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05.Fahrsimulationen und Echzeitanwendungen - Goethe
Organisatorisches 1 Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Frauenvollversammlung des Fachbereiches „Informatik und Mathematik“ am Montag, den 19.Juni 2006, um 10 Uhr c.t. im Seminarraum 307: Tobias Breiner Begrüßung durch Dekan Situation an FB Hessisches Mentorinnen-Netzwerk Frauenförderung Aufgaben einer Frauenbeauftragten Wahl des Frauenrates SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Um Streikende nicht zu benachteiligen, findet am Mittwoch, den 12. Juli 2006, um 12:00 Uhr c.t. eine Wiederholungs-Marathonvorlesung statt Ich werde alle Folien mitbringen, gewünschte Teile noch einmal vortragen, eventuell unverständliche Folien erklären und Fragen beantworten. Bitte Vorbereiten! Tobias Breiner [email protected] Wiederholung und Vertiefung Fahrsimulationen Das Freie Fahrsimualtionskonzept Echtzeitanwendungen Zusammenfassung 3/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Wiederholung und Vertiefung Wiederholung und Vertiefung Volumenmodelle: Enumeration Space Subdivision Schema Voxel beschreiben konstante Eigenschaften für ein einzelnes Volumenelement Dichte Farbe etc. Tobias Breiner [email protected] 4/86 Raumunterteilung Hierarchische Strukturierung Octree, Quadtree binary space (Binärraum) Knoten zeigt eine Unterteilung an. Blatt (on/off) zeigt an, ob Raumelement zum Objekt gehört Modellierung des vollständigen 3D-Objektes aus gleichförmigen Volumenelementen SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen 2/86 Inhalt Organisatorisches 2 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 5/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 6/86 1 Wiederholung und Vertiefung Wiederholung und Vertiefung Octree Representation - 3D Binärraum-Unterteilung Unterteilung des „Betrachtungsraumes in acht Oktanten Unterteilung in Halbräume bzw. Halbebenen Unendliche Ausdehnung des Betrachtungsraumes Halbraum+ Halbraum- SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 7/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Wiederholung und Vertiefung Wiederholung und Vertiefung Primitive Instancing Volumenmodelle: Volumendaten • • • • • Sammlung von vordefinierten Primitiven Instanzieren durch beschreibende Parameter Einfachste Art zur Beschreibung von geometrischen Objekten Nachteil: begrenzte Menge von Primitiven Beispiele: (tbrick, l, h1, h2, w1, w2) SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Volumendaten können direkt aus diagnostischen Verfahren gewonnen werden 3D-Röntgenanalyse (CT) Kernspintomographie (MRT) 3D-Ultraschall Cryosection 9/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Wiederholung und Vertiefung Wiederholung und Vertiefung Constructive Solid Geometry Fraktale Modelle Hierarchisch-boolesche Verknüpfung von 3D-Primitiven 10/86 0D in 3D + 1D in 3D - 2D in 3D + SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen 8/86 Tobias Breiner [email protected] xD in 3D (x ≠ n) Fraktale Modelle 3D in 3D 11/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 12/86 2 Wiederholung und Vertiefung - Fraktale Modelle: - Fraktale Modelle: Midpoint-Displacement Wiederholung und Vertiefung L-Systeme 1968 von Aristid Lindenmayer Grundlage einer axiomatischen Theorie biologischer Wachstumsprozesse Menge von Produktionsregeln Sukzessive Ersetzung von Einzelteilen eines einfachen Objektes, um komplexe Strukturen zu generieren Quelle: Björn Borer: http://www.gymlaufen.ch/3_was/311_projekte/projektwoche04/terragengalery/pages/Bjoern%20Borer%202.htm SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 13/86 - Fraktale Modelle: Landsberg-Oberfläche Wiederholung und Vertiefung SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 14/86 Wiederholung und Vertiefung Fraktale Planeten Lösung: Kugeln aus Platonischen Körpern Tetaederkugel, Oktaederkugel, Ikosaederkugel Diplomarbeit Jörg Homann, Betreuer Tobias Breiner Quelle: http://www.cg.tuwien.ac.at/research/rendering/csg-graphs/Pics/landsberg.JPG SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 