Organisatorisches 1 Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen „Informatik und Mathematik“ · 2006....

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Animation

Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen

Tobias BreinerSS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen

Tobias Breinertbreiner@gdv.informatik.uni-frankfurt.de 2/86

Organisatorisches 1

Frauenvollversammlung des Fachbereiches „Informatik und Mathematik“ am Montag, den 19.Juni 2006, um 10 Uhr c.t. im Seminarraum 307:

Begrüßung durch DekanSituation an FBHessisches Mentorinnen-NetzwerkFrauenförderungAufgaben einer FrauenbeauftragtenWahl des Frauenrates

SS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen

Organisatorisches 2

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!

Inhalt

Zusammenfassung

Wiederholung und Vertiefung

Fahrsimulationen

Das Freie Fahrsimualtionskonzept

Echtzeitanwendungen

Volumenmodelle: Enumeration

Modellierung des vollständigen 3D-Objektes aus gleichförmigen Volumenelementen

Voxel beschreiben konstante Eigenschaften für ein einzelnes Volumenelement

DichteFarbeetc.

Space Subdivision Schema

RaumunterteilungHierarchische StrukturierungOctree, Quadtreebinary space (Binärraum)Knoten zeigt eine Unterteilung an.Blatt (on/off) zeigt an,ob Raumelement zumObjekt gehört

Unterteilung des „Betrachtungsraumesin acht Oktanten

Octree Representation - 3D

Binärraum-Unterteilung

Unterteilung in Halbräume bzw. HalbebenenUnendliche Ausdehnung des Betrachtungsraumes

Halbraum+

Halbraum-

Primitive Instancing

• 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)

Volumenmodelle: Volumendaten

Volumendaten können direkt aus diagnostischen Verfahren gewonnen werden

3D-Röntgenanalyse (CT)Kernspintomographie

(MRT)3D-UltraschallCryosection

Constructive Solid Geometry

Hierarchisch-boolesche Verknüpfung von 3D-Primitiven

Fraktale Modelle

0D in 3D0D in 3D

1D in 3D1D in 3D

2D in 3D2D in 3D

3D in 3D3D in 3D

xDxD in 3Din 3D(x ≠ n)(x ≠ n)

FraktaleFraktaleModelleModelle

Wiederholung und Vertiefung - Fraktale Modelle:

L-Systeme

1968 von Aristid LindenmayerGrundlage einer axiomatischen Theorie biologischer WachstumsprozesseMenge von ProduktionsregelnSukzessive Ersetzung von Einzelteilen eines einfachen Objektes, um komplexe Strukturen zu generieren

Midpoint-Displacement

Quelle: Björn Borer: http://www.gymlaufen.ch/3_was/311_projekte/projektwoche04/terragengalery/pages/Bjoern%20Borer%202.htm

Landsberg-Oberfläche

Quelle: http://www.cg.tuwien.ac.at/research/rendering/csg-graphs/Pics/landsberg.JPG

Fraktale Planeten

Lösung: Kugeln aus Platonischen Körpern

Tetaederkugel, Oktaederkugel, Ikosaederkugel

Diplomarbeit Jörg Homann, Betreuer Tobias Breiner

Fraktale Bauwerke

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

Konventionelle Datenmodelle

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, …)

Quaoaring Datenmodell

0D in 3D: Punktmodelle 1D in 3D: Linienmodelle2D in 3D: Flächenmodelle3D in 3D: VolumenmodellexD in 3D, x Є N: Fraktale ModellexD in 6D ( 3 Raumdimensionen +

1 Zeitdimension + 2 biologische Dimensionen ):Quaoaring Modelle

Nächstes Kapitel

Fahrsimulationen

Resümee

3D-Echtzeitanwendungen

FahrsimulationenFahrsimulationen

Das freie Fahrsimulationskonzept

Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (1976/77)

Übergang von elektromechanischenzu computerbasierten Fahrsimulationen

F11976 Atari

Midnight Racer1976 Midway

Speed Freak1977 Vectorbeam

Night Driver1976 Namco

Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1982)

