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(4) Eingabegeräte und Modellierung(4) Eingabegeräte und Modellierung
VorlesungVorlesung„Virtuelle Realität und
A t d R lit “Augmented Reality“S. Müller
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Wiederholung: TrackingWiederholung: TrackingErfassung von Position und OrientierungGrobtracking
FeintrackingElektro-Magnetisch
Ver err ngGrobtrackingActive Badges / ReaderInfrarot Baken
• VerzerrungMechanisch UltraschallInfrarot Baken
GPSWLAN Positioning
UltraschallTrägheit
• Autonom, aber Drift(Elektr. Kompass)
Wichtiger Begriff: DOFOptischLaserH b idDegrees of freedom,
FreiheitsgradePosition und Orientierung: 6
HybridKoordinatentransformation
Position und Orientierung: 6 DOF
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Wiederholung II: optische TrackerWiederholung II: optische TrackerOut-side-in
Man verfolgt aktive oder passive Marker am Körper
UnterscheidungAktive Marker: selbstleuchtend undpassive Marker am Körper
durch extern aufgestellte Kameras
selbstleuchtend und identifizierbarPassive Marker: kabellos
In-side-outMan verfolgt aktive oder passive Marker in der
aber nur aus Geometrieanordnung identifizierbarpassive Marker in der
Umgebung durch Kameras am Körper
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Wiederholung III:Wiederholung III:VR
Typischerweise eingeschränkter
AROft ist der Aktionsradius auch eine Halle oder out-eingeschränkter
AktionsradiusDas beste Preis-/Leistungs-
auch eine Halle oder „out-door“Die präzisesten Ergebnisse
verhältnis für eine VR-Labor bieten immer noch die elektromagnetischen Tracker
liefern optische Tracker; alle anderen sind für AR untauglichg
Die beste Präzision erreicht man auf jeden Fall mit optischen Trackern mit fest
gEine wirklich gute Lösung ist noch nicht gefunden; oft arbeitet man mit in side outoptischen Trackern mit fest
montierten Kameras –allerdings zu sehr hohem P i
arbeitet man mit in-side-out und passiven MarkerExtremer Wunsch: Tracking
Preis ohne Marker
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EingabegeräteEingabegeräte
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D kt G ätDesktop-Geräte
Spacemouse:6 DOFGut für Viewpoint-Navigation, Szene/Objekte rotieren
GGamepadGetrackt und ungetrackt
Wichtiges Eingabemedium:Knopf (Button)
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3D Z i3D-Zeiger
Analogon zur 2D-Maus.“Tracker mit Buttons dran”Namen: flying mouse, flying joystick, wand (= Stab, USA), bone fly-stick etcbone, fly stick, etc...Evtl. zusätzlich mit Joystick oder Jog-DialPhysisches Objekt ergibt starkes Präsenzgefühl,
i t ll Obj ktFly-Stick, Stylus
wenn man virtuelles Objekt gegriffen hat.