15/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Wiederholung und Vertiefung Wiederholung und Vertiefung Fraktale Bauwerke Konventionelle Datenmodelle Beispiel: Fraktale gotische Fenster (Autor: Björn Schmidt und Yann Lorion, Betreuer: Tobias Breiner) Computergraphikpraktikum SS2005 im Studienfach Informatik an der Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt am Main. Quelle: http://www.iz-media.de/gothic/index.php?a=about SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 17/86 16/86 0D in 3D: Punktmodelle (Point Clouds, Surfels, …) 1D in 3D: Linienmodelle (Vectors, Drahtgitternetze, …) 2D in 3D: Flächenmodelle (Polygone, parametr. Flächen, …) 3D in 3D: Volumenmodelle (Enumeration, CSG, …) xD in 3D, x Є N: Fraktale Modelle (L-Systeme, Plasma, …) SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 18/86 3 Nächstes Kapitel Wiederholung und Vertiefung Quaoaring Datenmodell Fahrsimulationen Wiederholung und Vertiefung 0D in 3D: Punktmodelle 1D in 3D: Linienmodelle 2D in 3D: Flächenmodelle 3D in 3D: Volumenmodelle xD in 3D, x Є N: Fraktale Modelle xD in 6D ( 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension + 2 biologische Dimensionen ): Quaoaring Modelle SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Fahrsimulationen Das freie Fahrsimulationskonzept 3D-Echtzeitanwendungen Resümee 19/86 Motivation SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Geschichte der Fahrsimulationen (~1982) Übergang von elektromechanischen zu computerbasierten Fahrsimulationen Übergang von pixelbasierten zu spritebasierten Fahrsimulationen Chequered Flag 1984 Sinclair F1 1976 Atari Night Driver 1976 Namco Midnight Racer 1976 Midway Speed Freak 1977 Vectorbeam Tobias Breiner [email protected] 21/86 Turbo 1981 Sega SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Geschichte der Fahrsimulationen (~1986) Challenges 1983 Taito Tobias Breiner [email protected] 22/86 Geschichte der Fahrsimulationen (~1988) Übergang von fixen zu animierten Sprites Übergang von Single-Player zu Multi-Player Modi im LAN bzw. KIBoliden Turbo Esprit 1986 Sinclair SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Pole Position 1982 Namco Motivation Motivation Konami GT 1986 Konami 20/86 Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (1976/77) SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] OutRun 1986 Sega Wec Le Mans 1986 Konami Chace HQ 1988 Taito Tobias Breiner [email protected] Final Lap 1987 Namco 23/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Chace HQ 1988 Taito Cisco Heat 1991 Jaleco Tobias Breiner [email protected] 24/86 4 Motivation Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1989-95) Geschichte der Fahrsimulationen (~1995) Übergang von spritebasierten zu 3D-polygonbasierten Fahrsimulationen Final Lap 2 1991 Namco Hard Driving 1989 Atari SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Übergang von flat-shaded, untextured zu smooth shaded, textured Polygones Virtual Racing 1992 Sega Virtual Racing 1992 Sega SF Rush The Rock 1997 Atari Hov Driving 1994 Hov Tobias Breiner [email protected] 25/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Rave Racer 1995 Namco Racing Jam 1998 Konami Tobias Breiner [email protected] 26/86 Motivation Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~2000) Vergangenheit Übergang von per polygone zu per-pixel-shading Dirt Dash 1997 Namco Battle Gear 2000 Kaido SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Ridge Racer V 2000 Namco Gran Tourismo 2001 Sega Tobias Breiner [email protected] 27/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 28/86 Motivation Motivation Gegenwart Zukunft Gibt es sie überhaupt ? SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 29/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 30/86 5 Spezielle Hardware für Fahrsimulationen konventionelle Fahrsimulationen Rendering Sichtsysteme 1.000 - 200.000 Polygone pro Landschaft mindestens 30 bis 60 fps Arcade-Games haben universitäre Fahrsimulationen im Rendering in der Regel überholt Monitore & Displays Visuelle Hardware Head Mounted Displays Projektionen Dome Cave & Semi-Cave Powerwalls Singlepowerwall SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 31/86 Multipowerwall SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen gebogene Powerwall Tobias Breiner [email protected] 32/86 Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Head Mounted Displays Projektionssysteme für Fahrsimulationen •Mit Head-Tracking volle 360° * 360°-Sicht •In der Regel ca. 60° * 60° - Sicht (viele Ausnahmen) •Ohne Head-Tracking max. 240° *130°-Sicht •Auflösungen pro Beamer von 800*600 bis 2000 * 1000 Pixel •Auflösungen zwischen 2* (300*200) bis 2* (1280 x 1024 ) Pixeln •Mono- oder Stereoskopisch •Direct-Retinal-Beaming noch im •Powerwall, Semi-Cave, Dome Versuchsstadium •Single- oder Multibeamer SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 33/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 34/86 Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Pluralistik der Motion Bases Motion Base (Beispiel: Arcade-Anwendung) Motionbases haben zwischen 1-12 Freiheitsgrade Bislang kaum genormte Schnittstellen zu MBs Sehr verschiedene Variationen der Motion Bases => Software meist nicht Hardware-unabhängig SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 35/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 36/86 6 Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Motion Base (Beispiel: Forschungsanwendung) Defizite konventioneller Fahrsimulationen Inflexibilität gegenüber Hardwareveränderungen & neuen Anforderungen jeglicher Art Viele professionelle Fahrsimulationen entweder nicht echtzeitfähig oder von teuren Hochleistungs-Workstations abhängig Hybridfahrsimulationen, die zwischen professionellen und spielerischen Anwendungen interpolieren, sind meist sehr unzulänglich Keine freie Streckenwahl Keine Einbeziehung unerwarteter Extremsituationen MB des Daimler Chrysler-Fahrsimulators „Computerworld Smithsonian Award in the area of transportation“ 180° * 40° -Sicht > 150 Forschungsprojekte SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 37/86 Fahrsimulationen sind inflexibel Programmierer und Anwender sind unfrei in ihren Möglichkeiten SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 38/86 Die „Drei mal Fünf Freiheitsgrade“ des Freien Fahrsimulationskonzepts • • Freiheit für die Fahrsimulationen ! • • • freie Wahl der Eingabegeräte, der Motionbases und der Sichtsysteme freie Konfigurierbarkeit der Kameraeinstellungen, Blickwinkel und Auflösungen freie Wahl aus mindestens drei zugrundeliegenden Grafik-APIs (z.B. Direct 3D, OpenGL, Renderware3) freie Austauschbarkeit der Fahrzeuge, der Armaturenbretter und der Virtuellen Szenerie freie Streckenwahl innerhalb der Virtuellen Szenerie für den Testfahrer in allen drei räumlichen Dimensionen 5 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 39/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen 5 5 Tobias Breiner [email protected] 40/86 Das Freie Konzept schnelle Kollisionserkennung Das Freie Konzept Renderunabhängige Fahrphysikberechnung Berechnung der Fahrphysik erfolgt asynchron zur Visualisierung in mehreren Threads. schnelle Kollisionserkennung & implizite Abprallberechnung Ermöglichung von Querfeldein-Fahrten in polygonintensiven Landschaften => renderunabhängige Fahrphysikberechnung Visualisierungsthread(s) Fahrphysikthread(s) SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 41/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 42/86 7 Probleme beim freien Konzept Realisierungen beim freien Konzept Verkeilungen der Fahrzeuge Verkeilungen der Fahrzeuge Minimale Ungenauigkeiten beim Abprall nach einer Kollision können zu Endloscrashs führen Entkeilungsroutine: -statistische Ermittlung ob Endloscrash vorliegt -Wenn ja: zusätzliche Kräfte in Richtung des Reflexionsvektors ausführen -Bei jedem Tick exponentiell anwachsender Betrag -Ab dem n. Tick auch Richtung variieren => Verkeilung! SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Entkeilung 43/86 Probleme beim freien Konzept Asynchrone