Übergang von pixelbasierten zuspritebasierten Fahrsimulationen

Chequered Flag1984 Sinclair

Pole Position1982 Namco

Challenges1983 Taito

Turbo1981 Sega

Übergang von fixen zu animierten Sprites

Turbo Esprit1986 Sinclair

OutRun1986 Sega

Chace HQ 1988 Taito

Konami GT1986 Konami

Übergang von Single-Player zu Multi-Player Modi im LAN bzw. KI-

Boliden

Wec Le Mans1986 Konami

Chace HQ 1988 Taito

Cisco Heat1991 Jaleco

Final Lap1987 Namco

Motivation Geschichte der Fahrsimulationen (~1989-95)

Übergang von spritebasierten zu3D-polygonbasierten Fahrsimulationen

Final Lap 21991 Namco

Virtual Racing1992 Sega

Hov Driving1994 Hov

Hard Driving1989 Atari

Übergang von flat-shaded, untextured zu smooth shaded, textured Polygones

Virtual Racing1992 Sega

Rave Racer1995 Namco

Racing Jam1998 Konami

SF Rush The Rock1997 Atari

Übergang von per polygonezu per-pixel-shading

Dirt Dash1997 Namco

Ridge Racer V2000 Namco

Gran Tourismo2001 Sega

Battle Gear2000 Kaido

Motivation

Vergangenheit

MotivationGegenwart

Motivation Zukunft

Gibt es sie überhaupt

konventionelle FahrsimulationenRendering

1.000 - 200.000 Polygone pro Landschaftmindestens 30 bis 60 fpsArcade-Games haben universitäre Fahrsimulationen im Rendering in der Regel überholt

Spezielle Hardware für FahrsimulationenSichtsysteme

gebogene Powerwall

Cave & Semi-Cave

Head Mounted Displays

ProjektionenProjektionenProjektionenProjektionen

Monitore & Displays

Multipowerwall

Singlepowerwall

Powerwalls

Visuelle Visuelle Visuelle Visuelle HardwareHardwareHardwareHardware

Spezielle Hardware für FahrsimulationenHead Mounted Displays•Mit Head-Tracking volle 360° * 360°-Sicht

•Ohne Head-Tracking max. 240° *130°-Sicht

•Auflösungen zwischen 2* (300*200)

bis 2* (1280 x 1024 ) Pixeln

•Direct-Retinal-Beaming noch im

Versuchsstadium

Spezielle Hardware für FahrsimulationenProjektionssysteme für Fahrsimulationen

•In der Regel ca. 60° * 60° - Sicht (viele Ausnahmen)

•Auflösungen pro Beamer von 800*600 bis 2000 * 1000 Pixel

•Mono- oder Stereoskopisch

•Powerwall, Semi-Cave, Dome

•Single- oder Multibeamer

Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Pluralistik der Motion Bases

Motionbases haben zwischen 1-12 FreiheitsgradeBislang kaum genormte Schnittstellen zu MBsSehr verschiedene Variationen der Motion Bases

=> Software meist nicht Hardware-unabhängig

Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Motion Base (Beispiel: Arcade-Anwendung)

Spezielle Hardware für Fahrsimulationen Motion Base (Beispiel: Forschungsanwendung)

MB des Daimler Chrysler-Fahrsimulators„Computerworld Smithsonian Award in the area of transportation“180° * 40° -Sicht

> 150 Forschungsprojekte

Defizite konventioneller Fahrsimulationen

Inflexibilität gegenüber Hardwareveränderungen & neuen Anforderungen jeglicher ArtViele professionelle Fahrsimulationen entweder nicht echtzeitfähig oder von teuren Hochleistungs-Workstations abhängigHybridfahrsimulationen, die zwischen professionellen und spielerischen Anwendungen interpolieren, sind meist sehr unzulänglich Keine freie StreckenwahlKeine Einbeziehung unerwarteter Extremsituationen

� Fahrsimulationen sind inflexibel� Programmierer und Anwender sind unfrei in

ihren Möglichkeiten

Freiheitfür die Fahrsimulationen !

