(4) Eingabegeräte und Modellierung(4) Eingabegeräte und Modellierung

VorlesungVorlesung„Virtuelle Realität und

A t d R lit “Augmented Reality“S. Müller

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Wiederholung: TrackingWiederholung: TrackingErfassung von Position und OrientierungGrobtracking

FeintrackingElektro-Magnetisch

Ver err ngGrobtrackingActive Badges / ReaderInfrarot Baken

• VerzerrungMechanisch UltraschallInfrarot Baken

GPSWLAN Positioning

UltraschallTrägheit

• Autonom, aber Drift(Elektr. Kompass)

Wichtiger Begriff: DOFOptischLaserH b idDegrees of freedom,

FreiheitsgradePosition und Orientierung: 6

HybridKoordinatentransformation

Position und Orientierung: 6 DOF

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Wiederholung II: optische TrackerWiederholung II: optische TrackerOut-side-in

Man verfolgt aktive oder passive Marker am Körper

UnterscheidungAktive Marker: selbstleuchtend undpassive Marker am Körper

durch extern aufgestellte Kameras

selbstleuchtend und identifizierbarPassive Marker: kabellos

In-side-outMan verfolgt aktive oder passive Marker in der

aber nur aus Geometrieanordnung identifizierbarpassive Marker in der

Umgebung durch Kameras am Körper

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Wiederholung III:Wiederholung III:VR

Typischerweise eingeschränkter

AROft ist der Aktionsradius auch eine Halle oder out-eingeschränkter

AktionsradiusDas beste Preis-/Leistungs-

auch eine Halle oder „out-door“Die präzisesten Ergebnisse

verhältnis für eine VR-Labor bieten immer noch die elektromagnetischen Tracker

liefern optische Tracker; alle anderen sind für AR untauglichg

Die beste Präzision erreicht man auf jeden Fall mit optischen Trackern mit fest

gEine wirklich gute Lösung ist noch nicht gefunden; oft arbeitet man mit in side outoptischen Trackern mit fest

montierten Kameras –allerdings zu sehr hohem P i

arbeitet man mit in-side-out und passiven MarkerExtremer Wunsch: Tracking

Preis ohne Marker

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EingabegeräteEingabegeräte

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D kt G ätDesktop-Geräte

Spacemouse:6 DOFGut für Viewpoint-Navigation, Szene/Objekte rotieren

GGamepadGetrackt und ungetrackt

Wichtiges Eingabemedium:Knopf (Button)

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3D Z i3D-Zeiger

Analogon zur 2D-Maus.“Tracker mit Buttons dran”Namen: flying mouse, flying joystick, wand (= Stab, USA), bone fly-stick etcbone, fly stick, etc...Evtl. zusätzlich mit Joystick oder Jog-DialPhysisches Objekt ergibt starkes Präsenzgefühl,

i t ll Obj ktFly-Stick, Stylus

wenn man virtuelles Objekt gegriffen hat.

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BeispieleBeispiele

VR-Kniespiegelung

Kabelsimulation

VR-Kniespiegelung

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BeispieleBeispiele

Elektromagnetischer Sensor ist innerhalb der Lampe befestigtLampe befestigt

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DatenhandschuhDatenhandschuhData Glove, CybergloveHat in der Regel einen (elektromagnetischen)(elektromagnetischen) TrackerMisst zusätzlich dieMisst zusätzlich die Winkelstellungen der Fingergelenke

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D t h d h h (d t l )Datenhandschuh (data glove)

Das erste VR-EingabegerätVerschieden viele Sensoren:

Mi 4 D 4 2 Fi 12Min. 4x Daumen + 4x2 Finger = 12Max. 4x Daumen + 4x3 Finger + 3x dazwischen + 2x Handgelenk + 3 da sc e a dge e1 Handrücken = 22

Technik:Glasfaser (nicht bewährt)Bimetallstreifen

NachteileNachteile:Niedrige GenauigkeitHandschuh (umständlichHandschuh (umständlich, Akzeptanz)Unterschiedliche Hände…

