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Diplomarbeit Java3D Sonnensystem Simulator Berner Fachhochschule, HTA-Biel/Bienne Oktober – Dezember 2000 Diplomanden Marcel Portner & Bernhard Hari Seite 1 Bedienungsanleitung zum J3D Solar System Simulator Programm

User Manual

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Bedienungsanleitung zum

J3D Solar System Simulator

Programm

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1. Inhaltsverzeichnis 1. INHALTSVERZEICHNIS 2

2. WAS IST DER J3D SOLAR SYSTEM SIMULATOR 3

3. VOR DEM START 4

3.1 Systemanforderungen 4 3.2 Installation 4

4. DER SIMULATOR 5

4.1 Bedienung des Simulator 5 4.2 Bedienung des MenuBar 6 4.3 Bedienung der Kamera 7 4.4 Bedienung des Space Shuttle 8 4.5 Weiter nützliche Tastekombinationen 8 4.6 Das benützen des Picking 8 4.7 Das verändern der Animationsgeschwindigkeit 9

5. WICHTIGE ANGABEN ZUM SIMULATOR 11

5.1 Himmelskörper Darstellung 11 5.2 Animationsgeschwindigkeitsgrösse 11 5.3 Neigungen und Texturen der Planeten 11

6. DIE ANSICHT MIT DER 3D BRILLE 12

7. HINZUFÜGEN VON NEUEN KOMETEN ODER MONDEN 12

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2. Was ist der J3D Solar System Simulator Der J3D Solar System Simulator ist ein Java3D-Programm, welches eine virtuelle dreidimensionale animierte Darstellung des Sonnensystems simuliert. Diese virtuelle animierte Darstellung besteht aus der Sonne, allen Planeten mit ihren Satelliten (Monde) und die bekanntesten periodischen Kometen. Die Umlaufbahn der Planeten ist nach dem Kepler Gesetzt berechnet und durch farbige Ellipsen dargestellt. Man kann zusätzlich die Konstellation des Sonnensystem ab einem bestimmten Datum simulieren und sich dann im Sonnensystem herum navigieren. Wenn der Programmbenützer eine 3D-Schutterbrille besitzt, kann er auch das Sonnensystem in 3D betrachten. "J3D - Solar System Simulator" ist komplett in Java geschrieben und läuft somit auf allen Plattformen die Java2, Java3D und JAXP (XML Parser) unterstützen.

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3. Vor dem Start

3.1 Systemanforderungen •= JDK1.3, Java3D1.2 und JAXP müssen installiert sein. •= Eine sehr schnelle Maschine braucht es für eine flüssige Animation. (z.B.

Ultra10 oder Pentium III) •= Und genügend Speicher muss auch in der Maschine sein. Der Simulator

alleine braucht schon um die 150 MBytes mit den Texturen.

3.2 Installation Wenn auf dem Computer JDK1.3, Java3D1.2 und der XML Parser (JAXP) von Sun installiert ist, kann der Simulator ohne Probleme gestartet werden. Man kann den Simulator von der CD-ROM aus starten oder man kopiert den ganzen Inhalt auf die Hard Disk. Eine weitere Möglichkeit besteht darin auf unsere J3D Solar System Simulator Homepage zu gehen und von dort das Programm herunter zu laden. Man muss nur die Zip-Datei entpacken und kann dann mit der start.bat das Programm zum laufen bringen. Für das kompilieren des Source Code gibt es das compile.bat Skript File. Um aus dem Source Code noch eine Java Dokumentation zu erstellen, gibt es auch dafür ein Skript mit dem Namen createdoc.bat.

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4. Der Simulator

4.1 Bedienung des Simulator Wenn man den J3D Solar System Simulator gestartet hat, erscheint ein erstes Dialog Fenster mit der Aufforderung eine frei wählbare XML Konfigurations Datei zu laden.

In dieser Datei sind alle Einstellungen vordefiniert. Wenn der Open Button betätigt wird, offnet sich ein neues Dialog Fenster.

