwendet in VRLU 1. Version: SGI Inventor, 1992: Jetzt Open Source 2. Version: Template Graphics Software (TGS) Inventor: Aktuelle Weiterentwicklung von SGI 3. Version: Coin von Systems in Motion (SIM), Re-Engineered API, Open Source Introduction 6 Dieter Schmalstieg

7 Szenegraph Struktur Graphische Datenstruktur = Szenegraph Szenegraph besteht aus Knoten Gerichtete Kanten -> Hierarchie Nutzen der Hierarchie Semantische Hierarchie: z.b. Auto(teile) Geometrische Hierarchie: z.b. Gliederpuppe Meist reicht ein Baum aus Allgemein: Directed Acyclic Graph (DAG) Mehrere Vorgängerknoten erlaubt Introduction 7 Dieter Schmalstieg

8 Szenegraph - Knoten Knoten haben einen Typ Typ legt Verhalten fest Verhalten = Reaktion auf bestimmte Events Events erzeugt von der Anwendung Events erzeugt vom Benutzer -> > Interaktivität Knoten sind Instanzen einer Klasse Unterscheide Szenenhierarchie und Klassenhierarchie! Flexibilität: t: Wähle W beliebige Knoten(typen), dann konstruiere Szenegraph aus Knoten Erweiterbarkeit: Neuen Knotentyp erzeugen Introduction 8 Dieter Schmalstieg

9 Szenegraph - Felder Attribute (member variables) in Knoten heissen Felder Felder sind selber Objekte Float-Objekt, String-Objekt etc. Vorteil: Das ganze Szenegraph-System System kann sich selbst beschreiben (Reflection) Wichtige Eigenschaft einer Datenbank Z. B. Serialisierung, Datenpersistenz Introduction 9 Dieter Schmalstieg

10 Beispiel Introduction 10 Dieter Schmalstieg

11 Knoten- Typen: Shape Nodes Introduction 11 Dieter Schmalstieg

12 Introduction 12 Dieter Schmalstieg

13 Knoten- Typen: Property Nodes Weiters: Transform Normal Introduction 13 Dieter Schmalstieg

14 Knotenarten: Non-Visuals Group Nodes Group Separator Switch Selection Manipulator LayerGroup Array MultipleCopy Light/Camera Nodes OrthographicCamera PerspectiveCamera DirectionalLight PointLight SpotLight Introduction 14 Dieter Schmalstieg

15 Graph Traversal: Grundidee Datenstruktur wird abgearbeitet ( traversiert( traversiert ) Für jeden Knoten Methode aufgerufen: Rendering Boundingbox berechnen Transformationsmatrix berechnen Event versenden Knoten suchen In Datei schreiben User callback ausführen hren Introduction 15 Dieter Schmalstieg

16 Graph Traversal: Reihenfolge Alle Knoten müssen m besucht werden Traversal verwendet eine State-Engine Allgemein üblich: Depth-First Unterscheidung bei Gruppen-Knoten Geordnete Gruppe State Propagation top->down und left->right Z. B. Inventor, VRML Grosse Flexibilität t beim Szenegraph- Basteln Basteln Ungeordnete Gruppe State Propagation nur top->down Z. B. Java3D, Performer Paralleles Render Traversal möglich m (Threads, SMP) Introduction 16 Dieter Schmalstieg

17 Graph Traversal Modellierung von Attributen In Zwischen-, Blattknoten oder Feldern? Rot Gruppe Gruppe Gruppe Rot Kugel Würfel Kugel Rot Würfel Rot Kugel Würfel Manche Toolkits lassen nur bestimmte Strukturen zu zb VRML97 Shape & Appearance Introduction 17 Dieter Schmalstieg

18 State, Stack & Separator Separator Color state stack Rot Kugel Separator Grün Grün Separator Würfel Rot Blau Kegel Traversal baut State in Stack auf Introduction 18 Dieter Schmalstieg

19 Transformations-Hierarchie R SL SR EL ER SL SR HL R HR EL HL ER HR OpenGL Matrix Stack <--> Transformationshierarchie Introduction 19 Dieter Schmalstieg

20 Pfade Strukturen,, die einmal definiert wurden, können beliebig oft wiederverwendet werden Objekte werden einfach mit einer Transformation an anderer Stelle in den Baum eingebunden mit Pfaden kann man eindeutig bestimmte Objekte spezifizieren Introduction 20 Dieter Schmalstieg

