Java3D TM und Direct3D® Florian Heidinger Gegenüberstellung von Direct3D und Java3D am praktischen...
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®Florian Heidinger
Gegenüberstellung von Direct3D und Java3D
am praktischen Beispiel
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®Florian Heidinger
Treffen der Generationen
90er Jahre
3D-API der
4. Generation
Dir
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D, O
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GL
Java3D
1997
Florian Heidinger
3D-APIs der
3. Generation
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®Florian Heidinger
Kein altes Eisen: die 3. Generation
Direct3D
Entwickelt durch Microsoft als Bestandteil von DirectX
Lauffähig nur unter Windows-Betriebssystemen
Low-Level-API
Hardware-transparenz (aus Sicht des Anwendungs-entwicklers)
Programmiersprachen:
C/C++, MS Java, VisualBasic
COM-Objekte und Schnittstellen
Hardwarebe-schleunigung und Emulation
Vorwiegend prozeduraler Programmaufbau
Laufzeitumgebung ist Bestandteil des Betriebsyst.
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®Florian Heidinger
Ein neuer Stern am Graphik-Himmel
Java3D
Entwickelt durch Unternehmens-allianz (Sun, Intel, IBM, Apple)
„Write Once, Run Anywhere“-Paradigma
High-Level-API
Programmier-sprachen:
Java
Java-Pakete (Packages) und Laufzeitbibliothek
Nutzung einer Low-Level-API zur Durchführung der Zeichenaufträge
objektorientierter API- und Szenenaufbau Szenengraph
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®Florian Heidinger
Die Architektur verbindet
Hardware und Hardware-TreiberHardware und Hardware-Treiber
Direct3D APIDirect3D API
Direct3D-AnwendungDirect3D-Anwendung
OpenGLOpenGL
Java Virtual MachineJava Virtual Machine
Java3D-AnwendungJava3D-Anwendung
Java3D APIJava3D API
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®Florian Heidinger
Schritte zum Erfolg in Java3D
1. Fenster und Canvas3D-Objekt erzeugen Darstellungsfläche schaffen und Zeichengerät auswählen bzw. initialisieren
2. Ansichtsgraph erzeugen (SimpleUniverse) Positionierung und Ausrichtung des Betrachters
3. Inhaltsgraph erzeugen Definition des Szeneninhaltes
4. Kompilieren der Teilgraphen Interne optimale Form der Szene bilden
5. Hinzufügen zum „Locale“-Objekt
Die meisten der Schritte besitzen Entsprechungen in einerDirect3D-Anwendung
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®Florian Heidinger
Fenster unter Windows mit Java
• Nutzung der Klassen des AWT (Abstract Windowing Toolkit), um Fenster zu erzeugen
• LayoutManager, um die Darstellungsfläche des Frame in verschiedene Bereiche einzuteilen
Importieren entsprechender AWT- und Layout-Manager Klassen
Erstellen eines Frame-Objekts, dem primäre Fenstereigenschaften wie Breite und Höhe als Konstruktor-Parameter übergeben werden (sekundäre Eigenschaften über SET-Methoden einstellbar)
Instanziierung eines LayoutManager-Objekts
Zuweisen des Layouts über die „setLayout()“-Methode
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®Florian Heidinger
Fenster unter Windows in Direct3D• Aufrufe gegen die Windows-API (Win32-API), um ein geeignetes Fenster zu
erzeugen
Inkludieren der „windows.h“-Headerdatei (Struktur-, Konstanten- und Methodendefinitionen)
• Drei Schritte:
1. Fensterobjekt (Schablone) für neue Fenster (WNDCLASSEX-Struktur) definieren und mit Werten füllen = sekundäre Fenstereigenschaften festlegen
2. Fensterobjekt bei Windows registrieren
3. Fenster durch Aufruf von „CreateWindowEx()“ erzeugen (Parameter sind primäre Fenstereigenschaften, sowie der Name des Fensterobjekts)
Keine LayoutManager unter Windows
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®Florian Heidinger
Canvas3D eine mysteriöse Klasse
• Erzeugen eines Canvas3D-Objektes mit Hilfe eines der beiden Konstruktoren
• Hinzufügen zur Darstellungsfläche des Fensters durch „add“-Methode
Java 3D Implementierung initialisiert die Low-Level API, um Canvas3D Darstellungsfläche zu schaffen:
