Sistemi multimediali
Massimiliano Piscozzi – [email protected]
Struttura del corso

Introduzione a X3D

Architettura interna di X3D

Presentazione degli oggetti principali che
compongono una scena X3D e corrispondente
codifica in XML

Creazione al computer di scene X3D

Utilizzo del software X3D-Edit
Introduzione a X3D
X3D: eXtensible 3D
Cos’è X3D?!
• Nuova generazione di specifiche grafiche per la
descrizione di contenuti tridimensionali interattivi (ISO
Open Standard)
• Successore di VRML97
– Nuove funzionalità
– Codifica XML
– Architettura a componenti più facilmente estendibile
Cosa non è X3D?!
• Un programma di modellazione / animazione 3D
• Un linguaggio di programmazione
Aree di applicazione
• Presentazioni multimediali
• Pagine web
• Visualizzazione in ambienti RV immersivi
• Mondi virtuali multiutente
• Visualizzazione scientifica
• Formato di interscambio tra diverse applicazioni 3D
Maya
Browsers X3D
3D Studio Max
Funzionalità di X3D (1)
• Grafica 3D
Geometria poligonale, geometria parametrica, trasformazioni gerarchiche,
illuminazione, materiali e textures
• Grafica 2D
Testo, forme planari inserite all’interno della gerarchica delle trasformazioni
3D
• Animazione
Timers e interpolatori per gestire le animazioni in modo continuo, morphing
e animazione di umanoidi (H-Anim)
• Audio e video
Sorgenti audiovisive mappate sugli oggetti geometrici della scena
• Navigazione
Gestione dei punti di vista, movimento dell’utente nello spazio 3D, test di
collisione, prossimità e visibilità
Funzionalità di X3D (2)
• Interazione con l’utente
Sensori per il picking e dragging via mouse, input da tastiera
• Oggetti definiti dall’utente
Possibilità di estendere le funzionalità built-in del browser creando nuovi
data types
• Scripting
Possibilità di cambiare dinamicamente la scena tramite linguaggi di
programmazione e scripting
• Networking
Possibilità di comporre una scena a partire da risorse distribuite sulla rete,
hyperlinking di oggetti verso altre scene o risorse sul web
• Simulazione fisica
Animazione di umanoidi (H-Anim), dataset geospaziali, integrazione col
protocollo DIS (Distributed Interactive Simulation)
Struttura del corso

Introduzione a X3D

Architettura interna di X3D

Presentazione degli oggetti principali che
compongono una scena X3D e corrispondente
codifica in XML

