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Gerrit Bode AI Semester 5 30.05.16

VR - Virtuelle Welten

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Übersicht

● Virtuelle Welt● Szene● 3D-Objekt

– Aussehen

– Animation

● Andere Objekte● Spezialsysteme

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Virtuelle Welten

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Was ist eine Virtuelle Welt?

● Eine virtuelle Welt ist eine:● - programmierte, ● - interaktive Welt oder Umgebung, in der● - zwei- oder dreidimensionale Wirklichkeit● - (meist) in Echtzeit● - persistent dargestellt wird

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Fokus der Computer Graphik

● Virtuelle Realität:– Echtzeitfähigkeit und Interaktivität

● Andere Gebiete:– Hochwertige Darstellung

Einzelbilder/Animationen

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Szene

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Was ist eine Szene?

● Spezielles 3D-Modell● Geometrie-/Materialbeschreibung aller 3D-

Objekte● Defeniert Blickpunkt/Kameraeinstellung

und Licht-/Audioquelle

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Was ist ein Szenengraph?

● Gerichtet und Azyklisch● Beschreibt eine hierarchisch aufgebaute

Szene● Enthält die nötigen/vorhandenen

Komponenten für eine Szene

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Szenengraph Beispiel

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3D-Objekte

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Was ist ein 3D-Objekt?

● Ein Dreidimensionales Objekt● Wichtiger Bestandteil einer Virtuellen Welt● Zur Visualisierung wird ein Model benötigt

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Oberflächen-/Festkörpermodelle

● Oberfläche:– Unmittelbar Wahrnehmbar

– Muss noch kein Volumen umschließen

● Festkörper:– Umschließt volles Volumen

– Notwendig für physikalische Simulationen

– Effizienter Kollisionen berechnen

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Polygon

● Vieleck● Für 3D-Objekte: Planar und Eckpunkte auf

einer Ebene● Dreiecke sind gut geeignet da:

– Immer Planar

– Für Graphik Hardware leichte Berechnung

– Komplexe Polygone werden bei Echtzeit-Rendering zu Dreiecken zerlegt

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Polygonnetz

● Anzahl zusammenhängender Polygonen● Bilden Fläche

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Triangle Strips

● Verwendet nur Dreiecke

● Das erste Dreieck wird Positioniert

● Weitere Dreiecke verwenden zwei selbe Eckpunkte, wie ein vorhandenes Dreieck

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Boundary-Representations

● Beispiel: Volumen umschließende Polygonnetz (Solid)

● Rückseite der Polygone müssen nicht gezeichnet werden

● Vektor bestimmt Vorderseite des Objektes

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B-Reps Beispiel

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Primitive Instancing

● Primitive vordefinierte Solid-Objekte● Beispiele: Kugel, Zylinder● Teils Komplexere Solid-Objekt● Beispiel: Zahnrad● Eigenschaften (Bsp. Radius Kugel) über

Parameter einstellbar

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Materialien

● Charakterisiert durch Emission, Reflexion und Transparenz

● Emission: Tritt auf bei Objekte die selber Licht abstrahlen

● Reflexion: Welches Licht, wie reflektiert wird

● Transparenz: Lässt Licht teilweise durch

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Texturen

● Bild mit wiederkehrendem Muster● Bedecken 3D-Objekte● Graphik realistischer aussehen● Wiederverwendbar● Nahezu alle Materialbeschaffenheiten

möglich

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Shader

● Kleine Programme● Farbwert Manipulation● Von Gerasterten Bildern● Farbwerte von mehreren Objekten können

dabei Einwirken

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Optimierungsansätze

● Vereinfachung von Polygonnetze● Darstellung unterschiedlicher Detailgrade● Texture Baking● Billboards

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Erstellung der 3D-Objekte

● „Von Hand“ über 3D-Modellierungswerkzeug

– Automatisch Generieren bei großen Objekten

● 3D-Scan

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Keyframe-Animation

● Häufig verwendet● Schlüsselzeitpunkte(Keyframe) für zu

animierendes Objekt festlegen

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Physik-basierte Animation Starrer Körper

● Annähernd Realistische Bewegung, Kollision

● Objekt nach Physikalische Gesetze modelliert

● Objekt wird als Starrer Körper behandelt● Nach Physikalischen Gesetze Simulieren

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Objektverhalten

● Können Zustand verändern● Verhalten durch Zustandsautomat

beschrieben● Zustandsänderungen auf verschieden

Eigenschaften: Form, Farbe, Position etc.● Bsp. Fahrzeug nach einer Kollision

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Andere Objekte

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Lichtquellen(Beleuchtung)

● Um Objekte sehen zu können● Arten:

– Direktionales Licht (Bsp. Sonne)

– Punktlicht (Bsp. Glühlampe)

– Scheinwerferlicht (Bsp. Taschenlampe)

– Für VR: Headlight (Bsp. Stirnlampe)

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Soundquellen

● Festlegen Audio-Clip/Stream● Zu beachten:

– Position (Ausnahme Hintergrundgeräusche)

– Entfernung

● Arten:– Punktquelle

– Scheinwerferquelle

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Hintergründe

● Statisches Bild (Bsp. Himmel)● Oder drei Dimensionaler Körper● SkySphere(Kugel), SkyBox

– Innenfläche mit Hintergrund Textuiert

– Rotation simuliert Wolkenbewegung

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Spezialsysteme

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Virtuelle Menschen

● Aufteilung in:– Skelettstruktur

– Deformierbares Oberflächenmodell(„Skin“)

● Wenn Skelett sich bewegt, verformt sich passend die Haut(Skin)

● Skin an Skelett gekoppelt● Laufen/Rennen über Motion Capture● Ansonsten Algorithmen

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Virtuelle Menschen Beispiel

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Partikelsysteme Teil 1

● Modelierung von Spezieleffekten● Unscharf, Fortlaufend veränderlicher Form● Beispiel: Feuer, Rauch, Wassertropfen,

Schnee, Explosionen● Partikel = massebehafteter Punkt● Simulation physikalischer Gesetze

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Partikelsysteme Teil 2

● Berechnung zu jedem Zeitschritt● Zu jedem Zeitschritt werden:

– Neue Partikel hinzugefügt

– Alte Partikel entfernt

– Berechnungen aufgrund einwirkender Kräfte (Gravitation etc.)

– Farbe und Textur für jeden Partikel aktualisiert

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Gelände

● Höhengitter● Zwei Dimensional● In jedem Punkt steht Höhenwerte● Benachbarte Elemente ähnliche Werte● Unterstützung durch 3D-

Modellierungswerkzeug

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Vegetation

● Diese werden generiert

1. Stamm

2. Äste an den Stamm

3. Zweige an Ästen

4. Blätter an den Zweigen● Einzelne Blätter verwenden keine Polygone● Rechtecke + Texturen

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Zusammenfassung● Eine Virtuelle Welt ist eine programmierte

interaktive Welt.

● Sie enthält:

– 3D-Objekte

– Licht-/Soundquellen

– Hintergründe

– Spezialsysteme● Erfordern viel Arbeit/Berechnung

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Quellen

● Hauptquelle: R. Dörner et al. (Hrsg.), Virtual und Augmented Reality (VR/AR), eXamen.press, DOI 10.1007/978-3-642-28903-3, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

● https://www-vs.informatik.uni-ulm.de/teach/ss05/vp/Vortragsfolien/Codruta%20Cosma%20-%20Szenengraphen.pdf

● http://www.virtuellewelten.at/index.php?/archives/20-Definitionen.html

● http://wirtschaftslexikon.gabler.de/Definition/textur.html

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Ende

Fragen?