Introduzione a Java3D. Di Blasi Gianpiero - D.M.I. - Università di Catania

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1 Introduzione a Java3D Di Blasi Gianpiero - D.M.I. - Università di Catania

2 L'evoluzione Hardware Le schede 3D producono oggi grafica interattiva paragonabile agli effetti speciali cinematografici Java è diventato uno standard di sviluppo Java3D è il punto di congiunzione dei due mondi

3 Addentriamoci in Java3D Java3D è una API grafica 3D di alto livello Impiega lo Scene Graph Programming Model Il programmatore decide solo cosa disegnare Java3D deciderà come disegnare Include le caratteristiche tipiche delle più popolari API grafiche (DirectX, OpenGL)

4 Cosa si può fare con Java3D? (1) Java3D permette di creare mondi virtuali con: luci e texture comportamenti ed animazioni suoni Inoltre le applicazioni Java3D si adattano automaticamente al dispositivo di output: un semplice monitor occhialini 3D CAVE (sistemi immersivi multi-schermo)

5 Cosa si può fare con Java3D? (2) Java3D supporta un ampio range di applicazioni: sistemi CAD/CAM visualizzazione scientifica/biomedicale data visualization simulazioni 3D ecommerce desktop 3D videogame Vediamo qualche esempio concreto...

6 SDRC I-DEAS Viewer Webscope

7 VisAD spreadsheet

8 INT J/View3Dpro

9 ISS SMP Control Console x Canadarm2

10 Maestro

11 ASENZA Nokia Mobile Phone Xtivia Reality Server

12 Nearlife Virtual FishTank

13 Il CAVE alla University of Calgary

14 Looking Glass

15 Java3D - obiettivi di design Una collaborazione tra SUN, SGI, Intel e Apple I principali obiettivi di design sono stati: integrazione con Java (core, portabilità) alte prestazioni e scalabilità supporto delle principali caratteristiche 3D (luce, shading, texture, ecc.) forza industriale (non solo applet 3D o poco più)

16 Vediamo una demo Looking Glass

17 Lezione 1 Hello Java3D

18 Costruzione di uno scene graph Un universo virtuale Java3D è creato tramite uno scene graph

19 Simboli di uno scene graph VirtualUniverse Relazione padre-figlio Locale Reference Group Leaf NodeComponent Altri oggetti

20 Un esempio più completo

21 SimpleUniverse

22 Alcune classi (1) Node è una superclasse astratta delle classi Group e Leaf definisce importanti metodi comuni alle sue sottoclassi le sottoclassi di Node costruiscono uno scene graph Group è la superclasse usata per specificare posizioni ed orientamenti degli oggetti nell'universo virtuale le più comuni sottoclassi sono BranchGroup e TransformGroup nello scene graph, i simboli di Group sono indicati con BG per BranchGroup e TG per TransformGroup

23 Alcune classi (2) Leaf è la superclasse usata per specificare forme, aspetti, suoni e comportamenti non possono avere figli, ma possono avere reference ad oggetti NodeComponent NodeComponent è la superclasse usata per specificare geometrie, aspetto, texture e materiale di un nodo Shape3D non sono parte dello scene graph, ma sono collegati ad esso tramite reference può essere collegato a più di un nodo Shape3D

24 Un po' di terminologia (1) Prima di passare al codice bisogna spiegare due termini di Java3D: live e compiled inserendo un branch graph in un Locale lo si rende vivo, insieme a tutti i sui figli gli oggetti vivi possono essere renderizzati ed i loro parametri non possono essere più modificati per rendere un parametro modificabile anche quando l'oggetto è vivo, la corrispondente capability deve essere impostata modificabile prima che l'oggetto diventi vivo

25 Un po' di terminologia (2) Un BranchGroup può essere compilato La compilazione di un BranchGroup converte l'oggetto e tutti i suoi figli in una forma più efficiente per il rendering Conviene sempre compilare un BranchGroup subito prima di renderlo vivo e solo se deve essere inserito nel Locale