Positionsdatenübermittlung Tobias Breiner [email protected] Das Freie Fahrsimulationskonzept Physikalische Eckdatenprofile Schelle Testung von Prototypen Vorausinterpolation der Positionen und Geschwindigkeiten aller Fahrzeugteile notwendig Einfaches Austauschen der Fahrzeuge Reifentyp = BiasPly, Z-Man Nach Kollision wird obige Interpolation obsolet Reifendurchmesser = 0,.. Reifenbreite = 0,... Reifensteifheit = 0,.. Verkeilungen Reifenprofiltiefe = 0,... ..... Fehlinterpretationen Tobias Breiner [email protected] 45/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Das Freie Fahrsimulationskonzept Das Freie Fahrsimulationskonzept Beipiel für Karosserieeckdaten Beipiel für Reifeneckdaten •Fahrzeugtyp Reifen: •Anzahl und Position der Räder => Link zu Reifeneckdaten •Reifentyp = BiasPly, ZMan 46/86 •Reifendurchmesser •Geometrie-Link •Reifenbreite •Masse •Reifensteifheit •cw-Wert •Reifenprofiltiefe •Querschnittsfläche •Reifenprofilart •… SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen 44/86 Definition eines allgemeinen Sets von physikalischen Eckdaten für Fahrzeuge Beachten der Laufzeiten der Datenpakete SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen •..... Tobias Breiner [email protected] 47/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 48/86 8 Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Wichtigste Formeln Gesamtbeschleunigungskraft Die Geschwindigkeitsveränderung ∆v pro Zeiteinheit ∆t beträgt: Die longitudinale Gesamtbeschleunigungskraft FGes berechnet sich zu: ∆v = a*∆t FGes =FA − FL − FR = − FM Dabei ist die Beschleunigung a nach Newton: a = FGes/m FA = Beschleunigungskraft Netto FL = Luftwiderstand FR = Rollwiderstand FM = Massenträgheit Also gilt: ∆v = FGes *∆t/m FGes = longitudinale Gesamtbeschleunigungskraft m = Masse des Fahrzeugs SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 49/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Luftwiderstand Querschnittsfläche 50/86 Der Luftwiderstand FL berechnet sich mit: Aρ ⋅ v 2 c w FL = 2 A = Querschnittsfläche ρ= Luftdichte v = Geschwindigkeit cw = Luftwiderstandswert SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Quelle: http://www.kfz-tech.de/Formelsammlung/Luftwiderstand.htm Faustregel für Durchschnittsfahrzeuge: A = ca. 0,8 · b · h Tobias Breiner [email protected] 51/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Luftwiderstandswerte Luftdichte Typische cw-Werte: Motorrad verkleidet: Motorrad unverkleidet: Kleinwagen: Mittelklasse: Laster VW Auto 2000-Studie SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Luftdichte ρ: Gibt an, wie viel Masse in einem Kubikmeter Luft enthalten ist Ist abhängig von: 0,57 0,63 0,32 0,28 0,40 0,15 Tobias Breiner [email protected] 52/86 Wetterlage Höhe über N.N. Typischer Wert für Meereshöhe und 20°C: 1,2 kg/m3 53/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 54/86 9 Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen Rollwiderstand Rollwiderstandskoeffizient Der Rollwiderstand FR berechnet sich zu: Typische Werte für den Rollwiderstandskooefizienten cR : FR= cRmg cR Rollwiderstandskooefizient m Masse des Fahrzeugs g Gravitationskonstante Achtung: bei sehr kleinen Geschwindigkeiten (< 5km/h)wird der Rollwiderstand durch den Haftwiderstand abgelöst, beim Schleudern und Durchdrehen der Reifen durch den Gleitwiderstand SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 55/86 Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen 0,001 0,006 0,007 0,01 0,013 0,015 0,020 0,03 0,04 0,050 0,2 - 0,002 - 0,010 Rad auf Schiene Lkw-Reifen auf Asphalt Standard-Fahrrad Autoreifen auf Beton Pkw-Reifen auf Asphalt Autoreifen auf Kopfsteinpflaster Pkw-Reifen auf Schotter Autoreifen auf Schlaglochstrecke Autoreifen auf festgefahrenem Sand Reifen auf Erdweg Autoreifen auf losem Sand - 0,02 - 0,015 - 0,03 - 0,06 - 0,08 - 0,4 Quelle: T. Schmidt, D. Schlender (2003): Untersuchung zum saisonalen Reifenwechsel unter Berücksichtigung technischer und klimatischer Aspekte SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 56/86 Freies