– DoubleBuffer und Z-Buffer– 16 Bit-Farbtiefe (True-Color)– Viewport entsprechend der Größe des Layoutbereichs in Pixeln
• Definition einer perspektivische Projektion
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®Florian Heidinger
Initialisieren von Direct3D
DIRECT3D8DIRECT3D8
LPDIRECT3D8LPDIRECT3D8
Direct3DCreate8()
DIRECT3D8DIRECT3D8
DIRECT3D-DEVICE8
DIRECT3D-DEVICE8
LPDIRECT3D-DEVICE8
LPDIRECT3D-DEVICE8
COM-System
CreateDevice()
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®Florian Heidinger
Ansichtsgraph in Java3D• Benutzerposition und Blickrichtung
• Verwendung des „SimpleUniverse“ mit Positionierung des Benutzers im Punkt (0.0, 0.0, 2.41) und Blickrichtung in negative Z-Richtung Standard-Ansichtstransformation
• Animation der Benutzerposition durch eine erweiterte Welttransformation World-View-Matrix (Behaviors werden in der Regel Transformationsgruppen im Inhaltsgraphen zugeordnet)
– Rotationen um gleiche Achse und Winkel, jedoch in entgegengesetzter Rotationsrichtung
– Translationen mit entgegengesetzt gerichtetem Vektor
– Transformation mit allen Weltmatrizen der Szenenobjekte nach dem LIFO-Prinzip multiplizieren
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®Florian Heidinger
Direct3D-Rendering PipelineVertexBufferVertexBuffer
WelttransformationWelttransformation
AnsichtstransformationAnsichtstransformation
ProjektionstransformationProjektionstransformation
Vertex-Shader
VertexAssembly-ProzessVertexAssembly-ProzessFarbe, Texturkoor-dinaten, ...
Farbe, Texturkoor-dinaten, ...
Pixel-ShaderPixel-ShaderMaterial, Textur-graphik, ...
Material, Textur-graphik, ...
Alpha, Stencil und Tiefentests
Alpha, Stencil und Tiefentests
Frame-BufferFrame-Buffer
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®Florian Heidinger
Ansichts- und Projektions-transformation in Direct3D
• Projektionsmatrix für perspektivische oder orthogonale Projektion mit Hilfe von Bibliotheksfunktionen („D3DXMatrixPerspectiveLH()“)
• Konstante Ansichtsmatrix zum Initialisierungszeitpunkt auch hier Nutzung einer Bibliotheksfunktionen „D3DXMatrixLookAtLH()“, mit Angabe des Kamerastandorts, Zielpunkt und Kameralagevektor
• DIRECT3DDEVICE8-Objekt ist Bindeglied zwischen Anwendung und Rendering-Pipeline Zentrale Bedeutung in der Direct3D-Programmierung
• Erzeugte Matrizen über „setTransform()“-Methode des DIRECT3DDEVICE8-Objektes in die Rendering-Pipeline einstellen
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®Florian Heidinger
Inhaltsgraph in Java3D
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®Florian Heidinger
Inhaltsdefintion einer Szene in Direct3D
• Ablegen von Daten in Strukturen
• die Strukturelemente besitzen dabei weitgehende Übereinstimmung mit Klassenvariablen in Java3D, z. B. Material, Lichtquellen, etc.
• Vertextformat flexibel (FVF)
• Geometriedaten als Strukturarray in VertexBuffer-Objekte speichern
• Direct3D verwendet linkshändiges Koordinatensystem Anpassung der Geometriedaten und / oder Ansichtstransformation ist bei der Ausführung einer Java3D-Anwendung erforderlich
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®Florian Heidinger
Links- und rechtshändiges Koordinatensystem
Java3D (rechtshändiges Koordinatensystem)
Java3D (rechtshändiges Koordinatensystem)
V0
V1 V2
Direct3D(linkshändiges Koordinatensystem)
Direct3D(linkshändiges Koordinatensystem)
V0
V1V2
Reihenfolge der Raumpunkte invertieren
Zusätzlich Skalierung der Ansichtstransformationsmatrix um den Faktor –1 in Z-Richtung
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®Florian Heidinger
Kompilieren des Szenengraphen
• 1. Zusammenfassung von Transformationsgruppen ohne gesetztes Capability-Bit
• 2. Kombination von Shape3D-Objekten, die Nachfolger einer gemeinsamen Transformationsgruppe sind und das gleiche Appearance-Objekt referenzieren
optimierte interne Form des Szenengraphen
A ns ichtsgraph
B L L
B G
T G
T G T G
G G
S
G eometryA ppearance
T exture2D M ateria l C o lo ringA ttr.
