Animation mit Szenegraphen Wiederholung und Vertiefung

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Animation

Animation mit Szenegraphen

Tobias BreinerSS 2006 - AnimationSzenegraphen

Tobias [email protected] 2/100

Inhalt

Zusammenfassung

Wiederholung und Vertiefung

Szenegraphen

Knotenobjekte

Knotenhierarchie


SS 2006 - AnimationSzenegraphen


Sichtsysteme für Fahrsimulationen

gebogene Powerwall

Cave & Semi-Cave

Head Mounted Displays

ProjektionenProjektionenProjektionenProjektionen

Monitore & Displays

Multipowerwall

Dome

Singlepowerwall

Powerwalls

Visuelle Visuelle Visuelle Visuelle HardwareHardwareHardwareHardware



konventioneller FahrsimulationenPluralistik der Motion Bases

Motionbases haben zwischen 1-12 FreiheitsgradeBislang kaum genormte Schnittstellen zu MBsSehr verschiedene Variationen der Motion Bases

=> Software meist nicht Hardware-unabhängig



Defizite konventioneller Fahrsimulationen

Inflexibilität gegenüber Hardwareveränderungen & neuen Anforderungen jeglicher ArtViele professionelle Fahrsimulationen entweder nicht echtzeitfähig oder von teuren Hochleistungs-Workstations abhängigHybridfahrsimulationen, die zwischen professionellen und spielerischen Anwendungen interpolieren, sind meist sehr unzulänglich Keine freie StreckenwahlKeine Einbeziehung unerwarteter Extremsituationen

� Fahrsimulationen sind inflexibel� Programmierer und Anwender sind unfrei in

ihren Möglichkeiten



Die „Drei mal Fünf Freiheitsgrade“des Freien Fahrsimulationskonzepts

• freie Wahl der Eingabegeräte, der Motionbases und der Sichtsysteme

• freie Konfigurierbarkeit der Kameraeinstellungen, Blickwinkel und Auflösungen

• freie Wahl aus mindestens drei zugrundeliegenden Grafik-APIs (z.B. Direct 3D, OpenGL, Renderware3)

• freie Austauschbarkeit der Fahrzeuge, der Armaturenbretter und der Virtuellen Szenerie

• freie Streckenwahl innerhalb der Virtuellen Szenerie für den Testfahrer in allen drei räumlichen Dimensionen

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Grundlagen

Angemessene Physikalische Modelle

Druck, Haft- und Gleitreibung an den 4 Aufsatzpunkten

Drehmomente um Y-Achse

Beschleunigung, ImpulsGefederte Masse

Ungefederte Masse

z.B. Ifimetrale Fahrphysik



Wichtigste FormelnDie Geschwindigkeitsveränderung ∆v pro Zeiteinheit ∆t beträgt:

∆v = a*∆t

Dabei ist die Beschleunigung a nach Newton:

a = FGes/m

Also gilt:

∆v = FGes *∆t/m

FGes = longitudinale Gesamtbeschleunigungskraftm = Masse des Fahrzeugs



Gesamtbeschleunigungskraft

Die longitudinale Gesamtbeschleunigungskraft FGes berechnet sich zu:

FA = Beschleunigungskraft NettoFL = LuftwiderstandFR = RollwiderstandFM = Massenträgheit

MRLAGes FFFFF −=−−=



Luftwiderstand

Der Luftwiderstand FL berechnet sich mit:

A = Querschnittsflächeρ= Luftdichtev = Geschwindigkeitcw = Luftwiderstandswert

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2w

LcvAF ⋅= ρ



Querschnittsfläche

Quelle: http://www.kfz-tech.de/Formelsammlung/Luftwiderstand.htm

Faustregel für Durchschnittsfahrzeuge:

A = ca. 0,8 · b · hSS 2006 - AnimationSzenegraphen


Luftdichte

Luftdichte ρ:Gibt an, wie viel Masse in einem Kubikmeter Luft enthalten ist Ist abhängig von:

WetterlageHöhe über N.N.