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In der StartBox hat man nun die Möglichkeit alle vordefinierten Einstellungen aus dem XML File für diese Simulation zu ändern. Man kann die Folgenden Punkte verändern und auswählen. •= Das Startdatum der Animation 1. Januar 2000 um 12:00:00 Uhrzeit •= Die Animationsgeschwindigkeit 1 s Animation zum Verhältnis der Erdzeit •= Die Berechnungsmethode Kepler / Ellipse / Analytisch •= Komprimierte Darstellung wahr oder falsch •= 3D-Brille wahr oder falsch •= Joystick wahr oder falsch •= Ansicht des Himmelskörper Default oder irgendein Planet plus den

Mond •= Ansicht auf Himmelskörper wahr oder falsch •= Zur Sonne

Sichtbarkeit wahr oder falsch Koordinaten wahr oder falsch

•= Zu allen Planeten, Monden und Kometen Sichtbarkeit wahr oder falsch Koordinaten wahr oder falsch Umlaufbahn wahr oder falsch Umlaufbahn Farbe irgendeine Farbe

•= Zum Space Shuttle Sichtbarkeit wahr oder falsch

Sobald der Start Button gedrückt wird, lädt es die ganze Animation. Dies dauert einen Moment. Ein Loading Window gibt Auskunft über den Ladevorgang. Danach erscheint der J3D Solar System Simulator. Er besteht aus zwei Fenstern (JFrame). Das grosse Fenster ist für die Simulation des Sonnensystems zuständig und das kleinere Fenster ist für die Information und das Bedienen der Simulation verantwortlich. Mit einer Ausnahme, das Navigieren mit der Kamera erfolgt im Simulator Fenster mit der Tastatur.

4.2 Bedienung des MenuBar Der MenuBar ist wie schon erwähnt im Infobox Fenster. Dort hat es die folgenden Menu-Punkte:

•= File •= Animate •= View •= Help

Im Menu File hat es zur Zeit nur einen Punkt:

•= Es ist der Menu-Punkt Exit. Wie der Name schon sagt kann das Programm hier beendet werden. Weitere Möglichkeiten stehen wie gewohnt - bei der Fenstertechnik - links oben zur Verfügung.

Der zweite Menu-Punkt Animate hat schon mehr Auswahlmöglichkeiten: •= Zum einen wäre da der Menu-Punkt Go. Bei diesem Punkt kann man die

Animation gestartet werden. •= Ein weiterer Menu-Punkt heisst Stop all. Bei diesem Punkt hält die Animation

an. Kann von Vorteil sein, wenn man einen Planeten genauer betrachten will.

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•= Und der letzte Menu-Punkt ist der Rotate only. Bei diesem Punkt hält man nur die Bewegung der Planeten um die Sonne an, aber die Rotation um die eigene Achse läuft immer noch.

Da gibt es noch den Menu-Punkt View: •= Der Menu-Punkt Init position ist einer der wichtigsten Punkte. Wenn man

sich beim Navigieren verfahren hat, kann man bei diesem Punkt die Ausgangsposition wieder herstellen.

•= Der Menu-Punkt Navigation zeigt in der Animationsszene rechts ein neues Panel an. In diesem Panel kann das Datum neu gesetzt werden und die ganze Szene wird neu berechnet.

•= Der Menu-Punkt Initialization zeigt das gleiche Fenster an, wie bei der StartBox am Anfang. Man hat nun die Möglichkeit während der Laufzeit Veränderungen vorzunehmen.

•= Der Menu-Punkt Background ist nicht zu empfehlen. Bei diesem Punkt kann man ein Hintergrund Bild anzeigen lassen. Nur wird dann die Performance der Animation sehr langsam.

•= Der Menu-Punkt Orbit entfernt alle Umlaufbahnen in der Animationsszene. •= Der Menu-Punkt Coordinate entfernt alle Koordinaten in der

Animationsszene. •= Der Menu-Punkt Object Positions zeigt die berechneten Positionen der

Planeten an. •= Der Menu-Punkt Object Information zeigt die Informationen der Planeten

an. Der letzte Menu-Punkt heisst wie so oft Help:

•= Zur Zeit haben wir nur ein About implementiert. Dort erhält der User eine Auskunft über das Abstract der Diplomarbeit.