Die „Drei mal Fünf Freiheitsgrade“des Freien Fahrsimulationskonzepts

• 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

Das Freie KonzeptRenderunabhängige Fahrphysikberechnung

Berechnung der Fahrphysik erfolgt asynchron zur Visualisierung in mehreren Threads.

=> renderunabhängigeFahrphysikberechnung

Visualisierungsthread(s)

Fahrphysikthread(s)

Das Freie Konzeptschnelle Kollisionserkennung

schnelle Kollisionserkennung & implizite Abprallberechnung

� Ermöglichung von Querfeldein-Fahrten in polygonintensiven Landschaften

Probleme beim freien KonzeptVerkeilungen der FahrzeugeMinimale Ungenauigkeiten beim Abprall nach einer Kollision können zu Endloscrashs führen

=> Verkeilung!

Realisierungen beim freien KonzeptVerkeilungen der FahrzeugeEntkeilungsroutine:

-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

Entkeilung

Probleme beim freien KonzeptAsynchrone Positionsdatenübermittlung

Beachten der Laufzeiten der Datenpakete

�Vorausinterpolation der Positionen und Geschwindigkeiten aller Fahrzeugteile notwendig

� Nach Kollision wird obige Interpolation obsolet

� Verkeilungen

� Fehlinterpretationen

Das Freie FahrsimulationskonzeptPhysikalische Eckdatenprofile

Definition eines allgemeinen Sets von physikalischen Eckdaten für Fahrzeuge

� Schelle Testung von Prototypen

� Einfaches Austauschen der Fahrzeuge

Reifentyp = BiasPly, Z-Man

Reifendurchmesser = 0,..

Reifenbreite = 0,...

Reifensteifheit = 0,..

Reifenprofiltiefe = 0,...

Das Freie FahrsimulationskonzeptBeipiel für Karosserieeckdaten

•Fahrzeugtyp

•Anzahl und Position der Räder => Link zu Reifeneckdaten

•Geometrie-Link

•Masse

•cw-Wert

•Querschnittsfläche

•…

Das Freie FahrsimulationskonzeptBeipiel für Reifeneckdaten

Reifen:

•Reifentyp = BiasPly, Z-Man

•Reifendurchmesser

•Reifenbreite

•Reifensteifheit

•Reifenprofiltiefe

•Reifenprofilart

•.....

Fahrphysik für einfache Fahrsimulationen

Wichtigste FormelnDie Geschwindigkeitsveränderung ∆v pro Zeiteinheit ∆t beträgt:

∆v = a*∆t

Dabei ist die Beschleunigung a nach Newton:

a = FGes/m

Also gilt:

∆v = FGes *∆t/m

FGes = longitudinale Gesamtbeschleunigungskraftm = Masse des Fahrzeugs

Gesamtbeschleunigungskraft

Die longitudinale Gesamtbeschleunigungskraft FGes berechnet sich zu:

FA = Beschleunigungskraft NettoFL = LuftwiderstandFR = RollwiderstandFM = Massenträgheit

MRLAGes FFFFF −=−−=

Luftwiderstand

Der Luftwiderstand FL berechnet sich mit:

A = Querschnittsflächeρ= Luftdichtev = Geschwindigkeitcw = Luftwiderstandswert

LcvAF ⋅= ρ

Querschnittsfläche

Quelle: http://www.kfz-tech.de/Formelsammlung/Luftwiderstand.htm

Faustregel für Durchschnittsfahrzeuge:

A = ca. 0,8 · b · h

Luftwiderstandswerte

Typische cw-Werte:Motorrad verkleidet: 0,57Motorrad unverkleidet: 0,63Kleinwagen: 0,32Mittelklasse: 0,28Laster 0,40VW Auto 2000-Studie 0,15

Luftdichte

Luftdichte ρ:Gibt an, wie viel Masse in einem Kubikmeter Luft enthalten ist Ist abhängig von:

WetterlageHöhe über N.N.

