WYKORZYSTANIE JĘZYKÓW OPISU WIRTUALNEJ RZECZYWISTOŚCI DO TRÓJWYMIAROWEJ WIZUALIZACJI DANYCH PRZESTRZENNYCH Dr inż. Marek Moszyński Gdańsk, 2006 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTRONIKI TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYKI KATEDRA SYSTEMÓW GEOINFORMATYCZNYCH

Plan wykładu  Wprowadzenie – proces wyświetlania  Rola karty graficznej  Interfejs programistyczny OpenGL i Java3D  Język modelowania wirtualnej rzeczywistości VRML  Elementy programowania  Animacja w wirtualnej rzeczywistości  GeoVRML jako rozszerzenie standardu do wizualizacji danych przestrzennych  Standard X3D  Przykładowe zastosowania

Transformacja Oświetlenie Transformacja Clipping Projekcja Rasteryzacja Parametry modelu i kamera i kamera Proces wyświetlania (rendering pipeline) Karta graficzna (framebuffer) Ekran węzły w jednolitym układzie współrzędnych węzły i kolor węzły w układzie współrzędnych kamery przestrzeń modelu przestrzeń ekranu Wprowadzenie

Wprowadzenie - transformacje SkalowaniePrzesunięcie uogólnione współrzędne homogeniczne:

Wprowadzenie - transformacje Rotacja  Względem osi x  Względem osi y  Względem osi z

Wprowadzenie - transformacje Rotacja względem uogólnionej osi n o kąt  R

Wprowadzenie - projekcja Projekcja perspektywiczna M per

Rola karty graficznej Vertex Program Clip/Cull/ Vieport Fragment Program Composite Strumień węzłów Strumień fragmentów Transformed vertex stream Przetworzony strumień fragmentów Framebuffer Triangle Assembly Strumień trójkątów Strumień pikseli Obraz Rasteryzacja Pamięć tekstur strumień trójkątów w przestrzeni ekranu

Pentium Extreme Edition 840  3.2 GHz Dual Core  230M Transistors  90nm process  206 mm 2  2 x 1MB Cache  25.6 Gflops  130 W GeForce 7800 GTX  430 MHz  302M Transistors  110nm process  326 mm 2  313 GFlops (shader)  1.3 TFlops (total)  65 W Rola karty graficznej

Interfejs programistyczny OpenGL i Java3D programowy interfejs sprzętu graficznego biblioteka do tworzenia trójwymiarowej grafiki bardzo szybka i przenośna algorytmy opracowane przez Silicon Graphics (SGI) (lider w dziedzinie animacji i grafiki komputerowej) standardowe rozszerzenie języka Java w wersji 1.2. wymaga biblioteki OpenGL, OpenGL: Java3D:

Interfejs programistyczny OpenGL i Java3D Architektura Java3D

Interfejs programistyczny OpenGL i Java3D OpenGLJava3D Zalety Intuicyjne programowanie Małe zasoby pamięci potrzebne do uruchomienia aplikacji Szybkie wykonywanie operacji graficznych Wbudowane funkcje grafiki 3D Łatwość kodowania Mało „bugów” technologii Wady Brak prawdziwego API utrudnia programowanie Pseudoobiektowość Długi czas trwania inicjalizacji obiektów graficznych i interfejsu „pamięciożerny”

Język VRML VRML - Virtual Reality Modeling Language narzędzie pozwalające opisywać obiekty i animacje w trójwymiarowej scenie istnieje możliwość tworzenia interaktywnych wirtualnych światów Użytkownik ma możliwość: poruszania się pomiędzy zdefiniowanymi obiektami definiowania dowolnej ilości czujników interakcyjnych zmieniających wygląd świata Uwagi: wirtualne światy uruchamiane są na tej samej zasadzie, co strony HTML przeglądarka internetowa wyposażona w odpowiedni dodatek (ang. plug-in).

Język VRML Cechy języka:  dostępność możliwość odwiedzenia wirtualnego świata za pomocą sieci Internet  możliwość poruszania się po wirtualnym świecie wszystkie obiekty na scenie trójwymiarowej można obejrzeć z każdej strony ale nie na zasadzie wyświetlania ich kolejnych rzutów, czy też animacji (chociaż to też jest możliwe),  interakcyjność każdy uczestnik świata wirtualnego może mieć wpływ na jego wygląd, jeśli twórca umieścił w opisie sceny różnego rodzaju czujniki.

Język VRML – architektura

Język VRML – składnia #VRML V2.0 utf8 Viewpoint { position d escription "Start" } Shape { appearance Appearance { material Material { emissiveColor transparency 0.2 }} geometry Cone { bottomRadius 4.2 height 8 }} Shape Viewpoint geometry Material Appearance

Język VRML – przykłady + =

Język VRML – animacja Schemat blokowy elementów oraz ich powiązań przy tworzeniu animacji w języku VRML DEF T Transform { children [ Shape {…} DEF TS TouchSensor ] } DEF TM TimeSensor {…} DEF I PositionInterpolator { key […] keyValue […] } ROUTE TS.isActive TO TM.set_loop ROUTE TM.fraction_changed TO I.set_fraction ROUTE I.value_changed TO T.set_translation