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BeispieleBeispiele
VR-Kniespiegelung
Kabelsimulation
VR-Kniespiegelung
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BeispieleBeispiele
Elektromagnetischer Sensor ist innerhalb der Lampe befestigtLampe befestigt
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DatenhandschuhDatenhandschuhData Glove, CybergloveHat in der Regel einen (elektromagnetischen)(elektromagnetischen) TrackerMisst zusätzlich dieMisst zusätzlich die Winkelstellungen der Fingergelenke
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D t h d h h (d t l )Datenhandschuh (data glove)
Das erste VR-EingabegerätVerschieden viele Sensoren:
Mi 4 D 4 2 Fi 12Min. 4x Daumen + 4x2 Finger = 12Max. 4x Daumen + 4x3 Finger + 3x dazwischen + 2x Handgelenk + 3 da sc e a dge e1 Handrücken = 22
Technik:Glasfaser (nicht bewährt)Bimetallstreifen
NachteileNachteile:Niedrige GenauigkeitHandschuh (umständlichHandschuh (umständlich, Akzeptanz)Unterschiedliche Hände…
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Varianten
Pinch Glove:Kein Tracking, misst nur Kontakt zweier Finger
jeder Finger ein ButtonNur 2 getrackte Gloves sinnvoll damit rechtNur 2 getrackte Gloves sinnvoll, damit recht pfiffige Navigation und Objektmanipulation möglich:
• Greifen und Bewegen• Skalieren (Handles à la Inventor)
Virtuelle Hand nicht darstellbar
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VariantenVarianten
Powerglove:3 Finger getracktPositions-Tracking mitUltraschallP i t $100Preiswert: $100
Nachteile:Nicht robustAnwendungen, die Fingertrackingbrauchen brauchen alle Fingerbrauchen, brauchen alle Finger
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Handschuhe mit KraftrückkopplungHandschuhe mit Kraftrückkopplung
Kraftrückkopplung (Force-Feedback)
CyberForce
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Handschuhe mit KraftrückkopplungHandschuhe mit Kraftrückkopplung
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Kraftrückkopplung: TischgerätKraftrückkopplung: TischgerätPHANToMbis zu 6 Freiheitsgrade für die Bewegungs Eingabedie Bewegungs-Eingabe3 Freiheitsgrade für die KraftrückkopplungKraftrückkopplung
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Andere haptische/Kraftrück geräteAndere haptische/Kraftrück.-geräte
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FortbewegungseingabegeräteFortbewegungseingabegeräte
locomotion devices Uni Tsuukuba, JJapan
Sarcos Utah SSarcos, Utah Sarcos
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Omni Directional TreadmillOmni-Directional Treadmill
„Tretmühle“
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Bodenoberflächensimulator
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ModellierungModellierung
Dank an Bernd LutzDank an Bernd Lutz
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MotivationMotivation
Woher bekommt man Modelle für Virtuelle Welten ?Welche Voraussetzungen müssen diese Modelle gerfüllen ?Wie optimiert man diese Szenarien für VR ?pWie speichert man diese Szenarien ?
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AnforderungenAnforderungen
Echtzeitdarstellung (ca. 20-30 Frames/sec) Interaktionsmöglichkeiten gImmersionAn die Anwendung angepaßte DarstellungAn die Anwendung angepaßte DarstellungRealismus
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Beispiele für Virtuelle WeltenBeispiele für Virtuelle Welten
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Technische EinschränkungenTechnische EinschränkungenHardware
Grafikleistung• begrenzte Anzahl Polygone/s und Pixel/sbegrenzte Anzahl Polygone/s und Pixel/s• Kann nur Polygone darstellen (keine Freiformflächen)• begrenzter Texturspeicher und Texturdurchsatz• keine echten Spiegelungen• keine komplexen Schatten
RechenleistungRechenleistung• Vorbereitung für die Graphikengine (immer mehr Funktionalität
im Graphikchip)Kollisionserkennung• Kollisionserkennung
• Simulation• Animation• ...
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Grobe RichtlinienGrobe RichtlinienSo wenig Polygone, wie nötigSo viel vorab berechnen, wie möglich
Vorsicht mit Transparenzen (auch transparenten Texturen) Müssen diesemöglich
Triangulierung der Daten, zumindest nur ebene,
Texturen). Müssen diese sortiert werden, kann dies teuer werden.,
konvexe ObjekteEffiziente Hierarchisierung der Daten
Modellierung in lokalen Koordinatensystemen ermöglichen effizienteresder Daten
Schatten und BeleuchtungDetailgrad, wenn möglich,
ermöglichen effizienteres Zusammenstellen der Objekte. Detailgrad, wenn möglich,
durch Texturen und nicht durch Geometrie erzeugen.
