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Animation
Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias BreinerSS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 2/86
Organisatorisches 1
Frauenvollversammlung des Fachbereiches „Informatik und Mathematik“ am Montag, den 19.Juni 2006, um 10 Uhr c.t. im Seminarraum 307:
Begrüßung durch DekanSituation an FBHessisches Mentorinnen-NetzwerkFrauenförderungAufgaben einer FrauenbeauftragtenWahl des Frauenrates
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Tobias [email protected] 3/86
Organisatorisches 2
Um Streikende nicht zu benachteiligen, findet am Mittwoch, den 12. Juli 2006, um 12:00 Uhr c.t. eine Wiederholungs-Marathonvorlesung statt
Ich werde alle Folien mitbringen, gewünschte Teile noch einmal vortragen, eventuell unverständliche Folien erklären und Fragen beantworten.
Bitte Vorbereiten!
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Tobias [email protected] 4/86
Inhalt
Zusammenfassung
Wiederholung und Vertiefung
Fahrsimulationen
Das Freie Fahrsimualtionskonzept
Echtzeitanwendungen
Wiederholung und Vertiefung
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Tobias [email protected] 5/86
Wiederholung und Vertiefung
Volumenmodelle: Enumeration
Modellierung des vollständigen 3D-Objektes aus gleichförmigen Volumenelementen
Voxel beschreiben konstante Eigenschaften für ein einzelnes Volumenelement
DichteFarbeetc.
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Tobias [email protected] 6/86
Wiederholung und Vertiefung
Space Subdivision Schema
RaumunterteilungHierarchische StrukturierungOctree, Quadtreebinary space (Binärraum)Knoten zeigt eine Unterteilung an.Blatt (on/off) zeigt an,ob Raumelement zumObjekt gehört
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Unterteilung des „Betrachtungsraumesin acht Oktanten
Wiederholung und Vertiefung
Octree Representation - 3D
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Tobias [email protected] 8/86
Wiederholung und Vertiefung
Binärraum-Unterteilung
Unterteilung in Halbräume bzw. HalbebenenUnendliche Ausdehnung des Betrachtungsraumes
Halbraum+
Halbraum-
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Tobias [email protected] 9/86
Wiederholung und Vertiefung
Primitive Instancing
• Sammlung von vordefinierten Primitiven• Instanzieren durch beschreibende Parameter• Einfachste Art zur Beschreibung von
geometrischen Objekten• Nachteil: begrenzte Menge von Primitiven• Beispiele: (tbrick, l, h1, h2, w1, w2)
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Tobias [email protected] 10/86
Wiederholung und Vertiefung
Volumenmodelle: Volumendaten
Volumendaten können direkt aus diagnostischen Verfahren gewonnen werden
3D-Röntgenanalyse (CT)Kernspintomographie
(MRT)3D-UltraschallCryosection
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Tobias [email protected] 11/86
Wiederholung und Vertiefung
Constructive Solid Geometry
+
-
+
Hierarchisch-boolesche Verknüpfung von 3D-Primitiven
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Tobias [email protected] 12/86
Wiederholung und Vertiefung
Fraktale Modelle
0D in 3D0D in 3D
1D in 3D1D in 3D
2D in 3D2D in 3D
3D in 3D3D in 3D
xDxD in 3Din 3D(x ≠ n)(x ≠ n)
FraktaleFraktaleModelleModelle
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Tobias [email protected] 13/86
Wiederholung und Vertiefung - Fraktale Modelle:
L-Systeme
1968 von Aristid LindenmayerGrundlage einer axiomatischen Theorie biologischer WachstumsprozesseMenge von ProduktionsregelnSukzessive Ersetzung von Einzelteilen eines einfachen Objektes, um komplexe Strukturen zu generieren
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 14/86
Wiederholung und Vertiefung - Fraktale Modelle:
Midpoint-Displacement
Quelle: Björn Borer: http://www.gymlaufen.ch/3_was/311_projekte/projektwoche04/terragengalery/pages/Bjoern%20Borer%202.htm
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 15/86
Wiederholung und Vertiefung - Fraktale Modelle:
Landsberg-Oberfläche
Quelle: http://www.cg.tuwien.ac.at/research/rendering/csg-graphs/Pics/landsberg.JPG
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Tobias [email protected] 16/86
Wiederholung und Vertiefung
Fraktale Planeten
Lösung: Kugeln aus Platonischen Körpern
Tetaederkugel, Oktaederkugel, Ikosaederkugel
Diplomarbeit Jörg Homann, Betreuer Tobias Breiner
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Tobias [email protected] 17/86
Wiederholung und Vertiefung
Fraktale Bauwerke
Beispiel: Fraktale gotische Fenster (Autor: Björn Schmidt und Yann Lorion, Betreuer: Tobias Breiner)
Computergraphikpraktikum SS2005 im Studienfach Informatik an der Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt am Main.