26 Un po' di terminologia (3)

27 Finalmente codice! Esempio HelloJava3D_c1

28 Lezione 2 Forme ed aspetto

29 Le classi delle primitive geometriche Esistono tre modi per creare nuove geometrie: usare le classi di utility per box, coni, cilindri e sfere specificare le coordinate dei vertici per punti, linee e superfici usare i loader di geometrie

30 La classe Shape3D Un nodo Shape3D definisce un oggetto visuale Non contiene informazioni su forma o aspetto di un oggetto Questo compito è delegato al componente Geometry ed al componente Appearance

31 Le classi di utility per le geometrie (1) Le classi di utility per creare box, coni, cilindri e sfere forniscono una grande flessibilità nella definizione di forme geometriche semplici e possono essere usate in molti casi pratici Tali classi non definiscono il colore o l'aspetto di un oggetto tali informazioni derivano dal nodo Appearance senza un riferimento ad un nodo Appearance l'oggetto potrebbe non essere visualizzato o essere visualizzato bianco

32 Le classi di utility per le geometrie (2) Esempio ConeYoyoApp_a2

33 La classe Geometry Geometry è una superclasse astratta per la gestione delle geometrie

34 La classe GeometryArray Le sottoclassi di Geometry posso essere usate per specificare punti, linee e poligoni pieni (triangoli e quadrilateri) Queste primitive vertex-based sono sottoclassi della classe GeometryArray Come dice il nome stesso la classe GeometryArray conserva i suoi dati in degli array

35 Le sottoclassi di GeometryArray La figura mostra alcuni sottoclassi di GeometryArray esempi delle Notare che nessuno dei vertici è condiviso: ogni linea o poligono è renderizzato indipendentemente da ogni altro

36 Le sottoclassi di GeometryStripArray (1) La figura mostra alcuni esempi delle sottoclassi di GeometryStripArray Notare il diverso riutilizzo dei vertici che ogni classe mette in atto

37 Le sottoclassi di GeometryStripArray (2) Esempio ConeYoyoApp_b1

38 Aspetto ed attributi (1) Per descrivere l'aspetto di un oggetto è necessario utilizzare un oggetto Appearance Appearance non contiene le informazioni sull'aspetto di uno Shape3D, piuttosto sa dove trovare tali informazioni Un oggetto Appearance può referenziarsi a molteplici oggetti sottoclassi di NodeComponent (detti attributi ), dove sono memorizzate le informazioni sull'aspetto dello Shape3D

39 Aspetto ed attributi (2)

40 Aspetto ed attributi (3) Gli oggetti a cui può referenziarsi un Appearance sono molteplici, i principali sono: PointAttributes/LineAttributes PolygonAttributes ColoringAttributes/TransparencyAttributes RenderingAttributes/Material TextureAttributes/Texture/TexCoordGeneration Per ogni attributo esiste un impostare/recuperare il suo valore metodo per

41 La classe GeometryInfo (1) Creare mondi complessi un triangolo alla volta è terribilmente noioso Fortunatamente esistono una serie di metodo più facili per fare ciò La classe GeometryInfo è uno di questi metodi Invece di dover definire una geometria un triangolo alla volta la classe GeometryInfo permette di definire poligoni arbitrari Sarà lei (ed altre classi collaboratrici) ad occuparsi di convertire la geometria in triangoli

42 La classe GeometryInfo (2)

43 La classe GeometryInfo (3) La classe GeometryInfo fa uso di tre classi collaboratrici Triangulator: per la triangolazione dei poligoni Stripifier: per il raggruppamento dei triangoli in strip (migliora le performance) NormalGenerator: per la creazione delle superfici normali (per l'illuminazione)