S
G eometryA ppearance
T exture2D M ateria l C o lo ringA ttr.
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®Florian Heidinger
Der Java3D Renderer
• Nachdem alle im in der internen Form des Szenengraphen definierten Objekte instanziiert und initialisiert wurden, kann der Java3D Renderer gestartet werden
• „StateOrdered“-Rendering: Zeichenfolge, bei der zwischen den Zeichenvorgängen zweier Objekte möglichst wenige Statusänderungen in der Rendering-Pipeline der Low-Level API durchgeführt werden müssen.
while(true) {Benutzereingaben verarbeiten
If (Anwendungsende) break
Verhalten bearbeiten (Welttrans.)
Szenengraph traversieren und sichtbare Objekte an die Direct3D API übergeben / zeichnen}
while(true) {Benutzereingaben verarbeiten
If (Anwendungsende) break
Verhalten bearbeiten (Welttrans.)
Szenengraph traversieren und sichtbare Objekte an die Direct3D API übergeben / zeichnen}
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®Florian Heidinger
Zeichnen der Objekte in Direct3D
• Das Zeichnen geschieht in der Hauptschleife der „WinMain“-Methode ähnliche Struktur, wie der Java3D Renderer
• Zunächst Verarbeitung der an das Fenster der Anwendung gerichteten Nachrichten in einer Callback-Prozedur
• Falls in einem Durchlauf keine Nachrichten zu verarbeiten sind, kann der eigentliche Zeichenvorgang stattfinden, der dem DIRECT3DDEVICE8-Objekt durch „BeginScene()“ und „EndScene()“ angezeigt wird
• Zeichenfolge in Direct3D vollständig durch den Benutzer spezifiziert (vor dem Aufruf der „DrawPrimitive()“-Methode Rendering-Pipeline mit den richtigen Geometriedaten (VertexBuffer), der Welttransformationsmatrix, Textur, Material usw. versorgen)
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®Florian Heidinger
Optimale Zeichenfolge
1. Gruppieren von Objekten mit gleicher Textur
Das Nach- bzw. Umladen von Texturen aus dem Hauptspeicher ist aufwendigste Operation
2. Gruppieren von Objekten mit anderen Texturen aber gleicher Geometrie
3. Gruppieren von Objekten mit anderen Texturen und Geometrien aber gleicher Welttransformation oder gleichem Material
Auf die Beispielanwendung bezogen sollten also z. B. zunächst die Pyramidenseitenflächen beider Pyramiden und erst anschließend die beiden Bodenflächen gezeichnet werden (oder umgekehrt)
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®Florian Heidinger
Aller Anfang ist schwer !
• Komplexe API, die sich dem Einsteiger in die Graphikprogrammierung nur schwer erschließt
• Erhöhter zeitlicher Aufwand und mehrfaches an benutzerdefiniertem Programmcode im Vergleich zu OpenGL oder Java3D
• Viel Erfahrung erforderlich, um eine annährend optimale Zeichenfolge von geometrischen Objekten zu implementieren
• Zahlreiche hilfreiche Funktionen wie Normalen- und Texturkoordinaten-Generatoren fehlen
• Bietet dem fortgeschrittenen Benutzer jedoch weitere, von Java3D bis jetzt nicht unterstützte Funktionen wie Multitexturing, Partikeleffekte uvm. an
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®Florian Heidinger
Literatur(1)
Java3D:
Bouvier, Dennis “The Java3D Tutorial” – Kapitel 1-7 (1999)
Subra, Mohan “Java Markets Whitepaper” (1998)
Sun Microsystems, “The Java3D API - Technical Whitepaper”
(1997)“Java 3D API Collateral –
1.2.1 Performance Guide” (2002)
“Java 3D Programming: A Technical Overview”
(1998)www.j3d.org “Java 3D API”
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®Florian Heidinger
Literatur(2)
Direct3D:
Dunlop, Robert “Teach Yourself DirectX 7 in 24 Hours” (1998) Microsoft, “DirectX 8.0
Documentation (Visual C++)“ (2000)Zerbst, Stefan “3D Graphik-
Programmierung und Spiele-
Programmierung mit DirectX“ (2002)