JAVA 3D. PSI5789 Síntese de Imagens Professor: Márcio Lobo Netto Aluna: Alice Shimada Bacic. 1 Java 3D API

Transcrição

1 JAVA 3D 1 Java 3D API O Java 3D é uma API composta por uma hierarquia de classes em java utilizadas como interface para um sistema de rendering gráfico e de sons. O programador trabalha com construções de alto nível para criação e manipulação de objetos geométricos 3D existentes em um mundo virtual a ser renderizado. Por se tratar de uma API java, podemos aproveitar os recursos fornecidos pela plataforma, como a portabilidade, a possibilidade de trabalhar com applets em um ambiente web ou mesmo recursos que permitam o processamento paralelo, como programação multi-threads ou o RMI (Remote Method Interface), que permite o trabalho com sistemas de objetos distribuídos. Um programa em Java 3D é composto por uma hierarquia de objetos disposta em uma árvore, que descreve por completo o universo virtual e como este deve ser renderizado. Esta estrutura é chamada de Grafo de Estrutura de Dados da Cena (scene graph data structure). As classes principais de objetos do Java 3D estão no pacote javax.media.j3d (Java 3D Core Classes). Pacotes adicionais podem são fornecidos para na construção de programas em java 3D. Temos o pacote java.sun.j3d.utils ou de utilitários Java 3D (Java 3D Utility Classes), que contém classes geométricas, utilitários para a construção de cenas gráficas, carregadores de conteúdo (content loaders), etc. O pacote javax.vecmath contém classes matemáticas para a definição de vetores, pontos, matrizes e outras classes matemáticas e por fim o pacote java.awt (pacote AWT Abstract Windowing Toolkit) fornece recursos para a criação e manipulação de janelas onde serão exibidas as imagens 3D. 2 Construindo um grafo de cena (Scene Graph) Um mundo virtual Java 3D é criado a partir de um Scene graph, que contém instâncias de objetos Java 3D. Os objetos Java 3D definem a iluminação, os sons, posição, orientação e aparência de objetos visuais e sonoros. Um grafo é composto por nós, que são elementos de dados, e arcos, que representam o relacionamento entre nós. Em um grafo de cena um nó é uma instância de uma classe do Java 3D e um arco representa um dos dois tipos de relacionamentos entre instâncias de classes do Java 3D. Um relacionamento do tipo pai/filho representa um grupo e nós (Group node) que pode ter diversos filhos, porém um único pai, já um nó folha (leaf node) possui um pai, mas não possui filhos. O outro tipo e relacionamento, denominado referência (reference), associa um NodeComponent com um nó, onde um NodeComponent é um objeto que define os atributos de geometria e aparência dos objetos visuais para a renderização da cena. Temos então que um grafo de cena é uma estrutura de árvore composta por nós com relacionamento do tipo pai/filho, onde os nós são acessados através de arcos a partir da raiz, não havendo a formação de ciclos. Os NodeComponents e as referências não pertencem ao grafo de cena. Podemos definir caminhos da raiz para cada folha (Leaf node s graph scene), havendo apenas um caminho da raiz da árvore até cada folha. Cada caminho especifica por completo a informação de estado da folha, incluindo orientação, tamanho e posição do objeto visual, o 1

2 que faz com que os atributos do objeto visual dependam apenas do seu caminho no grafo de cena. O grafo de cena pode ser descrito através de uma representação gráfica, que serve como documentação e guia para a programação em Java. Os símbolos mostrados na figura 1 representam objetos quando usado em um grafo de cena. Os elementos VirtualUniverse e Locale representam objetos de classes específicas, onde o objeto VirtualUniverse possui uma lista de objetos Locale que fornece um ponto de referência no universo virtual. Os três símbolos seguintes à esquerda representam os grupos, as folhas e os NodeComponents. Estes três símbolos são freqüentemente usados para indicar a subclasse do objeto específico. O último símbolo à esquerda é usado para representar qualquer outra classe do objeto. A seta contínua representa um relacionamento da pai/filho entre dois objetos e a seta tracejada é uma referência a um outro objeto. Os objetos referenciados podem ser compartilhados entre remos diferentes de um grafo de cena. Figura 1: Itens gráficos de um grafo de cena. A figura 2 mostra um exemplo de grafo de cena, onde um objeto do tipo BranchGroup é a raiz de um subgrafo, ou grafo filho. Há duas categorias diferentes de subgrafo de cena: view branch graph e o content branch graph. O segundo especifica o conteúdo do universo virtual - geometria, aparência, comportamento, posição, som e luzes. O primeiro especifica os parâmetros da visão tais como a posição e o sentido da visão. Juntos os dois grafos especificam o trabalho a ser realizado pelo render. 2