44 La classe GeometryInfo (4) Esempio GeomInfoApp

45 Le classi Loader (1) Una classe Loader legge un modello da un file e ne crea la sua rappresentazione Java3D Il package com.sun.j3d.loaders fornisce gli strumenti per caricare contenuti 3D creati con altre applicazioni (3DStudio, Blender, ecc.) Poiché esistono moltissimi formati 3D (obj, vrml, 3ds, ecc.) e possono sempre esserne inventati di nuovi (per esempio X3D) Java3D mette a disposizione un'interfaccia generica per la creazione di caricatori di file

46 Le classi Loader (2) Esempio ObjLoad

47 Lezione 3 Interazione ed Animazione

48 Creare mondi vivi Per rendere un mondo Java3D più interessante ed utile bisogna aggiungere interazione ed animazione Si ha interazione quando il mondo cambia in risposta ad un'azione dell'utente Si ha animazione quando il mondo cambia senza un intervento diretto dell'utente (e solitamente corrisponde con il passare del tempo) In Java3D sia le animazioni sia le interazioni sono definite utilizzando la classe Behavior

49 La classe Behavior Scopo di un Behavior è modificare uno scene graph in risposta a qualche stimolo uno stimolo può essere la pressione di un tasto, un movimento del mouse, la collisione tra oggetti, il passare del tempo, ecc. I cambiamenti prodotti possono essere l'aggiunta e/o la rimozione di oggetti dallo scene graph, il cambiamento di attributi degli oggetti le possibilità sono limitate soltanto dalle capability degli oggetti stessi

50 Implementazione di un Behavior (1) Un Behavior personalizzato deve implementare i metodi initialize() e processstimulus() della classe astratta Behavior il metodo initialize() è invocato quando lo scene graph contenente il Behavior diventa vivo Esso è responsabile delle operazioni di inizializzazione del trigger degli eventi e dei valori iniziali del Behavior Il trigger è specificato come un WakeupCondition o una combinazione di WakeupCondition

51 Implementazione di un Behavior (2) Il metodo processstimulus() è invocato dal trigger quando si verifica la condizione specificata Poiché molteplici eventi posso essere inglobati in un singolo WakeupCondition, questo metodo si occupa anche della decodifica dell'evento processstimulus() è responsabile della risposta agli eventi ad esempio tutte le azioni da tastiera posso essere inglobate in un WakeupOnAWTEvent Solitamente questo metodo resetta anche il trigger

52 Le condizioni di wakeup (1) I Behavior vengono attivati non appena si verificano gli stimoli a cui devono rispondere Gli oggetti per definire gli stimoli sono le condizioni di wakeup definite nelle classi discendenti la classe WakeupCondition WakeupCondition è estesa da cinque classi: una è la classe WakeupCriterion le altre quattro permettono la composizione di condizioni di wakeup multiple

53 Le condizioni di wakeup (2)

54 Le condizioni di wakeup (3) Esempio SimpleBehaviorApp_a2

55 Le classi utility per la navigazione (1) Negli esempi finora esposti l'osservatore non aveva la possibilità di navigare Java3D permette ciò tramite delle classi di utility Il view branch graph di un universo virtuale contiene una view platform transform Se tale trasformazione cambia, l'effetto è quello di muovere e/o orientare l'osservatore Aggiungere la possibilità di navigare è semplice: basta aggiungere un Behavior che cambia la view platform transform in risposta agli eventi

56 Le classi utility per la navigazione (2)

57 Le classi utility per la navigazione (3) Esempio KeyNavigatorApp

58 Le classi utility per il mouse (1) Il package com.sun.j3d.utils.behaviors.mouse contiene i behavior per l'interazione con il mouse L'interazione tramite mouse prevede: traslazione (movimento su un piano parallelo all'image plate) zooming (movimento in avanti ed indietro) rotazione

59 Le classi utility per il mouse (2) Esempio MouseBehaviorApp

60 Le classi utility per il picking (1) Esistono due modi per usare il picking in Java3D: usare le classi utility creare una classe di picking personalizzata Il package del picking include le classi utility: PickRotateBehavior PickTranslateBehavior PickZoomBehavior Ogni classe usa un bottone del mouse diverso così da renderne possibile l'uso simultaneo