Typischer Wert für Meereshöhe und 20°C: 1,2 kg/m3

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Rollwiderstand

Der Rollwiderstand FR berechnet sich zu:

FR= cRmg

cR Rollwiderstandskooefizientm Masse des Fahrzeugsg Gravitationskonstante

Achtung: bei sehr kleinen Geschwindigkeiten (< 5km/h)wirdder Rollwiderstand durch den Haftwiderstand abgelöst, beim Schleudern und Durchdrehen der Reifen durch den Gleitwiderstand



Massenträgheit

FM = a*m

a = Beschleunigung des Fahrzeugsm = Masse des Fahrzeugs



Echtzeit

Definition aus Wikipedia:

„Der Begriff „Echtzeit“ legt lediglich fest, dass ein System auf ein Ereignis innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens reagieren muss.“

=>„Echte“ Interaktivität

In der Computergraphik liegt dieser Zeitrahmen bei ca. 0.05s (entspricht 20 fps oder Bewegtbildgrenze)



Einführung

Die „fünf Freunde“ der 3D-Echtzeit

1. Viel in Initialisierung verschieben!2. Maschinencodenah programmieren!3. Polygone einsparen!4. Angemessene physikalische Modelle

verwenden!5. Performanten Szenegraphen wählen!



Grundlagen

Polygoneinsparungen

Texturen

Billboarding

L.o.D.-Techniken

Sky-Dome

Bumpmapping



Skydome

Quelle: http://en.wikibooks.org/wiki/Blender_3D:_Noob_to_Pro/Build_a_skybox& http://www.starship-enterprises.net/3D%20Rotating%20Dome.htm

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Multi-Skydomes

Mehrere Schichten:

äußerste opak, innere halbtransparentSS 2006 - AnimationSzenegraphen


Billboards

Polygone, welche sich stets in Richtung des Betrachters orientieren



Billboards (Variationen)

Billboards mit Alpha-Textur:Billboards mit transparenten und opaken Anteilen (fast immer)Multi-Billboards:Mehrere hintereinanderliegende Schichten von BillboardsAxis alined Billboards: Billboards, die sich nur um eine definierte Achsedrehen können – in der Regel y-AchseCriss-Cross-Billboards:Billboards die zusätzliche Flächen beinhalten, welche die Hauptffläche durchdringenVideo-Billboards:Billboards mit einer Videotextur



Multibillboards

Mehrere hintereinanderliegende Schichten von BillboardsVorteile:

Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung



Multibillboards mit Verschiebungen/Skalierungen

Multibillboards mit Internen Verschiebungen und/oder SkalierungenVorteile:

Formänderungen (z.B. für Wolkenveränderungen, Rauch,o.ä.)



Criss Cross Billboards

Billboards mit zusätzlichen semiorthogonalenSchnittflächen Vorteile:

Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung Gut geeignet für Bäume

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LoDs mit Final Billboarding

Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.php



Sky-Billboarding

Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.phpVorteil gegenüber Sky-Dome:

•Wolken verschieben sich gegeneinander

•Überlagerung von Wolken

Nachteil:

•Artefakte bei Wolkenkreuzungen



Billbaords mit Alpha-Textur

Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm

Ohne Alpha mit Alpha



Schatten-Billboarding

Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm



Nächstes Kapitel

Szenegraphen

Resümee


Knotenobjekte

Knotenhierarchie

SzenegraphenSzenegraphen



Grundlagen

Szenegraph – Nameschaos

•Englisch: scene graph oder scenegraph

•Französisch: moteur 3D orienté scène, gestion des scèneshiérarchisées oder base des donées pour scènes

•Spanisch: motór 3D orientado a escenas oder graphojerárquico de escena

•Norwegisch: 3D motor (på hierakiske organisasjon)

•…

•Deutsch Szenegraph oder Szenengraph (beides richtig, im Folgenden erstere Version verwendet, übrigens, eine 3D-Engine ist nicht unbedingt ein Szenegraph)

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Grundlagen

Was ist ein Szenegraph?