j
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DatenquellenDatenquellen
Vorgefertigte ModelleCAD-Daten3D-ScannerAutomatisch generierte ModelleAutomatisch generierte ModelleEigene Modelle
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DatenquellenDatenquellenVorgefertigte Modelle (CD-ROM, Katalog, Internet)
+ Hohe Qualität+ Hohe Qualität+ Schnelle Möglichkeit Modelle zu
bekommenT il i t t i t+ Teilweise texturiert
- Oft recht teuer- Nicht alle Objekte vorhanden- Meist nicht für VR optimiert (Animation
oder Spiele)
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DatenquellenDatenquellenCAD-Daten
+ Meist gut strukturiert+ Können meist automatisch+ Können meist automatisch
konvertiert werden.+ Sind schon für andere Zwecke
(Planung Simulation) erstellt(Planung, Simulation) erstellt worden
- Oft FreiformflächenOft k i T t d M t i li- Oft keine Texturen oder Materialien
Vorsicht im Umgang mit Architekten!Architekten!
„Wir haben alle Daten digital“ heißt in der Regel „wir haben G d i i 2D“Grundrisse in 2D“
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DatenquellenDatenquellen3D-Scanner (Laserscanner, 3D-Kamera,…)
+ Schnelle Möglichkeit organische Formen zu erzeugenerzeugen
+ Texturen werden meist gleichzeitig generiert+ Hohe Auflösungen (bis zu 0,25 mm)
E h i l Flä h- Erzeugen sehr viele Flächen- Fehler beim Scannen (nicht reflektierende
Flächen,…)- Aufwendige Nachbearbeitung notwendig.- Große Objekte müssen aus mehreren
zusammengesetzt werdenzusammengesetzt werden
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DatenquellenDatenquellenAutomatisch generierte Modelle ( Rekonstruktion, LandschaftsgeneratorenLandschaftsgeneratoren, Baumgeneratoren, ...)
Vor-/ Nachteile sind Abhängig von der Software
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DatenquellenDatenquellenEigene Modelle (aus CAD-Programmen, 3D-Modellierprogrammen )Modellierprogrammen,...)
Großer AufwandBeste Ergebnisseg
Meistens ist dies die beste LösungProblem bei VR-Projekten, wenn es um die Nachbildung von realen historischen odervon realen, historischen oder geplanten Gegebenheit geht: die Informationsbeschaffung benötigt ca. 90% der Projektzeit.
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ModellierungModellierung
Sammeln von Datenmaterial (Pläne, Skizzen, Photos,...). Man kann nie genug haben.Vorbereitungen, PlanungErstellen der 3D-Geometrie (Modellierung,Erstellen der 3D Geometrie (Modellierung, Konvertierung,…)S f K kth it d P f üb üfSzene auf Korrektheit und Performanz überprüfen.Materialien/Texturen definieren.Nachbearbeitung (Radiosity,...).Einbinden in das VR- oder Visualisierungssystem.g yModellierung nach Storyboard, wenn möglich.
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Modellierung ProgrammeModellierung ProgrammeCAD ProgrammeModellierungsprogrammeAnimationsprogrammePhotogrametrieK tKonverterBildbearbeitungsprogramm (Vorsicht: ungenaue(Vorsicht: ungenaue, topologiefreie Daten, deren Nachbereitung in der Regel länger dauert, als eine Neumodellierung!)…
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Typische SchritteTypische Schritte
Anfang mit Grobmodell (z.B. „Schuhschachteln“ auf Stadtplan)
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VerfeinerungVerfeinerung
Detaillierung von Modellen, die signifikant, wichtig oder vom Storyboard g g g ygesehen werden können.
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RetuscheRetusche
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Modellierung TexturenErstellung von Texturen
Digitalisieren der VorlageDigitalisieren der VorlagePerspektivische KorrekturFarbkorrekturFarbkorrekturRetusche (entfernen / hinzufügen von Objekten)
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Modellierung OptimierungModellierung OptimierungEinsatz von Texturen
Texturen ermöglichen eine realistische Darstellung vonrealistische Darstellung von komplexen Objekten und Oberflächen.Weit entfernte Objekte können ganz oder teilweise durch Texturen ersetzt werden.Auflösung und Anzahl ist meist durch denmeist durch den Texturspeicher begrenzt.