Typischer Wert für Meereshöhe und 20°C: 1,2 kg/m3

Rollwiderstand

Der Rollwiderstand FR berechnet sich zu:

FR= cRmg

cR Rollwiderstandskooefizientm Masse des Fahrzeugsg Gravitationskonstante

Achtung: bei sehr kleinen Geschwindigkeiten (< 5km/h)wirdder Rollwiderstand durch den Haftwiderstand abgelöst, beim Schleudern und Durchdrehen der Reifen durch den Gleitwiderstand

Rollwiderstandskoeffizient

Typische Werte für den Rollwiderstandskooefizienten cR :

0,001 - 0,002 Rad auf Schiene0,006 - 0,010 Lkw-Reifen auf Asphalt0,007 Standard-Fahrrad0,01 - 0,02 Autoreifen auf Beton 0,013 - 0,015 Pkw-Reifen auf Asphalt0,015 - 0,03 Autoreifen auf Kopfsteinpflaster 0,020 Pkw-Reifen auf Schotter0,03 - 0,06 Autoreifen auf Schlaglochstrecke 0,04 - 0,08 Autoreifen auf festgefahrenem Sand0,050 Reifen auf Erdweg0,2 - 0,4 Autoreifen auf losem Sand

Quelle: T. Schmidt, D. Schlender (2003): Untersuchung zum saisonalen Reifenwechsel unter Berücksichtigung technischer und klimatischer Aspekte

Massenträgheit

FM = a*m

a = Beschleunigung des Fahrzeugsm = Masse des Fahrzeugs

Freies FahrsimulationskonzeptRückkopplungsberechnungen

Bei komplexen Rückkopplungsberechnungen (z.B. beim Federungs-Dämpfungs-System) treten unerwünschte Resonanzeffekte mit der Frame-Rate-Frequenz auf

=> Dämpfungsformel!

½ 1 2 4 8 16 32 64 128 VerhältnisFR/fFDS

ohne Dämpfungsformel mit Dämpfungsformel

Abweichung Simulation/ Realität

asymptotische Resonanzen

Freies Fahrsimulationskonzept

Verfolgungskameras

• 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

Alte Verfolgungskameraalgorithmen unzureichend �Probleme:

Freies Fahrsimulationskonzept

Kameraführungen

1. Feste Kamera mit Blick aus der Windschutzscheibe, Seitenscheiben und Rückscheibe

2. Feste Kamera mit verschiedenen Sichten aus demAuto (wie oben), jedoch wahlweise ohne Schaukelnund Gieren

3. Kamera, welche die Ausgleichbewegungen des Fahrers nachempfindet

4. Fixe Übersichtskamera auf das Auto5. Mehrere fixe Kameraeinstellungen auf das Auto

(Filmschnitte)6. Starre Verfolgungskamera7. Dynamische Verfolgungskamera mit virtuellem

‚Gummiband’8. Intelligente semiautonome Verfolgungskamera

Freies FahrsimulationskonzeptImplementierte Kameraführungen

Beliebige Kamera-konstellationenkonfigurierbar

Bildung der Objekthierarchie

am Beispiel „freie Fahrsimulation“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)

Nächstes Kapitel

Zusammenfassung

Fahrsimulationen

Das Freie Fahrsimualtionskonzept

3D-Echtzeitanwendungen3D-Echtzeitanwendungen

Echtzeit

Definition aus Wikipedia:

„Der Begriff „Echtzeit“ legt lediglich fest, dass ein System auf ein Ereignis innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens reagieren muss.“

=>„Echte“ Interaktivität

In der Computergraphik liegt dieser Zeitrahmen bei ca. 0.05s (entspricht 20 fps oder Bewegtbildgrenze)

Echtzeit

Harte Echtzeit Weiche Echtzeit

Beispiel:Freie Echtzeit-Fahrsimulation

Mit Hilfe einer objektorientierten Programmiersprache

Ziele:freie Streckenwahlkomplexe Landschaftenrealistisch anmutende Fahrphysikflexibel hinsichtlich Sichtgeräte

Einführung

Die „fünf Freunde“ der 3D-Echtzeit

1. Viel in Initialisierung verschieben!2. Maschinencodenah programmieren!3. Polygone einsparen!4. Angemessene physikalische Modelle

verwenden!5. Performanten Szenegraphen wählen!