•Graphikschnittstelle

•Beschreibung der hierarchischen Objektstruktur einer Szene

•Gerichteter und azyklischer Graph

•Verschiedene Objekte als Knoten



Grundlagen

Beispiel



Grundlagen

Objekthierarchie



Grundlagen

Vorteile von Szenegraphen•Denken in Objekten statt in Punkten/Kanten & Polygonen

•Erleichtert die Behandlung großer Szenen mit vielen gleichförmigen Objekten

•Komprimierung

•Beschleunigung von Statusänderungen

•Verbesserung des Cullings



Einführung

Der wahre Y2K-Bug

Microsoft –Direct 3D

SGI – Iris Inventor & OpenPerformer

OpenGL Consortium - OpenGL

(Apple - Quickdraw3D)

Fahrenheit



Grundlagen

Vielfalt an Szenegraphen

Allscene 3DCrystal SpaceGamembryoGismo 3DIrisInventorIrrlichtJava3DMantra4DNebula DeviceNeMoOgreOpenScengraph

OpenSGOpenPerformerPanard VisionRealiMationRenderware SGSurRendererVirToolsVisKitXeiosWild Magic 3D3D Generation…

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Grundlagen






Grundlagen






Grundlagen






Grundlagen






Einführung






Grundlagen




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Grundlagen






Grundlagen




3DSInventor 1.0Mantra4D-DBOpenFlightRealiBaseVRML 1.0VRML 2.0VRML 97X3D…



Grundlagen

Vielfalt


OpenSGOpenPerformerPanard VisionRealiMationRenderware SGSurRendererVirToolsVisKitXeiosWild Magic 3D3D-Generation…

3DSInventor 1.0Mantra4D-DBOpenFlightRealiBaseVRML 1.0VRML 2.0VRML 97X3D…

3D-Generation

=> Beispielszenegraph

Vorteile:

•selbst erstellte Fahrsimulation

•machtvoll

•didaktische Einfachheit

•konsistente Teilung zwischen virtueller und realer Szene



Grundlagen

Rechts- vs. linkshändige

x

y

zx

y

z

links:

RealiMation

3D-Generation

…

rechts:

Iris Inventor

Open Performer

…



Nächstes Kapitel

Knotenobjekte

Zusammenfassung


Szenegraphen

Knotenobjekte

Beispielanwendung

Knotenobjekte



Arten von Knoten

Virtuelle Szene

Gruppenknoten•Gruppenbehälter•Transformationen•Switchknoten (Level-of-Detail, Animation etc.)•…Blattknoten•Lichter•Geometrien•Kameras•Materialien, Texturen, Farben•...

Reale Szene

Gruppenknoten•Gruppenbehälter•Computer•Kanäle•Switchknoten (an, aus) •…Blattknoten•Eingabegeräte•Sichtsysteme•Sichtfenster•Soundgeräte•Basis-Render-API•…

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Knotenobjekte der Szenegraphen

Szenen

Virtuelle Szene

gGesamtszene

Reale Szene



Bildung der Objekthierarchie

Virtuelle vs. Reale Szene



Virtuelle Szene

Optische v.Sz. Haptische v.Sz.




Rendercomputer

Synonyme: MachinesErmöglicht verteiltes Rendering im LAN

Sicht aus linkem Seitenfenster

Sicht aus rechtem

SeitenfensterSicht aus Windschutzscheibe

LAN




Sichtkanäle

Synonyme: ChannelsParameter:

horizontale und vertikale Auflösung2D-Position auf dem Sichtsystem (xS,yS) Mono vs. Double BufferingKonkatenation einer Basis-Graphik-API (OpenGL, Direct3D, Glide, Nullrenderer …)




Sichtkanäle

Open GL Direct 3D Renderware16

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Viewports

Synonyme: Views, RenderobjectParameter:

Monoskopisch, stereoskopisch oder polyskopischGouraud shaded, flat shaded, shadedWireframe, unshaded wireframe oder Vertex cloudshorizontale und vertikale Auflösung 2D-Position innerhalb des Kanals




Viewports

Wireframe Gouraud Shaded Wireframe Flat Shaded

Gouraud Shaded Gouraud Shaded & Antialiasing




Viewports

Flat Gouraud Phong

Quelle (modifiziert): http://www.point-libre.org




Kameras

Synonyme: Cameras, Eyes, Viewpoints, ViewPlattforms

Typen: zielungebundene vs. zielgerichtetParameter: Near Clipping Plane, Far Clipping Plane, Sichtwinkel, oft eigene Orientierung (Euler-Winkel),…




Kameras

αver = vertikaler Sichtwinkel

Es kann zwischen horizontalem Sichtwinkel αhorund vertikalem Sichtwinkel αverunterschieden werden.