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M d lli K h lModellierung Kacheltexturen
Erstellung von KacheltexturenDigitalisieren der Vorlage, Korrekturen.Verschieben des Texturbildes.Entfernen der Kanten.Entfernen auffälliger Objekte und Bildteile.
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Modellierung StrukturModellierung StrukturHierarchie definiert meist den SzenengraphenObjekte sollten sinnvolleObjekte sollten sinnvolle Namen haben.Szenen müssen hierarchischSzenen müssen hierarchisch gegliedert sein.
Wichtig für “Culling/ Portale/ LOD”.Erleichtert das Arbeiten.Wird für die InteraktionWird für die Interaktion benötigt.
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Modellierung OptimierungModellierung OptimierungEinsatz von “Portalen”
Beim Eintreten in gewisse Raumbereiche werden TeilszenenRaumbereiche werden Teilszenen ein- oder ausgeschaltet, oder Aktionen gestartet.Die dazu benötigten Schalter (Portale) müssen modelliert werden.
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Modellierung OptimierungModellierung OptimierungEinsatz von “Level of Detail”
Weit entfernte Objekte können durch einfachere Geometriendurch einfachere Geometrien oder Texturen ersetzt werden, da Details nicht mehr erkannt
dwerden.Das System schaltet automatisch, abhängig von der g gEntfernung, umDas Umschalten sollte nicht sichtbar sein (Einstellung dersichtbar sein (Einstellung der LOD-Parameter).
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Optimale DatenstrukturOptimale Datenstruktur
Progressive MeshesHugues Hoppe: Progressive Meshes, SIGGRAPH 96g pp g
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Modellierung StrukturModellierung StrukturObjekte müssen korrekt sein
Alle Normalen müssen in die richtige Richtung zeigen.richtige Richtung zeigen. Es darf keine Flächen mit Löchern geben.Doppelte oder eng beieinanderDoppelte oder eng beieinander liegende Flächen dürfen nicht auftreten. (Problem der Z-Buffer Auflösung)Auflösung)Es darf keine ungewollten Löcher oder Spalten geben (wichtig für z Bgeben.(wichtig für z.B. Radiosity)
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Modellierung OptimierungModellierung Optimierung“Smoothing” ausnutzen (Gouraud-/Phong-Shading)
Durch die Interpolation vonDurch die Interpolation von Eckpunktfarben oder Flächennormalen können
d Obj kt d h irunde Objekte durch wenige Polygone angenähert werden.Ist nicht bei allen s c be a eObjekten/Kanten sinnvoll.Silhouette sieht immer kantig ausaus.
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Modellierung TexturenModellierung TexturenTexturen mit Alphakanal
Transparente Texturen ermöglichen es komplexeermöglichen es komplexe Umrisse durch wenige Polygone an zu nähern.Fenster, Löcher und ähnliches lassen sich einfach erzeugen.g
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Modellierung: BillboardsModellierung: BillboardsEin flaches Polygon wird beim Rendern automatisch dem Betrachter zugewandtdem Betrachter zugewandt.Eignet sich sehr gut für rotationssymmetrische yObjekt, oder Laternen, Bäume
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Modellierung ShaderModellierung Shader
Einsatz von Pixel- und Vertexshadern, High Order Primitives, ...
Ermöglichen Spezialeffekt und realistische DarstellungNur eingeschränkt einsetzbar, da stark Hardware abhängig.Meist keine Editoren vorhanden
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SzeneneditorSzeneneditorOft braucht man ein (meist eigens entwickelten) SzeneneditorSzeneneditor
KonverterObjekteditor: Selektion von jObjektenHierarchieeditor: Definition der Hierarchie und derder Hierarchie und der entsprechenden Parameter (z.B. LOD)Materialeditor: Definition von AttributenEtcEtc.