61 Le classi utility per il picking (2) Esempio MousePickApp_a1

62 Le animazioni in Java3D (1) Come l'interazione anche l'animazione in Java3D è implementata tramite i Behavior Teoricamente è possibile creare qualsiasi animazione personalizzata usando i Behavior, in ogni caso Java3D fornisce una serie di classi di utility dette interpolatori per le animazioni più comuni Ovviamente queste classi sono basate sui Behavior

63 Le animazioni in Java3D (2) Gli interpolatori sono classi per le animazioni: un oggetto Interpolator manipola alcuni parametri di uno scene graph per creare animazioni basate sul tempo Un altro insieme di animazioni servono ad animare gli oggetti visuali in risposta ai cambiamenti del punto di osservazione Questo insieme include le classi OrientedShape3D e LOD (Level of Detail) Billboard, La classe Morph si occupa invece di animare le geometrie

64 Gli Interpolatori e la classe Alpha Gli Interpolator sono Behavior personalizzati che usano un oggetto Alpha Le azioni degli Interpolator comprendono il cambiamento di posizione, orientamento, dimensione, colore e trasparenza di un oggetto Esistono Interpolator anche per altre azioni, incluse le combinazioni delle precedenti azioni

65 La classe Alpha (1) Un oggetto Alpha produce un valore, detto valore alpha, compreso tra zero ed uno, estremi inclusi il valore alpha cambia nel tempo in base ai parametri dell'oggetto stesso Fissati i parametri di Alpha ed un particolare istante di tempo, c'è un solo valore alpha che l'oggetto Alpha può produrre disegnando il valore di alpha nel tempo si può vedere il fronte d'onda che l'oggetto Alpha produce

66 La classe Alpha (2)

67 Le classi Interpolator (1)

68 Le classi Interpolator (2) Esempio ClockApp_a2

69 Lezione 4 Luci e texture

70 Le luci in Java3D (1) Molti degli esempi finora proposti davano la sensazione di finto Tale sensazione dall'assenza di luci è principalmente data è arrivato il momento di illuminare il nostro mondo Java3D illumina gli oggetti in base ad una combinazione delle proprietà degli oggetti Material e delle luci nell'universo virtuale

71 Le luci in Java3D (2) Esempio SimpleLightApp_b1

72 Le classi Light L'API Java3D fornisce quattro classi per le luci, ogni classe deriva dalla classe astratta Light La classe Light fornisce i metodi e le capability per manipolare lo stato, il colore ed i Bound di una luce Lo stato di una luce è un booleano che accende e spegne la luce stessa

73 La classe AmbientLight Una AmbientLight fornisce una luce della stessa intensità in tutte le posizioni ed in tutte le direzioni (limitatamente al suo Bound) Una AmbientLight modella la luce riflessa dagli altri oggetti se guardiamo sotto un tavolo vedremo la sua superficie inferiore anche se nessuna luce la illumina direttamente (a meno di avere una lampada sotto il tavolo) Una AmbientLight interagisce con il colore ambientale di un oggetto

74 La classe DirectionalLight Una DirectionalLight approssima sorgenti di luce molto distanti (ad esempio il sole) diversamente dalla AmbientLight, una DirectionalLight illumina solo in una direzione Poiché tutti i vettori di luce di una DirectionalLight sono paralleli, la luce non si attenua mai (la luce solare non si attenua) In altre parole, l'intensità di una DirectionalLight non varia al variare della distanza tra oggetto e DirectionalLight

75 La classe PointLight La PointLight è l'opposto della DirectionalLight Essa è una sorgente di luce puntuale che si diffonde in tutte le direzioni e la cui intensità diminuisce con la distanza (ad esempio una lampada) L'attenuazione di una PointLight è modellata da un'equazione quadratica concettualmente simile a quella della forza di gravità