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Varianten

Pinch Glove:Kein Tracking, misst nur Kontakt zweier Finger

jeder Finger ein ButtonNur 2 getrackte Gloves sinnvoll damit rechtNur 2 getrackte Gloves sinnvoll, damit recht pfiffige Navigation und Objektmanipulation möglich:

• Greifen und Bewegen• Skalieren (Handles à la Inventor)

Virtuelle Hand nicht darstellbar

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VariantenVarianten

Powerglove:3 Finger getracktPositions-Tracking mitUltraschallP i t $100Preiswert: $100

Nachteile:Nicht robustAnwendungen, die Fingertrackingbrauchen brauchen alle Fingerbrauchen, brauchen alle Finger

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Handschuhe mit KraftrückkopplungHandschuhe mit Kraftrückkopplung

Kraftrückkopplung (Force-Feedback)

CyberForce

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Handschuhe mit KraftrückkopplungHandschuhe mit Kraftrückkopplung

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Kraftrückkopplung: TischgerätKraftrückkopplung: TischgerätPHANToMbis zu 6 Freiheitsgrade für die Bewegungs Eingabedie Bewegungs-Eingabe3 Freiheitsgrade für die KraftrückkopplungKraftrückkopplung

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Andere haptische/Kraftrück geräteAndere haptische/Kraftrück.-geräte

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FortbewegungseingabegeräteFortbewegungseingabegeräte

locomotion devices Uni Tsuukuba, JJapan

Sarcos Utah SSarcos, Utah Sarcos

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Omni Directional TreadmillOmni-Directional Treadmill

„Tretmühle“

Virtual Space Devices, Inc.U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 19 -

Bodenoberflächensimulator

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ModellierungModellierung

Dank an Bernd LutzDank an Bernd Lutz

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MotivationMotivation

Woher bekommt man Modelle für Virtuelle Welten ?Welche Voraussetzungen müssen diese Modelle gerfüllen ?Wie optimiert man diese Szenarien für VR ?pWie speichert man diese Szenarien ?

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AnforderungenAnforderungen

Echtzeitdarstellung (ca. 20-30 Frames/sec) Interaktionsmöglichkeiten gImmersionAn die Anwendung angepaßte DarstellungAn die Anwendung angepaßte DarstellungRealismus

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Beispiele für Virtuelle WeltenBeispiele für Virtuelle Welten

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Technische EinschränkungenTechnische EinschränkungenHardware

Grafikleistung• begrenzte Anzahl Polygone/s und Pixel/sbegrenzte Anzahl Polygone/s und Pixel/s• Kann nur Polygone darstellen (keine Freiformflächen)• begrenzter Texturspeicher und Texturdurchsatz• keine echten Spiegelungen• keine komplexen Schatten

RechenleistungRechenleistung• Vorbereitung für die Graphikengine (immer mehr Funktionalität

im Graphikchip)Kollisionserkennung• Kollisionserkennung

• Simulation• Animation• ...

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Grobe RichtlinienGrobe RichtlinienSo wenig Polygone, wie nötigSo viel vorab berechnen, wie möglich

Vorsicht mit Transparenzen (auch transparenten Texturen) Müssen diesemöglich

Triangulierung der Daten, zumindest nur ebene,

Texturen). Müssen diese sortiert werden, kann dies teuer werden.,

konvexe ObjekteEffiziente Hierarchisierung der Daten

Modellierung in lokalen Koordinatensystemen ermöglichen effizienteresder Daten

Schatten und BeleuchtungDetailgrad, wenn möglich,

ermöglichen effizienteres Zusammenstellen der Objekte. Detailgrad, wenn möglich,

durch Texturen und nicht durch Geometrie erzeugen.

j

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DatenquellenDatenquellen

Vorgefertigte ModelleCAD-Daten3D-ScannerAutomatisch generierte ModelleAutomatisch generierte ModelleEigene Modelle