Język VRML – animacja Pętla symulacji Stworzenie świata Zainicjowanie sensorów i świateł Odczyt sensorów Odczyt sensorów Wywołanie funkcji akcji świata Wywołanie funkcji akcji świata Aktualizacja obiektów graficznych zależnie od odczytów sensora Aktualizacja obiektów graficznych zależnie od odczytów sensora Wykonanie zadań obiektów graficznych Wykonanie zadań obiektów graficznych Renderowanie wyglądu świata Renderowanie wyglądu świata

Język VRML – animacja Orbity systemu GPS Orbity systemu Galileo

GeoVRML GeoVRML is an official Working Group of the Web3D Consortium. It was formed on 27 Feb 1998 with the goal of developing tools and recommended practice for the representation of geographical data using the Virtual Reality Modeling Language (VRML). The desire is to enable geo-referenced data, such as maps and 3-D terrain models, to be viewed over the web by a user with a standard VRML plugin for their web browser. The GeoVRML Working Group has a mailing list where discussions and developments are posted. Currently, this list consists of over 200 members drawn from a wide gamut of backgrounds and nationalities, including members from industry, government, and academia; geographers, geologists, computer graphics developers, and of course interested hobbyists. The group has recently produced the GeoVRML 1.1 specification, providing a number of extensions to VRML for supporting geographic applications. There is also an accompanying Open Source Java sample implementation of these nodes. Finally, these nodes are part of Amendment 1 to the VRML97 ISO standard.

Język GeoVRML - właściwości 1.Możliwość bezpośredniego osadzania metadanych w kodzie VRML’a w formatach: GD – „ ” „ ” UTM – „ ” „ ” GC – „ ” 43km 219m GdańskMalbork 54°21’N 18°40’E54°02’N 19°03’E GDlat: lon: 18.67lat: lon: UTM (WGS84) N E Zone number: N E Zone number: 34

Język GeoVRML - właściwości 2.Zwiększenie precyzji prezentowanych danych  Poprzez zdefiniowanie lokalnych kartezjańskich układów współrzędnych (ang. Local Cartesian Frame) UTMGC LCF E, N, 0m, zone , , Punkt E, N, 0m, zone , , Punkt - LCF 22.61, 26.44, 38.92

Język GeoVRML - właściwości  Poprzez zapis liczb jako ciągu znaków  Konwersji za pomocą Javy ciągu znaków na liczbę GeoCoordinate { geoSystem "GD" point [ " " ] } GeoCoordinate { geoSystem [ "UTM", "Z11„] point [ " " ] }

Język GeoVRML - właściwości 3.Modyfikacja węzła LOD (ang. Level of Detail), decydującego o poziomach szczegółowości umieszczanych obiektów na scenie (GeoLOD)

Język GeoVRML - właściwości 4.Zawiera dodatkowy węzeł do opisywania obiektów geograficznych (Metadata) 5.Zawiera dodatkowy węzęł interpolacji, umożliwiający poruszanie się po powierzchni kuli (GeoPositionInterpolator) 6.Możliwość lokalizacji punktów odniesienia umieszczonych na scenie 7.Zaimplementowane schematy nawigacji, specyficzne dla aplikacji geograficznych

Język GeoVRML - arcitektura GeoCoordinateGeoViewpointGeoLOD... GeoTransform Package GeoVRML Support Layer Węzły GeoVRML’a Implementacja węzłów GeoVRML’a za pomocą JAVY System do transformacji współrzędnych geograficznych (lat/lon, UTM, …)

Język GeoVRML – węzły (GeoCoordinate)

Język GeoVRML – węzły (GeoElevationGrid)

Język GeoVRML – węzły (GeoLocation)

Język GeoVRML – węzły (GeoOrigin)

Język GeoVRML – przykłady

Język X3D X3D jest następną, po VRML, generacją otwartego standardu dla grafiki 3D w sieci WWW. Jest rezultatem kilkuletniej pracy rozwojowej X3D Task Group i utworzonej niedawno Browswer Working Group, zrzeszonych w Web 3D Consorcium. Obie te grupy ściśle współpracują ze sobą w celu utworzenia nowej specyfikacji X3D, która łączy w sobie potrzeby ludzi korzystających z przeglądarek jak i wymagania całego społeczeństwa informatycznego. Wymagania stawiane X3D:  Zgodność z istniejącym standardem VRML, przeglądarkami i narzędziami,  Rozszerzone mechanizmy pozwalające na wprowadzanie nowych właściwości, szybka ocena przydatności i formalna adaptacja tych rozszerzeń w specyfikacji,  Małe, proste "jądro" pozwala na szeroką dowolność adaptacji elementów 3D,  Większy, w pełni kompatybilny profil VRML obsługujący istniejące bogactwo obiektów,  Obsługa przez inne dekodery, włączając XML, dla ścisłej integracji z technologią i narzędziami Web.

Język X3D - architektura

Przykłady zastosowań języków opisu wirtualnej rzeczywistości Wizualizacja w języku VRML danych z sonarów wielowiązkowych

Przykłady zastosowań języków opisu wirtualnej rzeczywistości Wirtualny echogram – widok z boku EchogramImplementacja w VRML’u Wizualizacja w języku VRML przemieszczania się ryb pelagicznych w wiązce echosondy

Przykłady zastosowań języków opisu wirtualnej rzeczywistości „Bulls – eye” Implementacja w VRML’u Wirtualny echogram – widok z góry Wizualizacja w języku VRML przemieszczania się ryb pelagicznych w wiązce echosondy