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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?