Beschleunigung für Echtzeitanwendungen

Einsparung von Polygonen

performanter Szenegraph

Angemessenes physikalisches Modell

Verschiebung in Initialisierungsroutine

machinencodenaheProgrammierung

Algorithmische Beschleunigung

Beschleunigung der Berechnung

Echtzeit-fähigkeit

polygonintensive Landschaften

•Aktuelle Testlandschaft besteht aus ca. 300.000 Polygonen

•9*9 km großes virtuelles ArealSS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen

Polygoneinsparungen

Texturen

Billboarding

L.o.D.-Techniken

Skydome

Bumpmapping

Skydome

Quelle: http://en.wikibooks.org/wiki/Blender_3D:_Noob_to_Pro/Build_a_skybox& http://www.starship-enterprises.net/3D%20Rotating%20Dome.htm

Multi-Skydomes

Mehrere Schichten:

äußerste opak, innere halbtransparent

Billboards

Polygone, welche sich stets in Richtung des Betrachters orientieren

Billboards (Variationen)

Billboards mit Alpha-Textur:Billboards mit transparenten und opaken Anteilen (fast immer)Multi-Billboards:Mehrere hintereinanderliegende Schichten von BillboardsAxis alined Billboards: Billboards, die sich nur um eine definierte Achsedrehen können – in der Regel y-AchseCriss-Cross-Billboards:Billboards die zusätzliche Flächen beinhalten, welche die Hauptffläche durchdringenVideo-Billboards:Billboards mit einer Videotextur

Multibillboards

Mehrere hintereinanderliegende Schichten von BillboardsVorteile:

Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung

Multi-BBs mit Verschiebungen/Skalierungen

Multibillboards mit Internen Verschiebungen und/oder SkalierungenVorteile:

Formänderungen (z.B. für Wolkenveränderungen, Rauch,o.ä.)

Criss Cross Billboards

Billboards mit zusätzlichen metaorthogonalenSchnittflächen Vorteile:

Tiefenschärfe (wenn Rendermodell dies unterstützt) Interne perspektivische Verschiebungen bei Nahbetrachtung Gut geeignet für Bäume

LoDs mit finalem Billboarding

Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.php

Sky-Billboarding

Quelle: http://www.720studios.net/~sam/projProposal.phpVorteil gegenüber Sky-Dome:

•Wolken verschieben sich gegeneinander

•Überlagerung von Wolken

Nachteil:

•Artefakte bei WolkenkreuzungenSS 2006 - AnimationFahrsimulationen & Echtzeitanwendungen

Billbaords mit Alpha-Textur

Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm

Ohne Alpha mit Alpha

Schatten-Billboarding

Quelle: http://www.hortus3d.com/fr_bil.htm

Angemessene Physikalische Modelle

Druck, Haft- und Gleitreibung an den 4 Aufsatzpunkten

Drehmomente um Y-Achse

Beschleunigung, ImpulsGefederte Masse

Ungefederte Masse

z.B. Ifimetrale Fahrphysik

Nächstes Kapitel

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Fahrsimulationen

Das freie Fahrsimulationskonzept

Zusammenfassung

Geschichte der FahrsimulationenVoraussetzung für FahrsimulationenDas Freie FahrsimulationskonzeptErster Einblick in die Fahrphysik Erstellen von 3D-Echtzeitanwendungen

Nächste Woche

Animation mit SzenegraphenWas ist ein Szenegraph? Welche Arten von Szenegraphen existieren?Hierarchische Animation mit Hilfe von SzenegraphenErstellen einer exemplarischen 3D-Echtzeitanwendung mit Hilfe eines Szenegraphen

EndeDankeDankefürfür IhrIhrInteresseInteresse!!

Tobias Breiner Tobias Breiner tbreiner@gdv.informatik.unitbreiner@gdv.informatik.uni--frankfurt.de frankfurt.de

Organisatorisches 1 Fahrsimulationen & Echtzeitanwendungen „Informatik und Mathematik“ · 2006....

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