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DatenquellenDatenquellenVorgefertigte Modelle (CD-ROM, Katalog, Internet)

+ Hohe Qualität+ Hohe Qualität+ Schnelle Möglichkeit Modelle zu

bekommenT il i t t i t+ Teilweise texturiert

- Oft recht teuer- Nicht alle Objekte vorhanden- Meist nicht für VR optimiert (Animation

oder Spiele)

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DatenquellenDatenquellenCAD-Daten

+ Meist gut strukturiert+ Können meist automatisch+ Können meist automatisch

konvertiert werden.+ Sind schon für andere Zwecke

(Planung Simulation) erstellt(Planung, Simulation) erstellt worden

- Oft FreiformflächenOft k i T t d M t i li- Oft keine Texturen oder Materialien

Vorsicht im Umgang mit Architekten!Architekten!

„Wir haben alle Daten digital“ heißt in der Regel „wir haben G d i i 2D“Grundrisse in 2D“

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DatenquellenDatenquellen3D-Scanner (Laserscanner, 3D-Kamera,…)

+ Schnelle Möglichkeit organische Formen zu erzeugenerzeugen

+ Texturen werden meist gleichzeitig generiert+ Hohe Auflösungen (bis zu 0,25 mm)

E h i l Flä h- Erzeugen sehr viele Flächen- Fehler beim Scannen (nicht reflektierende

Flächen,…)- Aufwendige Nachbearbeitung notwendig.- Große Objekte müssen aus mehreren

zusammengesetzt werdenzusammengesetzt werden

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DatenquellenDatenquellenAutomatisch generierte Modelle ( Rekonstruktion, LandschaftsgeneratorenLandschaftsgeneratoren, Baumgeneratoren, ...)

Vor-/ Nachteile sind Abhängig von der Software

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DatenquellenDatenquellenEigene Modelle (aus CAD-Programmen, 3D-Modellierprogrammen )Modellierprogrammen,...)

Großer AufwandBeste Ergebnisseg

Meistens ist dies die beste LösungProblem bei VR-Projekten, wenn es um die Nachbildung von realen historischen odervon realen, historischen oder geplanten Gegebenheit geht: die Informationsbeschaffung benötigt ca. 90% der Projektzeit.

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ModellierungModellierung

Sammeln von Datenmaterial (Pläne, Skizzen, Photos,...). Man kann nie genug haben.Vorbereitungen, PlanungErstellen der 3D-Geometrie (Modellierung,Erstellen der 3D Geometrie (Modellierung, Konvertierung,…)S f K kth it d P f üb üfSzene auf Korrektheit und Performanz überprüfen.Materialien/Texturen definieren.Nachbearbeitung (Radiosity,...).Einbinden in das VR- oder Visualisierungssystem.g yModellierung nach Storyboard, wenn möglich.

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Modellierung ProgrammeModellierung ProgrammeCAD ProgrammeModellierungsprogrammeAnimationsprogrammePhotogrametrieK tKonverterBildbearbeitungsprogramm (Vorsicht: ungenaue(Vorsicht: ungenaue, topologiefreie Daten, deren Nachbereitung in der Regel länger dauert, als eine Neumodellierung!)…

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Typische SchritteTypische Schritte

Anfang mit Grobmodell (z.B. „Schuhschachteln“ auf Stadtplan)

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VerfeinerungVerfeinerung

Detaillierung von Modellen, die signifikant, wichtig oder vom Storyboard g g g ygesehen werden können.

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RetuscheRetusche

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Modellierung TexturenErstellung von Texturen

Digitalisieren der VorlageDigitalisieren der VorlagePerspektivische KorrekturFarbkorrekturFarbkorrekturRetusche (entfernen / hinzufügen von Objekten)

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Modellierung OptimierungModellierung OptimierungEinsatz von Texturen

Texturen ermöglichen eine realistische Darstellung vonrealistische Darstellung von komplexen Objekten und Oberflächen.Weit entfernte Objekte können ganz oder teilweise durch Texturen ersetzt werden.Auflösung und Anzahl ist meist durch denmeist durch den Texturspeicher begrenzt.