Quelle: http://www.iz-media.de/gothic/index.php?a=about
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 18/86
Wiederholung und Vertiefung
Konventionelle Datenmodelle
0D in 3D: Punktmodelle (Point Clouds, Surfels, …)
1D in 3D: Linienmodelle(Vectors, Drahtgitternetze, …)
2D in 3D: Flächenmodelle(Polygone, parametr. Flächen, …)
3D in 3D: Volumenmodelle(Enumeration, CSG, …)
xD in 3D, x Є N: Fraktale Modelle(L-Systeme, Plasma, …)
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Tobias [email protected] 19/86
Wiederholung und Vertiefung
Quaoaring Datenmodell
0D in 3D: Punktmodelle 1D in 3D: Linienmodelle2D in 3D: Flächenmodelle3D in 3D: VolumenmodellexD in 3D, x Є N: Fraktale ModellexD in 6D ( 3 Raumdimensionen +
1 Zeitdimension + 2 biologische Dimensionen ):Quaoaring Modelle
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Tobias [email protected] 20/86
Nächstes Kapitel
Fahrsimulationen
Resümee
Wiederholung und Vertiefung
3D-Echtzeitanwendungen
FahrsimulationenFahrsimulationen
Das freie Fahrsimulationskonzept
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 21/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (1976/77)
Übergang von elektromechanischenzu computerbasierten Fahrsimulationen
F11976 Atari
Midnight Racer1976 Midway
Speed Freak1977 Vectorbeam
Night Driver1976 Namco
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Tobias [email protected] 22/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1982)
Übergang von pixelbasierten zuspritebasierten Fahrsimulationen
Chequered Flag1984 Sinclair
Pole Position1982 Namco
Challenges1983 Taito
Turbo1981 Sega
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 23/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1986)
Übergang von fixen zu animierten Sprites
Turbo Esprit1986 Sinclair
OutRun1986 Sega
Chace HQ 1988 Taito
Konami GT1986 Konami
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Tobias [email protected] 24/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1988)
Übergang von Single-Player zu Multi-Player Modi im LAN bzw. KI-
Boliden
Wec Le Mans1986 Konami
Chace HQ 1988 Taito
Cisco Heat1991 Jaleco
Final Lap1987 Namco
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Tobias [email protected] 25/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1989-95)
Übergang von spritebasierten zu3D-polygonbasierten Fahrsimulationen
Final Lap 21991 Namco
Virtual Racing1992 Sega
Hov Driving1994 Hov
Hard Driving1989 Atari
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Tobias [email protected] 26/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1995)
Übergang von flat-shaded, untextured zu smooth shaded, textured Polygones
Virtual Racing1992 Sega
Rave Racer1995 Namco
Racing Jam1998 Konami
SF Rush The Rock1997 Atari
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Tobias [email protected] 27/86
Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~2000)
Übergang von per polygonezu per-pixel-shading
Dirt Dash1997 Namco
Ridge Racer V2000 Namco
Gran Tourismo2001 Sega
Battle Gear2000 Kaido
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 28/86
Motivation
Vergangenheit
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 29/86
MotivationGegenwart
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Tobias [email protected] 30/86
?