4.3 Bedienung der Kamera Die Kamera kann im Simulator Fenster verschoben werden. Wir haben die Navigation bewusst mit der Tastatur realisiert, da es zum positionieren einfacher ist als mit der Mouse. Ein weiterer Punkt ist, dass wir für das Picking der Planeten die Mouse gebraucht haben. Das überladen der Mouse macht die Bedienung nur noch komplizierter. Damit das Navigieren funktioniert, muss das Simulator Fenster zuerst einmal aktiviert werden (mit der Mouse darauf klicken). Danach kann man mit den Pfeiltasten die Kamera nach oben, unten, rechts und links bewegen. Man muss sich das wie beim Filmen mit einer Filmkamera vorstellen. Weiter ist es möglich mit den PageUp und PageDown Tasten zu Zoomen. PageUp ist für das heran zoomen- und PageDown für das weg zoomen zuständig. Für die Bewegungsgeschwindigkeit sind die Funktionstasten F1 bis F4 zuständig. Mit den Funktionstasten wird der Stepfaktor ausgewählt. Wobei F1 pro Tastendruck mit den Pfeiltasten einer Verschiebung von 1 Zentimeter und mit F4 einer Verschiebung von 10 Meter entspricht. Wenn die Space Taste betätigt wird, kann man mit den Pfeiltasten und der PageUp und PageDown Taste auch Rotationen vollbringen. Man kann sich das so vorstellen, wie wenn sich eine Person in diesem Universum befindet und mit dem Kopf sich bewegt. Wenn der User sich mal verfahren hat, kann er immer noch mit der Taste Home

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oder im MenuBar unter dem Punkt View -> Init Position den Ausgangszustand herstellen.

4.4 Bedienung des Space Shuttle In unserem Simulator haben wir noch ein Space Shuttle hinzugefügt. Dieses Space Shuttle wird über die Tastatur (NumPad) gesteuet. Mit den Tasten 4 und 6 rotiert das Space Shuttle und mit den Tasten 8 und 2 wird die Nase des Shuttle gesenkt und gehoben. Die Tasten 7 und 1 sind für die Geschwindigkeit des Shuttle zuständig. Wenn man das Shuttle anhalten will, drückt der Benutzer nur die Taste 0 und das Space Shuttle steht still. Und wenn man sich einmal verflogen hat, wird durch das Drücken der Home Taste der ausgangszustand wieder hergestellt.

4.5 Weiter nützliche Tastenkombinationen Mit der Taste p wird ein Bild von der dargestellten Animation als JPEG im Start Verzeichnis vom Programm abgespeichert. Um Fehler im Bild zu vermeiden, muss das Animationsfenster vorher noch auf die volle Grösse gesetzt werden. Mit der Taste s wird die Animation gestoppt. Um die Animation wieder zum laufen zu bringen, wird die Taste g für Go gedrückt und die Himmelskörper bewegen sich wieder.

4.6 Das benützen des Picking Wir haben noch das Picking implementiert. Darunter ist zu verstehen, dass mit der rechten Mousetaste auf einen Planeten, Mond, Komet oder Sonne geklickt wird und danach die Information im Infobox Fenster angezeigt wird. Diese Informationen zu den Himmelskörpern sind als XML Files abgespeichert und werden zur Darstellung der Animation verwendet.

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4.7 Das verändern der Animationsgeschwindigkeit Die Animationsgeschwindigkeit unter den Planeten stimmt überein. Wir haben die Daten von der NASA - Homepage geholt. Ausgehend von der Erde werden die anderen Planeten beschrieben. Somit dauert ein Tag auf der Erde eben einen Tag und auf dem Jupiter nur ein bisschen mehr als ein halber Tag. Dafür ist die Umlaufbahn um die Sonne bei der Erde mit 365.242190 Tagen wesentlich kürzer als auf dem Jupiter mit über 4000 Tagen. Die Animationsgeschwindigkeit kann mit dem Slider verstellt werden. Die folgenden Möglichkeiten sind gegeben:

•= Tag von 1 bis 10 •= Stunde von 1 bis 24 •= Minuten von 1 bis 60

Diese Angaben beziehen sich immer auf die Erde. Dies bedeutet zum Beispiel wenn beim Slider 1 Stunde eingestellt wird, dass eine Animationssekunde in Wirklichkeit eine Stunde dauert. Diese Änderungen bewirken sich auf die Rotationsgeschwindigkeit um die eigne Achse so wie auf die Rotationsgeschwindigkeit um die Sonne aus. Das Animationsverhältnis zueinander ist immer gewährt.