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Schwierig: TerrainSchwierig: Terrain
Von oben sehen die Daten meist gut aus.
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MittelrheintalMittelrheintalVision: detailliertes Modell des MittelrheintalsKooperation mitKooperation mit Landesvermessungsamt
Digitales GeländemodellDigitales Geländemodell (DGM) 10m, Höhe 50cm, 260MBDi it l O th hiDigitale Orthographien (DOP) 25cm pro Pixel, 19 GBDigitales Landschaftsmodell (DLM), ATKIS-Basis DLM (Amtliches Topographisch-(Amtliches TopographischKartographische Informationssystem)
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MittelrheintalMittelrheintal
LoreleyLoreley
Deutsches EckU N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 56 -
Deutsches Eck
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ATKIS Basis DLMATKIS-Basis-DLM
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EhrenbreitsteinEhrenbreitstein
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EhrenbreitsteinEhrenbreitstein
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DetailmodelleDetailmodelle
Vision: VR Wiki (R Trappe)
G bä d B
Vision: VR-Wiki (R. Trappe)Alle erstellen ein globales 3D-Modell der Welt
Gebäude BDie Daten beinhalten alle Informationen, die für das Tracking nötig sindTracking nötig sind.
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ModellierungA bi d d VR S t /I t ktiAnbindung an das VR-System /Interaktion
Schattenberechnung mit Radiosity, Texture-bakingAnbindung an verschiedene Ein-/Ausgabegeräteg g gBestimmen des ObjektverhaltensEinstellen von Benutzergröße StereoparameternEinstellen von Benutzergröße, Stereoparametern,…
Üb üf d S (K kth it P fÜberprüfen der Szene (Korrektheit, Performanz, Qualität)
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3D Datenformate3D-Datenformate
Es gibt viele Unterschiedliche 3D-Datenformate, mit hi dli h Mö li hk i /Ei h ä kunterschiedlichen Möglichkeiten/Einschränkungen.
Fast jedes Programm (Animation/ Rendering/ CAD/ ...) hat sein eigenes Datenformat. Es gibt eigentlich keinen StandardEs gibt eigentlich keinen Standard.Die Konvertierung zwischen diesen Formaten ist meist
h f di d l tb h ft tsehr aufwendig und verlustbehaftet.
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3D-Datenformate
Verschiedene Datenformate haben unterschiedliche MöglichkeitenKonverter muss vorhanden sein oder erstellt werdenBeim Konvertieren gehen Eigenschaften verloren oder es entstehen FehlerKonvertierung oft nur in eine Richtung
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3D Datenformate3D-DatenformateDXF
Kommt aus dem CAD-Bereich (AutoCAD)FHSFHS
Fraunhofer-StandardVRMLVRML
Kommt aus dem InternetbereichWeb 3DWeb 3D
Etabliert sich langsam
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3D Datenformate3D-Datenformate999DXF format file created by form*Z v 2.7.6
DXF AutoCAD
Format ASCIISinn/Zweck Austauschformat für CAD-
y999(c) 1989-1995 auto*des*sys, Inc. 0
SECTIONS / wecProgramme
Unterstützt Linie, 3D-Linie, Punkte, Kreise,Kreisbögen, Flächen, 3D-Flächen,
Polylinien Viewport Text
2HEADER9
$ANGBASE50Polylinien, Viewport, Text,
Ebenen (Layer), SplinesBemerkung Quasistandart zum Austausch von
CAD-Daten.Die meisten Programme können
500.0000009
$ANGDIR70Die meisten Programme können
DXF lesen und schreiben, abernicht alle unterstützen alle
Möglichkeiten.