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M d lli K h lModellierung Kacheltexturen

Erstellung von KacheltexturenDigitalisieren der Vorlage, Korrekturen.Verschieben des Texturbildes.Entfernen der Kanten.Entfernen auffälliger Objekte und Bildteile.

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Modellierung StrukturModellierung StrukturHierarchie definiert meist den SzenengraphenObjekte sollten sinnvolleObjekte sollten sinnvolle Namen haben.Szenen müssen hierarchischSzenen müssen hierarchisch gegliedert sein.

Wichtig für “Culling/ Portale/ LOD”.Erleichtert das Arbeiten.Wird für die InteraktionWird für die Interaktion benötigt.

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Modellierung OptimierungModellierung OptimierungEinsatz von “Portalen”

Beim Eintreten in gewisse Raumbereiche werden TeilszenenRaumbereiche werden Teilszenen ein- oder ausgeschaltet, oder Aktionen gestartet.Die dazu benötigten Schalter (Portale) müssen modelliert werden.

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Modellierung OptimierungModellierung OptimierungEinsatz von “Level of Detail”

Weit entfernte Objekte können durch einfachere Geometriendurch einfachere Geometrien oder Texturen ersetzt werden, da Details nicht mehr erkannt

dwerden.Das System schaltet automatisch, abhängig von der g gEntfernung, umDas Umschalten sollte nicht sichtbar sein (Einstellung dersichtbar sein (Einstellung der LOD-Parameter).

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Optimale DatenstrukturOptimale Datenstruktur

Progressive MeshesHugues Hoppe: Progressive Meshes, SIGGRAPH 96g pp g

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Modellierung StrukturModellierung StrukturObjekte müssen korrekt sein

Alle Normalen müssen in die richtige Richtung zeigen.richtige Richtung zeigen. Es darf keine Flächen mit Löchern geben.Doppelte oder eng beieinanderDoppelte oder eng beieinander liegende Flächen dürfen nicht auftreten. (Problem der Z-Buffer Auflösung)Auflösung)Es darf keine ungewollten Löcher oder Spalten geben (wichtig für z Bgeben.(wichtig für z.B. Radiosity)

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Modellierung OptimierungModellierung Optimierung“Smoothing” ausnutzen (Gouraud-/Phong-Shading)

Durch die Interpolation vonDurch die Interpolation von Eckpunktfarben oder Flächennormalen können

d Obj kt d h irunde Objekte durch wenige Polygone angenähert werden.Ist nicht bei allen s c be a eObjekten/Kanten sinnvoll.Silhouette sieht immer kantig ausaus.

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Modellierung TexturenModellierung TexturenTexturen mit Alphakanal

Transparente Texturen ermöglichen es komplexeermöglichen es komplexe Umrisse durch wenige Polygone an zu nähern.Fenster, Löcher und ähnliches lassen sich einfach erzeugen.g

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Modellierung: BillboardsModellierung: BillboardsEin flaches Polygon wird beim Rendern automatisch dem Betrachter zugewandtdem Betrachter zugewandt.Eignet sich sehr gut für rotationssymmetrische yObjekt, oder Laternen, Bäume

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Modellierung ShaderModellierung Shader

Einsatz von Pixel- und Vertexshadern, High Order Primitives, ...

Ermöglichen Spezialeffekt und realistische DarstellungNur eingeschränkt einsetzbar, da stark Hardware abhängig.Meist keine Editoren vorhanden

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SzeneneditorSzeneneditorOft braucht man ein (meist eigens entwickelten) SzeneneditorSzeneneditor

KonverterObjekteditor: Selektion von jObjektenHierarchieeditor: Definition der Hierarchie und derder Hierarchie und der entsprechenden Parameter (z.B. LOD)Materialeditor: Definition von AttributenEtcEtc.