In der Praxis wird der vertikale Sichtwinkel meist indirekt aus dem Verhältnis zwischen Höhe h und Breite b der Viewport-Pixelauflösungermittelt:

bh

horver ⋅=αα




Kameras

Far Clipping Plane,

Near ClippingPlane

View Frustrum

Nur Objekte innerhalb des View Frustrums (= Sicht-pyramidenstumpfes) werden angezeigt

=> Sensible Wahl der Clipping-Ebenenerforderlich!

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Kameras

zielgerichtete zielungebundene

2 Positionen (Ort und Ziel) Position (Ort) und Orientierung (Zielrichtung)




Kameras

Tiefenunschärfe: Feature bieten nur wenige SzenegraphenZusätzliche Angabe einer Fokussierungs-Distanz notwendigNicht mit OpenGL-oder Direct3D-basierenden Szenegraphen machbar http://bf.monis.ch/zentralarchiv/computergrafik/3dgloss2.htm




Lichter

Synonyme: Lights, Illuminations

Parameter: Lichtart (Ambient-, Spot-, Punkt, …)Farbe Intensität (mit und ohne Entfernungsabnahme) ev. Richtung & Kegelöffnungswinkel (bei Spot-Lichtern)




Lichter

Spotlight

Punktlicht

Ambientes Licht

Paralleles Licht

Flächenlicht

Lichtarten




Lichter

Farbige LichterEinigen Szenegraphen bieten negatives Licht an (einfache Schatten durch negative Spotlights möglich)




Lichter

Das „Oben Links“-Prinzip der Lichtrichtung(Links oben stehende Lichtquellen wirken

intuitiv „richtig“)

Anwendung in:Kunst User InterfacesTypographie AA

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TransformationenSynonyme: Transforms, TransformGroups,

Instances, Locales, LocaleCoordinates, PlacementsTranslationRotation Skalierung ev. Scherungi.d.R. noch weitere Attribute zusätzlich zu homogenen Koordinaten (Switchs, Renderparameter, Bounding Boxes …)




Animation mit TransformationenAchtung 1: Rechts- und Linkshändige Systeme

x

y

zx

y

z

links:

RealiMation

3D-Generation

rechts:

Iris Inventor

Open Performer




Animation mit TransformationenAchtung 2: Rotationen nicht kommutativ!

1221 RotRotRotRot MMMM •≠•




Animation mit TransformationenAchtung 3: Gimbal Lock bei RotationenVerlust eines Freiheitsgrades => 2 Singularitäten

Quelle: http://www.yourdictionary.com/images/ahd/jpg/A4gimbal.jpg

Entgegen einer weit verbreiteten Meinung sind Quaternionen nicht die Lösung für Gimbal Lock!

Statt dessen: Umrechnung der globalen Orientierungen in lokale Koordinatensysteme




Geometrien

Synonyme: Geometry, Shapes, GeoData

In der Regel intern abgelegt als IndexedFace Sets:

Tabelle von Polygonen, Vertices, Flächennormalem, Vertice-Normalen, Strips & Fans, Texturkoordinaten, Texturpointer, …




Animation mit Geometrien

Verschiebung der einzelnen VerticesÄndern der Normalenvektoren => Verändern des Shadings

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Emitter

Synonyme: ParticleSources, Sources

Quelle von virtuellen PartikelnViele ParameterVorgefertigte Emitter: Feuer, Rauch, Abgasen, Wolken, Funken, Explosionen




Gruppen

Synonyme: Groups, Gatherings

Containerobjekt für alle anderen Knotenobjekte des SzenegraphenMeist mit boolschen Flag versehen (zum an- und ausschalten des Renderingsganzer Objektgruppen)




Eingabegeräte

Synonyme: Input Devices, InputsTastatur3D MausMausTouchPadLenkradJoystick…




TexturenSynonyme: Textures, SkinsArten:

