WYKORZYSTANIE JEZYK

1
WYKORZYSTANIE JEZYKÓW OPISU WIRTUALNEJ
RZECZYWISTOSCI DO TRÓJWYMIAROWEJ WIZUALIZACJI
DANYCH PRZESTRZENNYCH
POLITECHNIKA GDANSKA WYDZIAL ELEKTRONIKI
TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYKI KATEDRA SYSTEMÓW
GEOINFORMATYCZNYCH
Dr inz. Marek Moszynski Gdansk, 2006
2
PLAN WYKLADU

• Podstawy matematyczne trójwymiarowej wizualizacji
• Rola kart graficznych w trójwymiarowej
  wizualizacji
• Interfejs programistyczny OpenGL i Java3D
• Jezyk opisu wirtualnej rzeczywistosci VRML jako
  jezyk programowania
• Animacja w wirtualnej rzeczywistosci
• Rodzaje danych przestrzennych
• GeoVRML jako roszerzenie standardu do
  wizualizacji danych przestrzennych
• Standard X3D
• Przykladowe zastosowania

3
PODSTAWY MATEMATYCZNE TRÓJWYMIAROWEJ WIZUALIZACJI

• Skalowanie

4
PODSTAWY MATEMATYCZNE TRÓJWYMIAROWEJ WIZUALIZACJI

• Przesuniecie

5
PODSTAWY MATEMATYCZNE TRÓJWYMIAROWEJ WIZUALIZACJI

• Rotacja
• Wzgledem osi x
• Wzgledem osi y
• Wzgledem osi z

6
DISPLAY ARCHITECTURE IN WIN95
Windows Application
Video for Windows (VFW)
Realistic Display Mixer (RDX)
Graphics Device Interface (GDI)
Active Movie (Win95)
Direct3D Retained Mode
Direct3D Immediate Mode
DIBENG Emulator
Direct Video
DirectDraw Hardware Emulation Layer (HEL)
Direct3D Hardware Emulation Layer (HEL)
Windows Device Driver Interface (DDI)
DirectDraw Direct3D Hardware Abstraction Layer
(HAL) / Device Driver Interface
Graphics Device
7
ZASADA DZIALANIA KARTY GRAFICZNEJ
Screen space triangle stream
Transformed vertex stream
Vertex stream
Triangle stream
Vertex Program
Clip/Cull/ Vieport
Triangle Assembly
Pamiec tekstur
Rasteryzacja
Processed fragment stream
Fragment stream
Pixel stream
Fragment Program
Composite
Framebuffer
Image
8
ARCHITEKTURA PROCESORA GRAFICZNEGO
Vertex Processing
Fragment Processing
9
CPUs vs. GPUs

• Pentium Extreme Edition 840
• 3.2 GHz Dual Core
• 230M Transistors
• 90nm process
• 206 mm2
• 2 x 1MB Cache
• 25.6 GFlops

• GeForce 7800 GTX
• 430 MHz
• 302M Transistors
• 110nm process
• 326 mm2
• 313 GFlops (shader)
• 1.3 TFlops (total)

10
CPUs vs. GPUs

• Efficiency of FLOPs delivered

PEE 840 7800GTX GPU/CPU
Graphics GFlops Graphics GFlops 25.6 1300 50.8
Shader GFlops Shader GFlops 25.6 313 12.2
Die Area (mm2) Die Area (mm2) 206 326 1.6
Die Area normalized Die Area normalized 206 218 1.1
Transistors (M) Transistors (M) 230 302 1.3
Power (W) Power (W) 130 65 0.5
Graphics GFlops/mm 0.1 6.0 47.9
Graphics GFlops/tr 0.1 4.3 38.7
Graphics GFlpos/W 0.2 20.0 101.6
11
TESTY WYDAJNOSCI KART GRAFICZNYCH
12
INTERFEJS PROGRAMISTYCZNY OpenGL I Java3D

• OpenGL mozna zdefiniowac jako programowy
  interfejs sprzetu graficznego". Jest to
  biblioteka przeznaczona do tworzenia
  trójwymiarowej grafiki, bardzo szybka i latwo
  przenaszalna pomiedzy róznymi systemami. W OpenGL
  zastosowano algorytmy opracowane przez Silicon
  Graphics (SGI), niekwestionowanego lidera w
  dziedzinie animacji i grafiki komputerowej.
• Java3D jest standardowym rozszerzeniem jezyka
  Java w wersji 1.2. Nie jest to jednak
  niezalezna biblioteka w calosci napisana w
  Javie. Do swego dzialania wymaga biblioteki
  OpenGL w wersji co najmniej 1.1, a wiec Java3D
  wykorzystuje niskopoziomowe wywolania funkcji
  OpenGL'a, co daje gwarancje odpowiednio szybkiego
  renderowania scen w czasie rzeczywistym.