Creazione al computer di scene X3D

Utilizzo del software X3D-Edit
Architettura di X3D
X3D/VRML files, streams
Eventi esterni (pagine Web)
Browser
Parser
XML
VRML
classic
X3D
Node types
Binary
Prototype,
External
Prototype
Scene graph manager
Scene graph
API
SAI
EAI
Scene Authoring
Interface
External Authoring
Interface
SAI (Scene
Scripting
Authoring
Engines
Interface)
(Ecmascript,
Java...)
Event graph
Architettura di X3D
X3D/VRML files, streams
Eventi esterni (pagine Web)
Browser
Parser
XML
VRML
classic
X3D
Node types
Binary
Prototype,
External
Prototype
Scene graph manager
Scene graph
API
EAI
• Da cosa
lo
SAI è composto
External Authoring
Scene Authoring
Interface
Interface
scene graph?!
• Quali sono
le
SAI
(Scene
Scripting
Authoring
dichiarazioni
X3D e come
Engines
Interface)
(Ecmascript,
codificarle
in XML?!
Java...)
Event graph
Scene graph (1)
Lo scene graph:
• è la struttura fondamentale dell’ambiente run-time di
X3D
• contiene tutti gli oggetti del sistema e le loro relazioni
Primitive geometriche
Transformation hierarchy:
Materiali
Descrive le relazioni spaziali fra gli
Sorgenti luminose
oggetti da visualizzare
Punti di vista
Sensori
Behaviour graph:
Descrive le connessioni tra i campi
Sorgenti audio
···
degli oggetti e il flusso degli eventi
attraverso il sistema
Scene graph (2)
Lo scene graph:
• è un grafo aciclico orientato (DAG – direct acyclic graph)
in cui i nodi possono contenere dei campi costituiti da
nodi-figli
Node A
Node B
Node D
Node E
Nodi radice
Node F
Nodi figli
Node C
Scene graph
Transformation hierarchy (1)
All’interno dello scene graph si può individuare una
gerarchia delle trasformazioni (transformation hierarchy)
che include tutti i nodi radice e i loro discendenti aventi
una collocazione nello spazio 3D
In base alla transformation hierarchy:
• i nodi radice sono posizionati rispetto al sistema di coordinate
globale (world) della scena
• i nodi figli sono posizionati rispetto ad un sistema di coordinate
locale (local) definito in termini di trasformazioni a partire dal
sistema di coordinate del nodo padre
Scene graph
Transformation hierarchy (2)
• Ogni scena X3D definisce implicitamente un sistema di
coordinate globali
Sistemi di
coordinate locali
(rispetto ai nodi
padre)
y
Sistema di
coordinate globale
x
z
Scene graph
Transformation hierarchy (2)
• Ogni scena X3D definisce implicitamente un sistema di
coordinate globali
Sistemi di
coordinate locali
(rispetto ai nodi
padre)
y
Sistema di
coordinate globale
x
z
 Le trasformazioni geometriche di un nodo coinvolgono tutti i suoi nodi discendenti
Scene graph
Transformation hierarchy (2)
• Ogni scena X3D definisce implicitamente un sistema di
coordinate globali
Sistemi di
coordinate locali
(rispetto ai nodi
padre)
y
Sistema di
coordinate globale
x
z
 Le trasformazioni geometriche di un nodo non coinvolgono il nodo padre
Scene graph
Behaviour graph (1)
All’interno dello scene graph vi possono essere delle
connessioni (routes) fra campi di nodi distinti
 esse costituiscono il behaviour graph
Node C
Node A
Node B
Node D
Il behaviour graph :
• specifica come gli eventi si propagano nel sistema
• è modificabile dinamicamente reindirizzando (rerouting),
aggiungendo o sopprimendo delle connessioni
Scene graph
Behaviour graph (2)
Esempio di routing degli eventi:
 al trascorrere del tempo (tra 0 e 5 secondi) il cono si muove
dalla posizione A alla posizione B
A
B
Timer
Interpolatore
ConoTransf
startTime
fraction
translation
endTime
value
·· ·
fraction
key
·· ·
keyValue
·· ·
L’ambiente run-time
L’ambiente run-time di X3D:
• visualizza la scena (rendering)
• riceve input da diverse sorgenti (sensori) e coordina
l’elaborazione degli eventi
• gestisce lo stato corrente dello scene graph
• gestisce i collegamenti tra il browser X3D e applicazioni
esterne per l’hyperlinking e l’accesso tramite API
• gestisce il ciclo di vita dei singoli oggetti (sia gli oggetti
built-in sia quelli definiti dall’utente)
L’object model
• Il sistema X3D è costituito da un insieme di entità
astratte chiamate oggetti
Fields (campi)
Nodes (nodi)
Derivati dall’oggetto
X3DField rappresentano
dei concetti semplici come
ad esempio valori
booleani, stringhe di
caratteri, array di valori in
virgola mobile, ...
Derivati dall’oggetto
X3DNode rappresentano
dei concetti più complessi
e possono contenere uno
o più fields per
memorizzare dei dati
interni o per spedire e
ricevere degli eventi
 Alcuni oggetti (dichiarazioni ROUTE, PROTO, metadata, informazioni su
Components e Profiles) non sono né campi né nodi
L’object model:
i campi (1)
Fields
Un campo può contenere:
• un singolo valore di un dato tipo (SF...)
• un array di valori dello stesso tipo (MF...)
Tipi definiti in X3D:






SFBool, MFBool
SFColor, MFColor
SFColorRGBA, MFColorRGBA
SFDouble, MFDouble
SFFloat, MFFloat
SFInt32, MFInt32
TRUE / FALSE
(R G B) componenti (0,1)
(R G B A) componenti (0,1)
floating-point in doppia precisione
floating-point in singola precisione
intero a 32-bit
L’object model:
i campi (2)
...tipi definiti in X3D:
 SFImage, MFImage
immagine bidimensionale non
compressa
 larghezza, altezza, n° componenti
 ‘larghezza x altezza’ valori (pixels)
 SFNode, MFNode
 SFRotation, MFRotation
nodo X3D
(x y z a): rotazione di a radianti
rispetto all’asse (x y z)
 SFString, MFString
 SFTime, MFTime
stringa codificata in UTF-8
valore in doppia precisione: secondi a
partire dal 1° gennaio 1970, 00:00:00




SFVec2d, MFVec2d
SFVec2f, MFVec2f
SFVec3d, MFVec3d
SFVec3f, MFVec3f
vettore bidimensionale di double
vettore bidimensionale di float
vettore tridimensionale di double
vettore tridimensionale di float
L’object model:
i nodi (1)
Nodes
• I nodi sono istanziati dichiarandoli in un file o usando
codice procedurale a run-time
• Si possono creare nuovi tipi di nodi (meccanismo di
prototyping)
– Diventano parte dell’ambiente run-time
– Vengono trattati come gli oggetti built-in
• La maggior parte dei tipi dei nodi implementano delle
funzionalità aggiuntive attraverso l’ereditarietà di
interfacce (proprietà e funzionalità comuni)
L’object model:
i nodi (2)
Ciascun nodo contiene zero o più campi che definiscono:
• lo stato persistente del nodo
• i valori che il nodo può spedire e ricevere sotto forma di eventi
Vi sono 4 tipi di accesso ai campi di un nodo:
• initializeOnly: non riceve e non spedisce eventi
• inputOnly: è permessa la sola ricezione di eventi
• outputOnly: è permessa la sola spedizione di eventi
• inputOutput: sono permesse sia la ricezione sia la spedizione di
eventi
L’object model:
i nodi (3)
Regole per l’assegnazione dei nomi ai campi:
• Tutti i nomi composti da più parole cominciano con una minuscola,
mentre le successive iniziali sono maiuscole
– Esempio: nomeCompostoDaVarieParole
• I campi inputOnly hanno il prefisso “set_”
– Esempio: set_foo
– Eccezioni: addChildren, removeChildren, alcuni campi del tipo ‘SFTime’
• I campi outputOnly hanno il suffisso “_changed”
– Esempio: foo_changed
– Eccezioni: i campi di tipo SFBool (ex: isActive), alcuni campi del tipo ‘SFTime’
• I campi inputOutput aggiungono al proprio nome il prefisso “set_” o
il suffisso “_changed” a seconda che siano usati nella ricezione o
nell’invio di eventi
– Esempio: foo, set_foo, foo_changed
L’object model:
i nodi e il flusso degli eventi
Nodo
initializeOnly
campoA
inputOnly
campoB
outputOnly
campoC
inputOutput
campoD
·· ·
• Gli eventi sono il mezzo primario per generare dei comportamenti
nell’ambiente run-time
– Gli eventi in output sono connessi agli eventi in input in modo
dichiarativo
• Per poter stabilire una connessione (ROUTE) fra due campi occorre
associare ai nodi un nome
– Costrutto DEF / USE
• Gli eventi sono generati da sensori o script e poi propagati lungo il
behaviour graph
– Una cascata di eventi è caratterizzata dallo stesso timestamp