21 Instancing (Wiederverwendung( Wiederverwendung) Beispiel Auto Introduction 21 Dieter Schmalstieg

22 Polygonal Shapes: Koordinaten Koordinaten-Angabe für Polygonlisten: Non-Indexed: V={P1=(x1,y1,z1), P2, P3, P2, P3, P4, P3, P4, P5, P6} F={3, 3, 4} Indexed: V={P1,P2,P3,P4,P5,P6} F={1,2,3,-1, 2,3,4,-1, 3,4,5,6} Introduction 22 Dieter Schmalstieg

23 Polygonal Shapes: Attribute Per face overall Per vertex Bindings für Attribute für Material, Normals, Texture Coordinates Geben Zuordnung der Attribute zu Polygonen an Overall object, per face, per vertex Introduction 23 Dieter Schmalstieg

24 Reference Counting Problem: Löschen eines Knotens Wenn mehrere Referenzen existieren Lösung: Jeder Knoten zähltz die Referenzen auf sich mit C++: Overloading der Zeiger-Zuweisung Zuweisung Automatischer Garbage-Collector Knoten mit 0 Referenzen automatisch gelöscht NIEMALS delete aufrufen! Introduction 24 Dieter Schmalstieg

25 Programmierbeispiel SoSeparator *root = new SoSeparator; SoPerspectiveCamera *mycamera = new SoPerspectiveCamera; SoMaterial *mymaterial = new SoMaterial; root->ref(); root->addchild addchild(mycamera); root->addchild addchild(new SoDirectionalLight); mymaterial->diffusecolor diffusecolor.setvalue(1.0, 0.0, 0.0); // Red root->addchild addchild(mymaterial); root->addchild addchild(new SoCone); Introduction 25 Dieter Schmalstieg

26 Fileformat Einfaches ASCII-Fileformat ( *.iv( *.iv ) Leistungsfähiges deklaratives Scripting! DEF Name/USE Name für Instancing Prinzipielle Syntax Klassenname { #Kommentar Feldname1 <Wert< Wert> Feldname2 <Wert2> <Kinder wenn Gruppenknoten> > } Introduction 26 Dieter Schmalstieg

27 Fileformat - Beispiel Material { diffusecolor } Separator { Translation { translation } Cone { radius 0.5 height 2} } Separator { Translation { translation } Cube {width 1 depth 3 height 2} } Introduction 27 Dieter Schmalstieg

28 Dependency Graph Zwei überlagerte Strukturen Szenegraph Dependency Graph (abh( abhängige Felder) Field connections : Feldtypen müssen m kompatibel sein! Introduction 28 Dieter Schmalstieg

29 Engines Modellierung komplexerer Abhängigkeiten im Graph TargetField := Engine(SourceField SourceField) Lazy evaluation zb Typkonverter, Calculator, Counter, Interpolate, Trigger, TrakEngine Engine Engine Introduction 29 Dieter Schmalstieg

30 Sensoren Callback bei Veränderungen von Knoten oder Feldern Redraw bei Szenen-Änderung nderung automatische Statusanzeigen Animationen Puzzlesteins fäll durch Time-Sensor Introduction 30 Dieter Schmalstieg

31 Events & Manipulators User events (mouse, keyboard) an Szene übergeben Knoten können sich Events herausfiltern zb Manipulators wie virtueller Trackball Introduction 31 Dieter Schmalstieg

32 Node Kits Vorgefertigte Sub-Szenegraphen Szenegraphen z.b. Transformation, Material + Shape vereinfachen das Konstruieren semantisch korrekter Szenen Introduction 32 Dieter Schmalstieg

33 Erweiterung Objekt-orientiert orientiert: : Subclasses! Sub-Klassen von Nodes, Actions, Node Kits, Components, Dynamisches Linking von Nodes Prototyping: Callbacks Callback-Node: call user function on traversal Callback-Action: call user function for every node Introduction 33 Dieter Schmalstieg

34 Dual Dispatch Action-Objekte führen Traversal durch Beim Traversieren wird entsprechende virt. Methode jedes Knotens aufgerufen Problem der Erweiterbarkeit in C++: Leicht: Neue Knoten, dieselben Methoden Schwer: Neue Methoden, dieselben Knoten Neue Actions lösen Problem Action verhält sich abhängig vom Knotentyp Introduction 34 Dieter Schmalstieg

35 Literatur The Inventor Mentor (J. Wernecke) The Inventor Toolmaker Addison-Wesley PDF-Files Files auf der VRLU-CD Introduction 35 Dieter Schmalstieg