Fahrsimulationskonzept Massenträgheit Rückkopplungsberechnungen Abweichung Simulation/ Realität FM = a*m asymptotische Resonanzen 104 102 100 10-2 10-4 10-6 a = Beschleunigung des Fahrzeugs m = Masse des Fahrzeugs ½ 1 2 4 8 16 32 64 128 Verhältnis FR/fFDS ohne Dämpfungsformel mit Dämpfungsformel Bei komplexen Rückkopplungsberechnungen (z.B. beim Federungs-Dämpfungs-System) treten unerwünschte Resonanzeffekte mit der Frame-Rate-Frequenz auf => Dämpfungsformel! SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 57/86 Freies Fahrsimulationskonzept 58/86 Kameraführungen Alte Verfolgungskameraalgorithmen unzureichend Probleme: • Kein ‚Verheddern‘ in der komplexen Szenerie • bestmöglicher Blick auf das Fahrzeug • Orientierung in der komplexen Landschaft • Unterstützung von ‚Thrill‘ und ‚Action‘ in spielerischen Anwendungen • Verzögerung des Gefühls der virtuellen Seekrankheit Tobias Breiner [email protected] Tobias Breiner [email protected] Freies Fahrsimulationskonzept Verfolgungskameras SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen 1. Feste Kamera mit Blick aus der Windschutzscheibe, Seitenscheiben und Rückscheibe 2. Feste Kamera mit verschiedenen Sichten aus dem Auto (wie oben), jedoch wahlweise ohne Schaukeln und Gieren 3. Kamera, welche die Ausgleichbewegungen des Fahrers nachempfindet 4. Fixe Übersichtskamera auf das Auto 5. Mehrere fixe Kameraeinstellungen auf das Auto (Filmschnitte) 6. Starre Verfolgungskamera 7. Dynamische Verfolgungskamera mit virtuellem ‚Gummiband’ 8. Intelligente semiautonome Verfolgungskamera 59/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 60/86 10 Bildung der Objekthierarchie Freies Fahrsimulationskonzept Implementierte Kameraführungen am Beispiel „freie Fahrsimulation“ Beliebige Kamerakonstellationen konfigurierbar Im Folgenden wird an einem konkreten Beispiel erklärt, wie eine hierarchische (weitestgehend simulative) Animation mit Szenegraphen erstellt werden kann. Beispiel: Fahrsimulator mit dem „freien Fahrsimulationskonzept“ Weiterführende Literatur zum „freien FS-Konzept“: Breiner, Tobias: Freie Konzeption zukünftiger Fahrsimulationen In: Möller, Reinhard 7. Workshop Sichtsysteme – Visualisierung in der Simulationstechnik: Aachen: Shaker, S. 15-25 (2001) SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 61/86 Nächstes Kapitel SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 62/86 Echtzeit 3D-Echtzeitanwendungen Definition aus Wikipedia: Wiederholung und Vertiefung „Der Begriff „Echtzeit“ legt lediglich fest, dass ein System auf ein Ereignis innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens reagieren muss.“ Fahrsimulationen Das Freie Fahrsimualtionskonzept =>„Echte“ Interaktivität In der Computergraphik liegt dieser Zeitrahmen bei ca. 0.05s (entspricht 20 fps oder Bewegtbildgrenze) 3D-Echtzeitanwendungen Zusammenfassung SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 63/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 64/86 Beispiel: Freie Echtzeit-Fahrsimulation Echtzeit Mit Hilfe einer objektorientierten Programmiersprache Echtzeit Harte Echtzeit SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Weiche Echtzeit Tobias Breiner [email protected] 65/86 Ziele: freie Streckenwahl komplexe Landschaften realistisch anmutende Fahrphysik flexibel hinsichtlich Sichtgeräte SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 66/86 11 Einführung Die „fünf Freunde“ der 3D-Echtzeit 1. 2. 3. 4. 5. Viel in Initialisierung verschieben! Maschinencodenah programmieren! Polygone einsparen! Angemessene physikalische Modelle verwenden! Performanten Szenegraphen wählen! Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Verschiebung in Initialisierungsroutine Beschleunigung der Berechnung machinencodenahe Programmierung Echtzeitfähigkeit Einsparung von Polygonen Angemessenes physikalisches Modell Algorithmische Beschleunigung performanter Szenegraph SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 67/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 68/86 Beschleunigung für Echtzeitanwendungen polygonintensive Landschaften Polygoneinsparungen Skydome L.o.D.Techniken Bumpmapping Billboarding •Aktuelle Testlandschaft besteht aus ca. 300.000 Polygonen Texturen •9*9 km großes virtuelles Areal SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 69/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Skydome Multi-Skydomes 70/86 Mehrere Schichten: äußerste opak, innere halbtransparent Quelle: http://en.wikibooks.org/wiki/Blender_3D:_Noob_to_Pro/Build_a_skybox & http://www.starship-enterprises.net/3D%20Rotating%20Dome.htm SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 71/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 72/86 12 Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Billboards Billboards (Variationen) Billboards mit Alpha-Textur: Billboards mit transparenten und opaken Anteilen (fast immer) Multi-Billboards: Mehrere hintereinanderliegende Schichten von Billboards Axis alined Billboards: Billboards, die sich nur um eine definierte Achsedrehen können – in der Regel y-Achse Criss-Cross-Billboards: Billboards die zusätzliche Flächen beinhalten, welche die Hauptffläche durchdringen Video-Billboards: Billboards mit einer Videotextur Polygone, welche sich stets in Richtung des Betrachters orientieren SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 73/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 74/86 Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Multibillboards Multi-BBs mit Verschiebungen/Skalierungen Mehrere hintereinanderliegende Schichten von Billboards Vorteile: Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 75/86 Multibillboards mit Internen Verschiebungen und/oder Skalierungen Vorteile: Formänderungen (z.B. für Wolkenveränderungen, Rauch,o.ä.) SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Criss Cross Billboards LoDs mit finalem Billboarding 76/86 Billboards mit zusätzlichen metaorthogonalen Schnittflächen Vorteile: Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung Gut geeignet für Bäume Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.php SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 77/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 78/86 13 Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Sky-Billboarding Billbaords mit Alpha-Textur Ohne Alpha Vorteil gegenüber Sky-Dome: mit Alpha Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.php •Wolken verschieben sich gegeneinander •Überlagerung von Wolken Nachteil: •Artefakte bei Wolkenkreuzungen SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm Tobias Breiner [email protected] 79/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 80/86 Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Beschleunigung für Echtzeitanwendungen Schatten-Billboarding Angemessene Physikalische Modelle z.B. Ifimetrale Fahrphysik Drehmomente um Y-Achse Gefederte Masse Beschleunigung, Impuls Ungefederte Masse Druck, Haft- und Gleitreibung an den 4 Aufsatzpunkten Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 81/86 Nächstes Kapitel SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 82/86 Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Geschichte der Fahrsimulationen Voraussetzung für Fahrsimulationen Das Freie Fahrsimulationskonzept Erster Einblick in die Fahrphysik Erstellen von 3D-Echtzeitanwendungen Wiederholung und Vertiefung Fahrsimulationen Das freie Fahrsimulationskonzept 3D-Echtzeitanwendungen Zusammenfassung SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 83/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 84/86 14 Nächste Woche Ende Danke für Ihr Interesse! Interesse! Animation mit Szenegraphen Was ist ein Szenegraph? Welche Arten von Szenegraphen existieren? Hierarchische Animation mit Hilfe von Szenegraphen Erstellen einer exemplarischen 3DEchtzeitanwendung mit Hilfe eines Szenegraphen SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] Tobias Breiner [email protected]@gdv.informatik.uni-frankfurt.de 85/86 SS 2006 - Animation Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen Tobias Breiner [email protected] 86/86 15
