Konzeptioneller Vergleich von VRML,

Java3D und OpenGL hinsichtlich

ihrer Eignung zur Erstellung von

Animationen

vonChristian Stein

Übersicht

• Motivation / Grundlagen: Was ist OpenGL, Java3D und VRML? (incl. Beispiele)

• Wie sind die Animationsmodelle aufgebaut?• Wo sind Unterschiede zwischen den

Animations-Konzepten• Das Resultat

Motivation• Historische Entwicklung:

– Früher: 3D-Bild (starr/statisch)

– Heute: Virtuelle-Realität (VR):• permanente Abbild-Erstellung, Interaktion und Dynamik der

3D-Objekte Animationen notwendig

• Hoher Aufwand für 3D-Bild-Berechnung Minimierung der Neuberechnungen notwendigGesucht: Ein Modell, daß Animationen effektiv realisiert

• Zwei Arten von Animation:– Navigation / Interaktion

– Dynamik der 3D-Objekte

Was ist OpenGL, Java3D und VRML?

• Alle drei sind plattformübergreifende Schnittstellen

• OpenGL (Graphics Library): – Low-Level-API

– es werden einzelne Abbilder von 3D-Szenen erstellt (CAD-Bereich)

• Java3D: – 'Low-Level'-API, Neu (Final-Release vor 2 Tagen)

– Zur Erstellung von 'Virtueller Realität' (VR) geeignet (es werden mehrere Abbilder hintereinander erstellt)

• VRML (Virtual Reality Modeling Language): – High-Level-'API', WWW-Bereich

– VR möglich

Beispiele für OpenGL,

Java3D und VRML

OpenGL

void CCubeView::DrawScene(void) { glTranslatef(0.0f, 0.0f, -m_fRadius); glRotatef(wAngleZ, 0.0f, 0.0f, 1.0f); wAngleZ += 5.0f; glBegin(GL_QUADS); glColor3f(1.0f, 0.0f, 1.0f); glVertex3f(-0.5f, 0.5f, 0.5f); glVertex3f(-0.5f, -0.5f, 0.5f); glVertex3f(0.5f, 0.5f, 0.5f); glVertex3f(0.5f, -0.5f, 0.5f); glEnd(); glFinish(); SwapBuffers(wglGetCurrentDC());}

Java3Dpublic BranchGroup createSceneGraph() { BranchGroup objRoot = new BranchGroup(); TransformGroup objTrans = new TransformGroup(); objRoot.addChild(objTrans); objTrans.addChild(new ColorCube(0.4)); objRoot.compile(); return objRoot;}

L

ZG

TV

Aussehen

SichtSP3D

ZG

T

VirtuellUniversum-Objekt

Lokales-Objekt

ZweigGruppen-Objekt

TransformationsGruppen- Objekt

3D-Objekt

Verhaltens-Objekt

Programmierer Code und Daten

Geometrie Andere Objekte

C

SichtPlattform

VU

VRML#VRML V2.0 utf8 Transform{ children [ Shape { geometry Sphere { } appearance Appearance { material Material { diffuseColor 0.8 0 0 } } } ] }

Das 'Animationsmodell' von

OpenGL

OpenGL

• Alle Zwischendaten werden nach der Rastererung vergessen (Hauptaufwand der Berechnung ist davor )

• Noch Operationen auf Pixelebene möglich, aber unhandlich

Raster-Daten Framepuffer

Pixel Operationen

3D-Scene- Daten

Programmierer

Farbe / Licht und Triangulation

Das Animationsmodell von

VRML

VRML

• Sensoren erzeugen Ereignisse• Alle empfangen und senden, bzw. senden weiter• Interpolatoren und Scripte berechnen neue Werte

Sensoren Script-Knoten Interpolatoren

ROUTE

andere Knoten (i.d.R. geo. Objekte)

Beginnt

Nur 'durchreichen'Normal (alles erlaubt)

Route-Mechanismus (VRML)

ROUTE QuellKnoten.QuellVariable TO ZielKnoten.ZielVariable

• mehrere Verbindungen zu einer Variable• mehrere Verbindungen von einer Variable• Endlosschleifen nicht möglich, da pro Nachrichtenkette

eine Variable nur einmal eine Nachricht senden kann

Sensoren und Interpolatoren (VRML)

• Sensoren ändern ihre Variablen anhand von Benutzereingaben oder Zeit

• Interpolatoren rechnen 'Zeit'-Werte in andere um, z.B. Translationen, Rotationen