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Schwierig: TerrainSchwierig: Terrain

Von oben sehen die Daten meist gut aus.

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MittelrheintalMittelrheintalVision: detailliertes Modell des MittelrheintalsKooperation mitKooperation mit Landesvermessungsamt

Digitales GeländemodellDigitales Geländemodell (DGM) 10m, Höhe 50cm, 260MBDi it l O th hiDigitale Orthographien (DOP) 25cm pro Pixel, 19 GBDigitales Landschaftsmodell (DLM), ATKIS-Basis DLM (Amtliches Topographisch-(Amtliches TopographischKartographische Informationssystem)

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MittelrheintalMittelrheintal

LoreleyLoreley

Deutsches EckU N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 56 -

Deutsches Eck

ATKIS Basis DLMATKIS-Basis-DLM

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EhrenbreitsteinEhrenbreitstein

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EhrenbreitsteinEhrenbreitstein

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DetailmodelleDetailmodelle

Vision: VR Wiki (R Trappe)

G bä d B

Vision: VR-Wiki (R. Trappe)Alle erstellen ein globales 3D-Modell der Welt

Gebäude BDie Daten beinhalten alle Informationen, die für das Tracking nötig sindTracking nötig sind.

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ModellierungA bi d d VR S t /I t ktiAnbindung an das VR-System /Interaktion

Schattenberechnung mit Radiosity, Texture-bakingAnbindung an verschiedene Ein-/Ausgabegeräteg g gBestimmen des ObjektverhaltensEinstellen von Benutzergröße StereoparameternEinstellen von Benutzergröße, Stereoparametern,…

Üb üf d S (K kth it P fÜberprüfen der Szene (Korrektheit, Performanz, Qualität)

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3D Datenformate3D-Datenformate

Es gibt viele Unterschiedliche 3D-Datenformate, mit hi dli h Mö li hk i /Ei h ä kunterschiedlichen Möglichkeiten/Einschränkungen.

Fast jedes Programm (Animation/ Rendering/ CAD/ ...) hat sein eigenes Datenformat. Es gibt eigentlich keinen StandardEs gibt eigentlich keinen Standard.Die Konvertierung zwischen diesen Formaten ist meist

h f di d l tb h ft tsehr aufwendig und verlustbehaftet.

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3D-Datenformate

Verschiedene Datenformate haben unterschiedliche MöglichkeitenKonverter muss vorhanden sein oder erstellt werdenBeim Konvertieren gehen Eigenschaften verloren oder es entstehen FehlerKonvertierung oft nur in eine Richtung

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3D Datenformate3D-DatenformateDXF

Kommt aus dem CAD-Bereich (AutoCAD)FHSFHS

Fraunhofer-StandardVRMLVRML

Kommt aus dem InternetbereichWeb 3DWeb 3D

Etabliert sich langsam

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3D Datenformate3D-Datenformate999DXF format file created by form*Z v 2.7.6

DXF AutoCAD

Format ASCIISinn/Zweck Austauschformat für CAD-

y999(c) 1989-1995 auto*des*sys, Inc. 0

SECTIONS / wecProgramme

Unterstützt Linie, 3D-Linie, Punkte, Kreise,Kreisbögen, Flächen, 3D-Flächen,

Polylinien Viewport Text

2HEADER9

$ANGBASE50Polylinien, Viewport, Text,

Ebenen (Layer), SplinesBemerkung Quasistandart zum Austausch von

CAD-Daten.Die meisten Programme können

500.0000009

$ANGDIR70Die meisten Programme können

DXF lesen und schreiben, abernicht alle unterstützen alle

Möglichkeiten.