Motivation Zukunft
Gibt es sie überhaupt
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Tobias [email protected] 31/86
konventionelle FahrsimulationenRendering
1.000 - 200.000 Polygone pro Landschaftmindestens 30 bis 60 fpsArcade-Games haben universitäre Fahrsimulationen im Rendering in der Regel überholt
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 32/86
Spezielle Hardware für FahrsimulationenSichtsysteme
gebogene Powerwall
Cave & Semi-Cave
Head Mounted Displays
ProjektionenProjektionenProjektionenProjektionen
Monitore & Displays
Multipowerwall
Dome
Singlepowerwall
Powerwalls
Visuelle Visuelle Visuelle Visuelle HardwareHardwareHardwareHardware
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Tobias [email protected] 33/86
Spezielle Hardware für FahrsimulationenHead Mounted Displays•Mit Head-Tracking volle 360° * 360°-Sicht
•Ohne Head-Tracking max. 240° *130°-Sicht
•Auflösungen zwischen 2* (300*200)
bis 2* (1280 x 1024 ) Pixeln
•Direct-Retinal-Beaming noch im
Versuchsstadium
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 34/86
Spezielle Hardware für FahrsimulationenProjektionssysteme für Fahrsimulationen
•In der Regel ca. 60° * 60° - Sicht (viele Ausnahmen)
•Auflösungen pro Beamer von 800*600 bis 2000 * 1000 Pixel
•Mono- oder Stereoskopisch
•Powerwall, Semi-Cave, Dome
•Single- oder Multibeamer
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 35/86
Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Pluralistik der Motion Bases
Motionbases haben zwischen 1-12 FreiheitsgradeBislang kaum genormte Schnittstellen zu MBsSehr verschiedene Variationen der Motion Bases
=> Software meist nicht Hardware-unabhängig
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 36/86
Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Motion Base (Beispiel: Arcade-Anwendung)
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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 37/86
Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Motion Base (Beispiel: Forschungsanwendung)
MB des Daimler Chrysler-Fahrsimulators„Computerworld Smithsonian Award in the area of transportation“180° * 40° -Sicht
> 150 Forschungsprojekte
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 38/86
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
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 39/86
Freiheitfür die Fahrsimulationen !
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 40/86
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
5 5 5
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 41/86
Das Freie KonzeptRenderunabhängige Fahrphysikberechnung
Berechnung der Fahrphysik erfolgt asynchron zur Visualisierung in mehreren Threads.
=> renderunabhängigeFahrphysikberechnung
Visualisierungsthread(s)
Fahrphysikthread(s)
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 42/86
Das Freie Konzeptschnelle Kollisionserkennung
schnelle Kollisionserkennung & implizite Abprallberechnung
� Ermöglichung von Querfeldein-Fahrten in polygonintensiven Landschaften
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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 43/86
Probleme beim freien KonzeptVerkeilungen der FahrzeugeMinimale Ungenauigkeiten beim Abprall nach einer Kollision können zu Endloscrashs führen
=> Verkeilung!
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 44/86
Realisierungen beim freien KonzeptVerkeilungen der FahrzeugeEntkeilungsroutine:
-statistische Ermittlung ob Endloscrash vorliegt
-Wenn ja: zusätzliche Kräfte in Richtung des Reflexionsvektors ausführen
-Bei jedem Tick exponentiell anwachsender Betrag
-Ab dem n. Tick auch Richtung variieren
Entkeilung
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 45/86
Probleme beim freien KonzeptAsynchrone Positionsdatenübermittlung
Beachten der Laufzeiten der Datenpakete
�Vorausinterpolation der Positionen und Geschwindigkeiten aller Fahrzeugteile notwendig
� Nach Kollision wird obige Interpolation obsolet
� Verkeilungen
� Fehlinterpretationen
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 46/86
Das Freie FahrsimulationskonzeptPhysikalische Eckdatenprofile
Definition eines allgemeinen Sets von physikalischen Eckdaten für Fahrzeuge
� Schelle Testung von Prototypen
� Einfaches Austauschen der Fahrzeuge
Reifentyp = BiasPly, Z-Man
Reifendurchmesser = 0,..
Reifenbreite = 0,...
Reifensteifheit = 0,..
Reifenprofiltiefe = 0,...
.....
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 47/86
Das Freie FahrsimulationskonzeptBeipiel für Karosserieeckdaten
•Fahrzeugtyp
•Anzahl und Position der Räder => Link zu Reifeneckdaten
•Geometrie-Link
•Masse
•cw-Wert
•Querschnittsfläche
•…
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 48/86
Das Freie FahrsimulationskonzeptBeipiel für Reifeneckdaten
Reifen:
•Reifentyp = BiasPly, Z-Man
•Reifendurchmesser
•Reifenbreite
•Reifensteifheit
•Reifenprofiltiefe
•Reifenprofilart
•.....