13
INTERFEJS PROGRAMISTYCZNY OpenGL I Java3D

• Architektura OpenGL

Per Vertex Operations Primitive Assembly
Polynomial Evaluator
DisplayList
Per Fragment Operations
Frame Buffer
CPU
Rasterization
Texture Memory
Pixel Operations
14
INTERFEJS PROGRAMISTYCZNY OpenGL I Java3D

• Architektura Java3D

15
INTERFEJS PROGRAMISTYCZNY OpenGL I Java3D
OpenGL Java3D
Zalety Intuicyjne programowanie Male zasoby pamieci potrzebne do uruchomienia aplikacji Szybkie wykonywanie operacji graficznych Szybkie wykonywanie operacji graficznych Wbudowane funkcje grafiki 3D Latwosc w kodowaniu Malo bugów technologii
Wady Brak prawdziwego API utrudnia programowanie Wolne wykonywanie operacji graficznych Pseudoobiektowosc JOGLa Dlugi czas trwania inicjalizacji obiektów graficznych i interfejsu pamieciozerny
16
VRML

• Jezyk VRML (ang. Virtual Reality Modeling
  Language) jest narzedziem pozwalajacym opisywac
  obiekty i animacje na trójwymiarowej scenie.
  Dzieki niemu istnieje mozliwosc tworzenia
  interaktywnych wirtualnych swiatów, gdzie
  uzytkownik ma mozliwosc poruszania sie pomiedzy
  zdefiniowanymi obiektami (wyswietlanie obiektów
  trójwymiarowych w czasie rzeczywistym),
  definiowania dowolnej ilosci czujników
  interakcyjnych zmieniajacych wyglad swiata VRML.
  Wirtualne swiaty uruchamiane sa na tej samej
  zasadzie co strony HTML - poprzez siec Internet -
  trzeba jednak zaopatrzyc przegladarke internetowa
  w odpowiedni dodatek (ang. plug-in).
• Jezyk VRML charakteryzuje sie trzema cechami,
  które odrózniaja go od innych aplikacji do
  tworzenia grafiki trójwymiarowej, stanowiac
  jednoczesnie o jego atrakcyjnosci.
• dostepnosc mozliwosc odwiedzenia wirtualnego
  swiata za pomoca sieci Internet,
• mozliwosc poruszania sie po wirtualnym swiecie
  wszystkie obiekty na scenie trójwymiarowej
  mozna obejrzec z kazdej strony, ale nie na
  zasadzie wyswietlania ich kolejnych rzutów,
  czy tez animacji (chociaz to tez jest mozliwe),
  ale poprzez chodzenie" wokól nich. Nie mozna
  uzyskac tego efektu w tradycyjnych aplikacjach do
  grafiki trójwymiarowej takich jak AutoCad czy
  3DStudio,
• interakcyjnosc kazdy uczestnik swiata
  wirtualnego moze miec wplyw na jego wyglad,
  jesli twórca umiescil w opisie sceny róznego
  rodzaju czujniki.

17
VRML

• Koncepcja przegladarki plików VRML

18
ARCHITEKTURA JEZYKA VRML
Viewpoint
VRML V2.0 utf8 Viewpoint position 100 -20
300 description "Start" Shape
appearance Appearance material Material
emissiveColor 1 0 0 transparency
0.2 geometry Cone bottomRadius
4.2 height 8
Shape
geometry
Appearance
Material
19
PRZYKLADOWE ZASTOSOWANIA JEZYKA VRML
20
ANIMACJA W WIRTUALNEJ RZECZYWISTOSCI

• W jezyku VRML istnieje mozliwosc tworzenia
  animacji. Do stworzenia animacji niezbedne sa
  nastepujace elementy
• zdefiniowany (za pomoca komendy DEF) wezel
  którego pola beda na biezaco modyfikowane w
  trakcie wykonywania animacji,
• zdefiniowany wezel odpowiedzialny za poczatek,
  koniec oraz czas trwania animacji
  (TimeSensor),
• zdefiniowany wezel interpolujacy wartosci pól
  modyfikowanych w czasie trwania animacji,
• zdefiniowanie sciezek pomiedzy polami wezlów
  (powiazanie zdarzen),
• opcjonalnie zdefiniowany wezel czujnikowy
  (TouchSensor)

Schemat blokowy elementów oraz ich powiazan przy
tworzeniu animacji w jezyku VRML
21
ANIMACJA W WIRTUALNEJ RZECZYWISTOSCI
Petla symulacji
Stworzenie swiata Zainicjowanie sensorów i swiatel
Odczyt sensorów
Renderowanie wygladu swiata
Wywolanie funkcji akcji swiata
Wykonanie zadan obiektów graficznych
Aktualizacja obiektów graficznych zaleznie od
odczytów sensora
22
PRZYKLAD ANIMACJI WYKONANEJ W JEZYKU VRML
23
RODZAJE DANYCH PRZESTRZENNYCH
24
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.