76 La classe SpotLight (1) Una SpotLight è una sottoclasse di PointLight aggiunge il concetto di direzione e concentrazione ad una PointLight modella sorgenti di luce fatte dall'uomo come luci flash e riflettori emana una luce lungo una direzione ed all'interno di un angolo di visuale; all'interno di questo angolo l'intensità della luce varia in funzione dell'angolo e dalla distanza dal vertice

77 La classe SpotLight (2)

78 La classe Material Le proprietà materiali di un oggetto possono essere impostate tramite l'attributo Material l'oggetto Material specifica i colori (ambientale, diffuso, speculare ed emissivo) e la lucentezza di un oggetto I primi tre colori sono usati nel modello di illuminazione per calcolare le riflessioni Il colore emissivo permette ad un oggetto di emettere luce propria La lucentezza serve per le riflessioni speculari

79 Impostare i colori di un oggetto (1) Ci sono tre modi per impostare i colori di un oggetto: tramite il metodo setcolor() di Geometry tramite il ColoringAttributes tramite il Material Java3D permette di creare oggetti usando nessuno, alcuni o tutti e tre i modi appena visti

80 Impostare i colori di un oggetto (2) Colore di Geometry presente No Si No Si Colore di Geometry presente No Si No Si Illuminazione abilitata Colore di ColoringAttributes Risultato presente No Colore di Material No Colore di Geometry Si Colore di Material Si Colore di Geometry Illuminazione disabilitata Colore di ColoringAttributes Risultato presente No Bianco No Colore di Geometry Si Colore di ColoringAttributes Si Colore di Geometry

81 Le normali alle superfici Per illuminare un oggetto è necessario che esso stesso abbia definito le sue normali alle superfici quando si creano oggetti usando le Geometry bisogna usare uno dei metodi setnormal() per specificare le normali alle superfici Utilizzando un oggetto GeometryInfo è possibile utilizzare la classe NormalGenerator per ottenere in automatico le normali le primitive geometriche generano in automatico le normali (se specificato nel costruttore)

82 Texturing concetti base (1) In Java3D il texturing di poligoni è ottenuto: creando un Appearance caricando una texture specificando le posizione della texture sulla geometria impostando gli attributi di texturing A causa dell'estrema flessibilità del modello di texturing di Java3D, il numero di opzioni che l'api mette a disposizione potrebbe a prima vista confondere le idee In realtà il texturing non è particolarmente complesso

83 Texturing concetti base (2) Esempio SimpleTextureApp_a2

84 Generazione automatica delle coordinate (1) Assegnare le coordinate delle texture per ogni vertice della geometria è un passo necessario e complicato Le coordinate delle texture sono spesso calcolate con codice specifico per ogni oggetto Sarebbe meglio avere un sistema automatico: questo è proprio quello che tenta di fare la classe TexCoordGeneration

85 Generazione automatica delle coordinate (2) Per generare automaticamente le coordinate delle texture bisogna specificare alcuni parametri in un oggetto TexCoordGeneration Le coordinate delle texture sono calcolate a runtime in base ai parametri specificati I parametri da specificare sono: formato delle texture (2D o 3D), modalità di generazione (lineare o sferica)

86 Generazione automatica delle coordinate (3) Esempio TexCoordGenApp

87 Cosa non abbiamo Fatto? Approfondimenti sui vari argomenti esposti Collisioni Dispositivi di input Viste multiple Suono E tanto altro ancora...

88 Riferimenti vari Documentazione Java3D Tutorial Java3D

89 Libri A.E. Walsh, D. Gehringer Java3D API Jump-Start Prentice Hall PTR D. Selman Java3D Programming Manning Publications Company H. Sowizral, K. Rushforth, M. Deering The Java 3D API Specification Addison-Wesley Professional K. Brown, D. Petersen Ready-to-Run Java 3D, with plug-and-play code John Wiley & Sons Inc J. Barrilleaux 3D User Interfaces with Java 3D Manning Publications Company

90 Introduzione a Java3D Di Blasi Gianpiero - D.M.I. - Università di Catania