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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 49/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
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
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 50/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
Gesamtbeschleunigungskraft
Die longitudinale Gesamtbeschleunigungskraft FGes berechnet sich zu:
FA = Beschleunigungskraft NettoFL = LuftwiderstandFR = RollwiderstandFM = Massenträgheit
MRLAGes FFFFF −=−−=
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 51/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
Luftwiderstand
Der Luftwiderstand FL berechnet sich mit:
A = Querschnittsflächeρ= Luftdichtev = Geschwindigkeitcw = Luftwiderstandswert
2
2w
LcvAF ⋅= ρ
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 52/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
Querschnittsfläche
Quelle: http://www.kfz-tech.de/Formelsammlung/Luftwiderstand.htm
Faustregel für Durchschnittsfahrzeuge:
A = ca. 0,8 · b · h
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 53/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
Luftwiderstandswerte
Typische cw-Werte:Motorrad verkleidet: 0,57Motorrad unverkleidet: 0,63Kleinwagen: 0,32Mittelklasse: 0,28Laster 0,40VW Auto 2000-Studie 0,15
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 54/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
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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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 55/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
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
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 56/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
Rollwiderstandskoeffizient
Typische Werte für den Rollwiderstandskooefizienten cR :
0,001 - 0,002 Rad auf Schiene0,006 - 0,010 Lkw-Reifen auf Asphalt0,007 Standard-Fahrrad0,01 - 0,02 Autoreifen auf Beton 0,013 - 0,015 Pkw-Reifen auf Asphalt0,015 - 0,03 Autoreifen auf Kopfsteinpflaster 0,020 Pkw-Reifen auf Schotter0,03 - 0,06 Autoreifen auf Schlaglochstrecke 0,04 - 0,08 Autoreifen auf festgefahrenem Sand0,050 Reifen auf Erdweg0,2 - 0,4 Autoreifen auf losem Sand
Quelle: T. Schmidt, D. Schlender (2003): Untersuchung zum saisonalen Reifenwechsel unter Berücksichtigung technischer und klimatischer Aspekte
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 57/86
Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen
Massenträgheit
FM = a*m
a = Beschleunigung des Fahrzeugsm = Masse des Fahrzeugs
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 58/86
Freies FahrsimulationskonzeptRückkopplungsberechnungen
Bei komplexen Rückkopplungsberechnungen (z.B. beim Federungs-Dämpfungs-System) treten unerwünschte Resonanzeffekte mit der Frame-Rate-Frequenz auf
=> Dämpfungsformel!
½ 1 2 4 8 16 32 64 128 VerhältnisFR/fFDS
ohne Dämpfungsformel mit Dämpfungsformel
104
102
100
10-2
10-4
10-6
Abweichung Simulation/ Realität
asymptotische Resonanzen
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 59/86
Freies Fahrsimulationskonzept
Verfolgungskameras
• Kein ‚Verheddern‘ in der komplexen Szenerie
• bestmöglicher Blick auf das Fahrzeug
• Orientierung in der komplexen Landschaft
• Unterstützung von ‚Thrill‘ und ‚Action‘ in spielerischen Anwendungen
• Verzögerung des Gefühls der virtuellen Seekrankheit
Alte Verfolgungskameraalgorithmen unzureichend �Probleme:
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 60/86
Freies Fahrsimulationskonzept
Kameraführungen
1. Feste Kamera mit Blick aus der Windschutzscheibe, Seitenscheiben und Rückscheibe
2. Feste Kamera mit verschiedenen Sichten aus demAuto (wie oben), jedoch wahlweise ohne Schaukelnund Gieren
3. Kamera, welche die Ausgleichbewegungen des Fahrers nachempfindet
4. Fixe Übersichtskamera auf das Auto5. Mehrere fixe Kameraeinstellungen auf das Auto
(Filmschnitte)6. Starre Verfolgungskamera7. Dynamische Verfolgungskamera mit virtuellem
‚Gummiband’8. Intelligente semiautonome Verfolgungskamera
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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 61/86
Freies FahrsimulationskonzeptImplementierte Kameraführungen
Beliebige Kamera-konstellationenkonfigurierbar
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 62/86
Bildung der Objekthierarchie
am Beispiel „freie Fahrsimulation“Im Folgenden wird an einem konkreten Beispiel erklärt, wie eine hierarchische (weitestgehend simulative) Animation mit Szenegraphen erstellt werden kann.