700

9$AUNITS70

29

$AUPREC70

09

$AXISMODE70

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3D Datenformate3D-DatenformateS F h f I i

/* FHS-File written by Genesis 2 */MODEL root_2

FHS Fraunhofer Institut

Format ASCII/BinärSinn/Zweck 3D-Austauschformat für

h f i

/* Light Sources */ENVIRONMENT Env { AMBIENT (0.16000, 0.18000, 0.17000)

BACKGROUND (0.70000, 0.70000, 0.90000) }

OBJECTX "up 0 1 0"Fraunhofer InstituteUnterstützt Hierarchie, Level of Detail,

Polygonale Objekte, nicht-polygonale Objekte,

OBJECTX "up 0 1 0"

LIGHT Point_Light{POINTLIGHT(10, 200, 100, 0.5, 0.5, 0.5 ) }/* Surfaces */DEFMAT M5po ygo a e Obje te,

Oberflächenbeschreibung,Transformationen (Translation,

Skalierung, Rotation,Transformationsmatrizen)

DEFMAT M5 {

COLOR (0.0675000, 0.250000, 0.0675000)DIFFUSE 1.00000SPECULAR 0.00000Transformationsmatrizen),

Bounding Box, Kugel, Polygon,Dreieck, Linien, Extrude,

Revolute, Kegel, Zylinder, Box,P t h M t i l (F b diff

SHININESS 20.0000

}/* Objects */

Patch, Material (Farbe, diffus,specular, ambient, emmission,Transparenz, Textur), Licht

(Punkt, Spot, lokal/direkt, ambient,

GEOMETRY layer_1{ USEMAT M5POLYGON{Hintergrund)

Bemerkung Wurde im Hinblick auf VRentwickelt.

{P= (-13.34, -458.00, -8.76 ) N= (-0.40, 3.97, 0.91)P= (-13.34, -458.56, -9.32 ) N= (-0.29, -0.83, 0.46)P= (-13.88, -458.00, -9.32 ) N= (-0.77, -3.77, 0.62)

}

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}

3D Datenformate3D-Datenformate#VRML V1 0 iiVRML

Format ASCIISinn/Zweck Beschreibung von VR-Welten mit Möglich-

k it I t kti ( b VRML 2 0) D

#VRML V1.0 ascii#Creator formZ v 2.9.1DEF Cameras Switch {

whichChild 0DEF activeview OrthographicCamera {Sinn/Zweck keit zur Interaktion (ab VRML 2.0). Das

Format ist für den Einsatz im WWW(Internet) entwickelt worden.

Unterstützt Hyperlinks (ins WWW), Objekthierarchie,Instanziierung, Vektor (2D, 3D), Text, Ke-

l Z li d Wü f l K l T t

DEF activeview OrthographicCamera {position 11.9078 -20.6248 13.7499orientation -0.881412 -0.236174 -0.409065 -1.1598focalDistance 27.4998height 37.2873

gel, Zylinder, Würfel, Kugel, Textur-Koordinaten, Textur-Map, Normalen-Vektor

Licht (Richtung, Punkt, Spotlight),(perspektivische und parallele Projektion),

Transformation (Rotation, Skalierung,T l ti M t i ) L l f D t il M t i l

g}

}DEF Color_1 Material {

ambientColor 0.5 0.5 0.5Translation, Matrix), Level of Detail, Material(Farbe ambient, diffus, spiegelnd, leuchtend,

transparent)Bemerkung VRML ist Plattformunabhängig und erwei-

terbar. VRML 1.0 besteht aus einer Unter-d IV F SGI i

diffuseColor 0.38147 0.305176 0.762939transparency 0

}DEF object_1 Separator {

DEF object 1 Separator {menge des IV-Formats von SGI, erweitertmit neuen Elementen für den müssen nichtdirekt in der VRML-Datei definiert werden,sondern können auch über separate Dateien(die sich irgendwo im WWW befinden) ein-

b d d

DEF object_1 Separator {Coordinate3 {

point [-2.81377 3.14639 0,

2.79287 3.14639 0,gebunden werden. 2.79287 3.14639 0, 2.79287 -1.28138 0,

2.81377 -1.28138 0, 2.81377 3.14639 3.04801, 2.79287 3.14639 3.04801,

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2.79287 -1.28138 3.04801,