Zielort: Surface, Background …Herkunft: Prozedurale vs. Image Texturen Anzahl: Single-, Dual-, MultitexturesInterpretation: Farbgebung (i.d.R.), Dot3-Bumpmap, Lightmap, Shadowmap, Vertex Displacement Map …Animation: Videotexturen, Gif-Texturen, statische TexturenTransparenz: Alpha-Texturen, Chromakeying-Texturen, opake TexturenGranularitätsstufen: Mipmapped (mit und ohne Blending)Aufbringungsweise: clamped, tiled, scaled, repeated …Dimension: 2D, 3D




TexturenClamping

Tiling

Scaling

Quelle: http://www.scheib.net/school/782/lab2/cat.html




Texturen

Prozeduale 3D-Texturen

Quelle (modifiziert): Michael Bax: http://www.stanford.edu/~mbax/textures/

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Texturen

Quelle (modifiziert): Michael Bax: http://www.stanford.edu/~mbax/textures/

Dot3-BumpmappingErzeugt Oberflächenrelief-Anmutung durch

Modifikation der Normalenvektoren, aber:keine räumliche Verschiebung bei Kameraanimationenkeine Selbstokklusionkeine Silhouettenbildung




Texturen

ohne Bumpmapping mit Bumpmapping

Quelle (modifiziert): http://www.vq-2.com/graphics/engine/shots/bump_2.jpg




Texturen

Multitextured Lightmap

Quelle http://www.nvnews.net/previews/geforce3/multitexturing.shtml




TexturenZusätzlicher Alphakanal (zu Rot-, Grün- und

Blaukanal) gibt Transparenz an

Quelle http://www.delphigl.de/tutorials/alphamask.html




Texturen

Chromatischer Schlüssel (hier: Magenta) kann ebenfalls Transparenz anzeigenVorteil: Kein zusätzlicher Alphakanal notwendigNachteil: Keine Semitransparenz möglich

Quelle (modifiziert) http://www.delphigl.de/tutorials/alphamask.html




Animation von Texturen

Videotexturen, „Animated GIF“-TexturenVeränderung der Ausgangsparameter bei Prozeduralen TexturenTexture Warping (Verändern der Texturkoordinaten)Texture Weighting (Verändern der Gewichte bei Multitextures über die Zeit)Generelle Parametermodifikation (z.B. Änderung des Höhenfaktors bei Bumpmaps oder des Transparenzwertes einer Textur über die Zeit)Ersetzen der Textur (bzw. Texturlink verändern)

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Minimalset für Knotenobjekte

ViewportsSzenen (meist nicht unterschieden zwischen real und virtuell / haptisch und optisch, etc.)Geometrien Transformationen Lichter KamerasMaterialien/Texturen (i.d.Praxis)



Nächstes Kapitel

Objekthierarchie in Beispielanwendung

Zusammenfassung


Szenegraphen

Knotenobjekte

BeispielanwendungBeispiel-Objekthierarchie




Hierarchie der Gesamtszene




Hierarchie der Gesamtszene

Konsistenz

Ifimetrale

Fahrphysik




Hierarchie des Fahrzeuges




Hierarchie des Fahrzeuges

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Hierarchie der Virtuellen Szene




Virtuelle vs. Reale Szene




Codebeispiel 3D-Generation

CVirtualScene vscOptisch; Bildung von CGroup grpFahrzg; Objektinstanzen

vscOptisch.Add(grpFahrzg); Konkatenation

vscOptisch.Switch(true); Parametrisierung

…



Nächstes Kapitel

Resümee

Zusammenfassung


Arten von Szenegraphen

Knotenobjekte

Beispielanwendung

Zusammenfassung



Zusammenfassung

Szenegraphen:GeschichteArtenVor- und NachteileKnotenobjekteBeispielanwendung



Ausblick

QuaternionenSlerpNurbsBeispielanwendungInterpolationsverfahren

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EndeDankeDankefürfür IhrIhrInteresseInteresse!!

Tobias Breiner Tobias Breiner [email protected]@gdv.informatik.uni--frankfurt.de frankfurt.de

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