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5. Wichtige Angaben zum Simulator

5.1 Himmelskörper Darstellung Bei der Darstellung gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten. Eine komprimierte und eine reale Darstellung. Bei der komprimierten Darstellung wurde geschaut, dass man das ganze Universum auf einmal betrachten kann. Zu diesem Zweck wurde die Grösse der Himmelskörper und die Abstände zueinander logarithmisch gewählt. Bei der realen Darstellung wird der Abstand und die Grösse in Kilometer genommen. Danach wird das Ganze noch durch 10'000 dividiert und so dargestellt. Bei dieser Darstellung stimmen alle Verhältnisfaktoren wie im richtigen Sonnensystem.

5.2 Animationsgeschwindigkeitsgrösse Wie im Kapitel 4.7 schon erwähnt, stimmt die Rotationsgeschwindigkeit um die eigene Achse so wie die Rotationsgeschwindigkeit um die Sonne der Himmelskörper genau überein.

5.3 Neigungen und Texturen der Planeten Um die Simulation so echt wie möglich zu machen, haben wir auch die Neigung jedes Planeten mit der Pol Achse sowie der Neigung der Umlaufbahn zur Sonne berücksichtigt und auch die Rotationsrichtung stimmt bei jedem Planeten. Für die Texturen mussten wir etliche Stunden im Internet suchen bis wir die richtige Seiten gefunden haben. Die Textur ist so ausgelegt, dass sie genau richtig auf eine Kugel projiziert werden kann. Dass heisst, die Nord- und Südpole sind so verzerrt wie sie sein müssen. Für die Textur Projektion haben wir die MIPMap Technik verwendet. Dass heisst, wir haben mehrere Texturen für den gleichen Planeten aber in verschiedenen Grössen. Diese Technik macht die Animation auch ein bisschen schneller, da nicht immer die Textur mit der höchsten Auflösung gebraucht wird.

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6. Die Ansicht mit der 3D Brille Um in den Genuss einer 3D-Ansicht zu kommen, muss die NuVision 60GX Box an den Computer angeschlossen werden. Danach ist es wichtig dass die Auflösung auf 1280 x 1024 eingestellt wird. Da die zwei Canvas3D, die gezeichnet werden, mit der NuVision 60GX Box übereinander gelegt werden (dies geschieht mit einer Frequenz verdoppelung von den beiden Halbbilder), muss bei der Graphikkarte auch noch die Herz Zahl angepasst werden. Mit 60 Hz hatten wir das einzig mögliche Ergebnis gehabt. Der Startvorgang mit der 3D-Brille: In der StartBox muss man den glasses3d Punkt auf true setzen. Danach wird wie gewohnt die Animation gestartet. Der Unterschied liegt darin, dass nun zwei Canvas3D angzeigt werden und die Animation auf dem ganzen Bildschirm ist (nicht verkleinerbar). Da man nur die Animation sehen kann, wurde die InfoBox weggelassen. Jetzt kommt die kleine Box zum zug. Durch sie wird aus den zwei Canvas einer gemacht und dank der 3D-Brille kommt man in den Genuss eines „tiefen“ Gefühls.

7. Hinzufügen von neuen Kometen oder Monden Der J3D Solar System Simulator ist so aufgebaut, dass es zum kreieren von neuen Kometen und Monden kein Source Code geschrieben werden muss und es keine neukompilierung braucht. Das Einzige was getan werden muss, ist im Konfigurations XML File eine neue Zeile einzufügen und im classes\xml Verzeichnis ein neues XML File zu erstellen mit den richtigen Daten. Dazu lädt man sich am Besten ein vorhandenes XML File in den Editor und ändert die Wert mit den Daten ab bevor man es unter einem neuen Namen abspeichert. Die genaue Beschreibung der XML Files ist im Analyse und Design Dokument erklärt.