• Interpolator-'Zeit'-Werte sind im [0,1] Intervall

• Interpolatoren können Teilintervalle unterschiedlich linear Interpolieren, z.B.[0,0.5,1] [500, 600, 800]

Script-Knoten - Struktur (VRML)

Script

{

# Interface-Teil = Variablen

# Script-Teil = Funktion die ausgeführt werden

}

VRML-Browser Aufbau

VRML Datei

VRML-Browser

Parser

Welt

Audiovisuelle Darstellung

PROTOs

Integrierte Knoten

Transformationshierachie

ROUTE-Graph

Execution- Engine

Benutzer

Benutzer Eingaben

Das Animationsmodell von Java3D

Java3D

EingabegerätAuswahl

Interpolator*Aktivierungs-

funktion

Verhalten*geo.

Objekt

auslösend direkt verbunden

Scheduler

Klasse

AWT

Zeit

Sicht

Sensor

aufrufend benutzt

* hat Zugriff auf alle Objekte

Der Scheduler (Java3D)

• Bekommt von 'Verhalten'-Objekten (also auch von Interpolatoren) gesagt bei welchen Ereignissen sie aufgerufen werden sollen. Es wird zusätzlich eine Scheduleregion angegeben (Optimierung durch culling).

• Strukturen: – volume/scheduling tree (Scheduleregionen)– and/or tree (Ereigniskombination)

Interpolatoren (Java3D)• Interpolatoren sind Klassen, die anhand von

einer Aktivierungsfunktion Eigenschaften oder die Position von geometrische Objekte verändern.

• Die Aktivierungsfunktion bildet Zeitwerte in 4 Phasen in Werte zwischen 0 und 1 ab:Aufstieg, 1, Abstieg und 0.Die Steigung muß nicht konstant sein.

Konstant in der Mitte eine stärkere Steigung

Verhalten-Klasse (Java3D)public class bspBehavior extends Behavior

{

// Variablendeklaration

public bspBehavior(Parameter p) { // Variablen initialisieren }

public void initialize() { wakeupOn(wakeupKriterium); }

public void processStimulus(Enumeration criteria)

{

// Die Handlung

wakeupOn(wakeupKriterium);

}

}

Unterschiede der

Animations-Konzepte von

Java3D und VRML

Verhaltens-Klasse vs. Script-Knoten

• Java3D: Eingebettet vs. VRML: Schnittstelle (d.h. bei VRML, Kommunikation zwischen zwei Threads)

• VRML-Script-Knoten: nur Werte-Berechnung, kein AWT (oder nur mit Tricks)

Java3D besser, da sie in eine Programmier- sprache eingebettet ist

Ereignisse / Sensoren

• VRML: Sensoren sind fertige Werkzeuge Wenig Programmieraufwand

• Java3D: Nur Benachrichtigung Mehr Möglichkeiten

• Ähnliches Angebot an Interaktionsmöglichkeiten(Es fehlt in Java3D der Sichtbarkeit-Sensor)

Scheduleregionen und Bounding-Boxes

• Java3D: Scheduleregionen sind notwendig Optimierung wird 'aufgezwungen'

• VRML: – Bounding-Boxes können angegeben werden – Sie existieren nicht für alle Knoten

(dezentrale Regelung) Dieses Feature wird häufig übersehen

Scheduler vs. Route

• Kein direkter Vergleich möglich, da die Mechanismen unterschiedliche Aufgaben haben:– Scheduler: 'Nur' Ereignisse werden weitergegeben– Route:

• Variablen werden weitergegeben, es entsteht eine Nachrichtenkette

• Eine Variablen-Weitergabe kann auch Ereignis sein

Interpolatoren

• Ähnliches Angebot bei beiden Schnittstellen

• Java3D: Aktivierungsfunktion

Mehr Möglichkeiten (z.B. Pendelbewegung)

VRML-Browser in Java3D

Es zeigt sich, daß einer Realisierung nichts im Wege steht und daß die Programmier-ung einfacher in Java3D ist als (direkt) in OpenGL.

Resultat des Animationsmodell-Vergleichs• Java3D:

+ Verhaltensklassen:+können vererbt werden (Java ist OO)+Einbettung in Programmiersprache

+ Zentrale Konzepte (Scheduler)± Nicht ganz so einfach zu benutzen, dafür für alles geeignet

• VRML:+ Umfassende Sensoren± Einfach zu benutzen, aber nicht für jeden Gebrauch- Schlechte Anbindung an Programmiersprachen- Nicht alle Konzepte sind zentral

• OpenGL: - keine Animations-Mechanismen