700
9$AUNITS70
29
$AUPREC70
09
$AXISMODE70
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3D Datenformate3D-DatenformateS F h f I i
/* FHS-File written by Genesis 2 */MODEL root_2
FHS Fraunhofer Institut
Format ASCII/BinärSinn/Zweck 3D-Austauschformat für
h f i
/* Light Sources */ENVIRONMENT Env { AMBIENT (0.16000, 0.18000, 0.17000)
BACKGROUND (0.70000, 0.70000, 0.90000) }
OBJECTX "up 0 1 0"Fraunhofer InstituteUnterstützt Hierarchie, Level of Detail,
Polygonale Objekte, nicht-polygonale Objekte,
OBJECTX "up 0 1 0"
LIGHT Point_Light{POINTLIGHT(10, 200, 100, 0.5, 0.5, 0.5 ) }/* Surfaces */DEFMAT M5po ygo a e Obje te,
Oberflächenbeschreibung,Transformationen (Translation,
Skalierung, Rotation,Transformationsmatrizen)
DEFMAT M5 {
COLOR (0.0675000, 0.250000, 0.0675000)DIFFUSE 1.00000SPECULAR 0.00000Transformationsmatrizen),
Bounding Box, Kugel, Polygon,Dreieck, Linien, Extrude,
Revolute, Kegel, Zylinder, Box,P t h M t i l (F b diff
SHININESS 20.0000
}/* Objects */
Patch, Material (Farbe, diffus,specular, ambient, emmission,Transparenz, Textur), Licht
(Punkt, Spot, lokal/direkt, ambient,
GEOMETRY layer_1{ USEMAT M5POLYGON{Hintergrund)
Bemerkung Wurde im Hinblick auf VRentwickelt.
{P= (-13.34, -458.00, -8.76 ) N= (-0.40, 3.97, 0.91)P= (-13.34, -458.56, -9.32 ) N= (-0.29, -0.83, 0.46)P= (-13.88, -458.00, -9.32 ) N= (-0.77, -3.77, 0.62)
}
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}
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3D Datenformate3D-Datenformate#VRML V1 0 iiVRML
Format ASCIISinn/Zweck Beschreibung von VR-Welten mit Möglich-
k it I t kti ( b VRML 2 0) D
#VRML V1.0 ascii#Creator formZ v 2.9.1DEF Cameras Switch {
whichChild 0DEF activeview OrthographicCamera {Sinn/Zweck keit zur Interaktion (ab VRML 2.0). Das
Format ist für den Einsatz im WWW(Internet) entwickelt worden.
Unterstützt Hyperlinks (ins WWW), Objekthierarchie,Instanziierung, Vektor (2D, 3D), Text, Ke-
l Z li d Wü f l K l T t
DEF activeview OrthographicCamera {position 11.9078 -20.6248 13.7499orientation -0.881412 -0.236174 -0.409065 -1.1598focalDistance 27.4998height 37.2873
gel, Zylinder, Würfel, Kugel, Textur-Koordinaten, Textur-Map, Normalen-Vektor
Licht (Richtung, Punkt, Spotlight),(perspektivische und parallele Projektion),
Transformation (Rotation, Skalierung,T l ti M t i ) L l f D t il M t i l
g}
}DEF Color_1 Material {
ambientColor 0.5 0.5 0.5Translation, Matrix), Level of Detail, Material(Farbe ambient, diffus, spiegelnd, leuchtend,
transparent)Bemerkung VRML ist Plattformunabhängig und erwei-
terbar. VRML 1.0 besteht aus einer Unter-d IV F SGI i
diffuseColor 0.38147 0.305176 0.762939transparency 0
}DEF object_1 Separator {
DEF object 1 Separator {menge des IV-Formats von SGI, erweitertmit neuen Elementen für den müssen nichtdirekt in der VRML-Datei definiert werden,sondern können auch über separate Dateien(die sich irgendwo im WWW befinden) ein-
b d d
DEF object_1 Separator {Coordinate3 {
point [-2.81377 3.14639 0,
2.79287 3.14639 0,gebunden werden. 2.79287 3.14639 0, 2.79287 -1.28138 0,
2.81377 -1.28138 0, 2.81377 3.14639 3.04801, 2.79287 3.14639 3.04801,
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2.79287 -1.28138 3.04801,