25
WLASCIWOSCI JEZYKA GeoVRML

• Mozliwosc bezposredniego osadzania metadanych w
  kodzie VRMLa w formatach
• GD ltlatitudegt ltlongitudegt ltelevationgt
• ltlongitudegt ltlatitudegt ltelevationgt
• UTM ltnorthinggt lteastinggt ltelevationgt
  lteastinggt ltnorthinggt ltelevationgt
• GC ltxgt ltygt ltzgt

Gdansk Malbork
5421N 1840E 5402N 1903E
GD lat 54.35 lon 18.67 lat 54.03 lon 19.05
UTM(WGS84) 6024974N 348350E Zone number 34 5988990N 372288E Zone number 34
26
WLASCIWOSCI JEZYKA GeoVRML

• Zwiekszenie precyzji prezentowanych danych
• Poprzez zdefiniowanie lokalnych kartezjanskich
  ukladów wspólrzednych (ang. Local Cartesian
  Frame)

UTM GC
LCF 310385.0E, 4361550.0N, 0m, zone 13 -1459877.12, -4715646.93, 4025213.19
Punkt 310400.0E, 4361600.0N, 0m, zone 13 -1459854.51, -4715620.48, 4025252.11
Punkt - LCF 22.61, 26.44, 38.92
27
WLASCIWOSCI JEZYKA GeoVRML

• Zwiekszenie precyzji prezentowanych danych
• Poprzez zapis liczb jako ciagu znaków
• Konwersji za pomoca Javy ciagu znaków na liczbe

GeoCoordinate geoSystem "GD" point "57.7
-3.1 0" GeoCoordinate geoSystem "UTM",
"Z11 point "4361550.1 310385.2 1000"
28
WLASCIWOSCI JEZYKA GeoVRML

1. Modyfikacja wezla LOD (ang. Level of Detail)
   decydujacego o poziomach szczególowosci
   umieszczanych obiektów na scenie (GeoLOD)

29
WLASCIWOSCI JEZYKA GeoVRML

1. Zawiera dodatkowy wezel do opisywania obiektów
   geograficznych (Metadata)
2. Zawiera dodatkowy wezel interpolacji
   umozliwiajacy poruszanie sie po powierzchni kuli
   (GeoPositionInterpolator)
3. Mozliwosc lokalizacji punktów odniesienia
   umieszczonych na scenie
4. Zaimplementowane schematy nawigacji specyficzne
   dla aplikacji geograficznych

30
ARCHITEKTURA JEZYKA GeoVRML
GeoCoordinate
GeoViewpoint
GeoLOD
. . .
Wezly GeoVRMLa
GeoVRML Support Layer
Implementacja wezlów GeoVRMLa za pomoca JAVY
System do transformacji wspólrzednych
geograficznych (lat/lon, UTM, )
GeoTransform Package
31
PRZYKLADY WYKORZYSTANIA JEZYKA GeoVRML
32
JEZYK X3D

• X3D jest nastepna, po VRML, generacja
  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 scisle wspólpracuja
  ze soba w celu utworzenia nowej specyfikacji X3D,
  która laczy w sobie potrzeby ludzi korzystajacych
  z przegladarek jak i wymagania calego
  spoleczenstwa informatycznego.
• Wymagania stawiane X3D
• Zgodnosc z istniejacym standardem VRML,
  przegladarkami i narzedziami,
• Rozszerzone mechanizmy pozwalajace na
  wprowadzanie nowych wlasciwosci, szybka ocena
  przydatnosci i formalna adaptacja tych rozszerzen
  w specyfikacji,
• Male, proste "jadro" pozwala na szeroka dowolnosc
  adaptacji elementów 3D,
• Wiekszy, w pelni kompatybilny profil VRML
  obslugujacy istniejace bogactwo obiektów,
• Obsluga przez inne dekodery, wlaczajac XML, dla
  scislej integracji z technologia i narzedziami
  Web.

33
ARCHITEKTURA JEZYKA X3D
34
PRZYKLADOWE ZASTOSOWANIA

• Wizualizacja w jezyku VRML danych z sonarów
  wielowiazkowych

35
PRZYKLADOWE ZASTOSOWANIA

• Wizualizacja w jezyku VRML przemieszczania sie
  ryb pelagicznych w wiazce echosondy

Wirtualny echogram widok z boku
Echogram
Implementacja w VRMLu
http//www.eti.pg.gda.pl/marmo/vrmlfish
36
PRZYKLADOWE ZASTOSOWANIA

• Wizualizacja w jezyku VRML przemieszczania sie
  ryb pelagicznych w wiazce echosondy

Wirtualny echogram widok z góry
Bulls eye
Implementacja w VRMLu
http//www.eti.pg.gda.pl/marmo/vrmlfish