Beispiel: Fahrsimulator mit dem „freien Fahrsimulationskonzept“
Weiterführende Literatur zum „freien FS-Konzept“:
Breiner, Tobias: Freie Konzeption zukünftiger Fahrsimulationen In: Möller, Reinhard 7. Workshop Sichtsysteme – Visualisierung in der Simulationstechnik: Aachen: Shaker, S. 15-25 (2001)
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 63/86
Nächstes Kapitel
3D-Echtzeitanwendungen
Zusammenfassung
Wiederholung und Vertiefung
Fahrsimulationen
Das Freie Fahrsimualtionskonzept
3D-Echtzeitanwendungen3D-Echtzeitanwendungen
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 64/86
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)
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 65/86
Echtzeit
Echtzeit
Harte Echtzeit Weiche Echtzeit
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 66/86
Beispiel:Freie Echtzeit-Fahrsimulation
Mit Hilfe einer objektorientierten Programmiersprache
Ziele:freie Streckenwahlkomplexe Landschaftenrealistisch anmutende Fahrphysikflexibel hinsichtlich Sichtgeräte
12
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 67/86
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!
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 68/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Einsparung von Polygonen
performanter Szenegraph
Angemessenes physikalisches Modell
Verschiebung in Initialisierungsroutine
machinencodenaheProgrammierung
Algorithmische Beschleunigung
Beschleunigung der Berechnung
Echtzeit-fähigkeit
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 69/86
polygonintensive Landschaften
•Aktuelle Testlandschaft besteht aus ca. 300.000 Polygonen
•9*9 km großes virtuelles ArealSS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 70/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Polygoneinsparungen
Texturen
Billboarding
L.o.D.-Techniken
Skydome
Bumpmapping
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 71/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Skydome
Quelle: http://en.wikibooks.org/wiki/Blender_3D:_Noob_to_Pro/Build_a_skybox& http://www.starship-enterprises.net/3D%20Rotating%20Dome.htm
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 72/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Multi-Skydomes
Mehrere Schichten:
äußerste opak, innere halbtransparent
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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 73/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Billboards
Polygone, welche sich stets in Richtung des Betrachters orientieren
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 74/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
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
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 75/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Multibillboards
Mehrere hintereinanderliegende Schichten von BillboardsVorteile:
Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 76/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Multi-BBs mit Verschiebungen/Skalierungen
Multibillboards mit Internen Verschiebungen und/oder SkalierungenVorteile:
Formänderungen (z.B. für Wolkenveränderungen, Rauch,o.ä.)
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 77/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Criss Cross Billboards
Billboards mit zusätzlichen metaorthogonalenSchnittflächen Vorteile:
Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung Gut geeignet für Bäume
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 78/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
LoDs mit finalem Billboarding
Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.php
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SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 79/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Sky-Billboarding
Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.phpVorteil gegenüber Sky-Dome:
•Wolken verschieben sich gegeneinander
•Überlagerung von Wolken
Nachteil:
•Artefakte bei WolkenkreuzungenSS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 80/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Billbaords mit Alpha-Textur
Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm
Ohne Alpha mit Alpha
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
Tobias [email protected] 81/86
Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Schatten-Billboarding
Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm
SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen
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Beschleunigung für Echtzeitanwendungen
Angemessene Physikalische Modelle
Druck, Haft- und Gleitreibung an den 4 Aufsatzpunkten
Drehmomente um Y-Achse
Beschleunigung, ImpulsGefederte Masse
Ungefederte Masse
z.B. Ifimetrale Fahrphysik
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Nächstes Kapitel
Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Wiederholung und Vertiefung
Fahrsimulationen
Das freie Fahrsimulationskonzept
3D-Echtzeitanwendungen
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Geschichte der FahrsimulationenVoraussetzung für FahrsimulationenDas Freie FahrsimulationskonzeptErster Einblick in die Fahrphysik Erstellen von 3D-Echtzeitanwendungen
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Nächste Woche
Animation mit SzenegraphenWas ist ein Szenegraph? Welche Arten von Szenegraphen existieren?Hierarchische Animation mit Hilfe von SzenegraphenErstellen einer exemplarischen 3D-Echtzeitanwendung mit Hilfe eines Szenegraphen
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EndeDankeDankefürfür IhrIhrInteresseInteresse!!
Tobias Breiner Tobias Breiner [email protected]@gdv.informatik.uni--frankfurt.de frankfurt.de