3 Figura 2: Exemplo de grafo de cena. Resumidamente temos a seguinte hierarquia de classes: Classe nó (node class): Constitui uma superclasse abstrata para grupos e folhas, definindo alguns métodos comuns importantes para suas subclasses. As subclasses do nó compõem os grafos de cena. Classe Grupo (group class) É uma superclasse usada para especificar a posição e a orientação de objetos visuais no universo virtual. Duas das subclasses do grupo são BranchGroup e TransformGroup sendo que na representação gráfica do grafo de cena, os símbolos de grupo (círculos) são usados freqüentemente com o texto BG para BranchGroups, TG para TransformGroups, etc. Classe folha (leaf class): Trata-se de uma superclasse usada para especificar a forma, o som, e o comportamento de objetos visuais no universo virtual. Alguns das subclasses da folha são Shape3D, luz, comportamento e som. Estes objetos não podem ter nenhum filho, mas podem referenciar NodeComponents. NodeComponet: A classe NodeComponent é uma superclasse usadas para especificar a geometria, a aparência, a textura e as propriedades materiais de um folha de Shape3D. Esta classe não é parte do grafo de cena, mas é referenciada por ele. Um NodeComponent pode ser referenciado por mais de um objeto de Shape3D. 3

4 A hierarquia de classes do Java 3D fornece as classes básicas para a criação dos objetos componentes de uma cena segundo o grafo de cena mais algumas classes utilitárias para a visualização do gráfico 3D. A Figura 3 mostra um resumo das classes existentes no pacote do Java 3D. Figura 3: Resumo da hierarquia de classes. 3 Receita para produzir um programa Java 3D 1. Criar um objeto Canvas3D; 2. Criar um objeto do tipo SimpleUniverse que referencie o Canvas3D criado no passo anterior; a. Customizar o SimpleUniverse; 3. Construir um content branch; 4. Compilar o grafo do content branch 5. Inserir o grafo do content branch em um Locale pertencente ao SimpleUniverse. 4 Exemplo 4.1 HelloWorld 3D Apesar de programas Java 3D poderem ser construídos na forma de applets ou aplicações, a produção de applets oferece uma forma fácil de produzir aplicações em janelas. O programa 4

5 exemplo deve funcionar como um applet, sendo a classe principal do programa denominada HelloWorld3Da. Inicialmente é montado um grafo de cena que documenta o universo e objetos criados para esta aplicação exemplo. O applet criado deve mostrar um cubo dentro de um frame (janela). A Figura 4 mostra o grafo de cena da aplicação. Figura 4: Grafo de cena para o HelloWorld Através do grafo de cena sabemos que devemos alocar um VirtualUniverse contendo um Locale. O BranchGraph, que contém o objeto visual do tipo ColorCube, deve estar preso a um Locale. O código a seguir produz a saída da Figura 5. import java.applet.applet; import java.awt.borderlayout; import java.awt.frame; import java.awt.event.*; import com.sun.j3d.utils.applet.mainframe; import com.sun.j3d.utils.universe.*; import com.sun.j3d.utils.geometry.colorcube; import javax.media.j3d.*; import javax.vecmath.*; public class HelloJava3Da extends Applet { public HelloJava3Da() { setlayout(new BorderLayout()); // Passo 1 Canvas3D canvas3d = new Canvas3D(null); add("center", canvas3d); // Passo 3 BranchGroup scene = createscenegraph(); // Passo 4 scene.compile(); // Passo 2 // SimpleUniverse: classe utilitária SimpleUniverse simpleu = new SimpleUniverse(canvas3D); // Move a ViewPlatform um pouco para trás permitindo que os // objetos da cena possam ser vistos simpleu.getviewingplatform().setnominalviewingtransform(); // Passo 5 simpleu.addbranchgraph(scene); } // fim do construtor do HelloJava3Da 5

6 public BranchGroup createscenegraph() { // Cria a raiz do branch graph BranchGroup objroot = new BranchGroup(); cena. // Cria uma nó folha para uma forma e adiciona ao grafo de // ColorCube é uma função utilitária que cria um cubo. objroot.addchild(new ColorCube(0.4)); return objroot; } // fim do método createscenegraph // Classe main que permite que rodemos o HelloWorld como // aplicação ou applet public static void main(string[] args) { Frame frame = new MainFrame(new HelloJava3Da(), 256, 256); } // fim do método main } Fim da Classe HelloWorld3Da Exemplo 1: Código fonte: HelloWorld3Da.Java Figura 5: Imagem gerada pelo HelloWorld3Da 4.2 Exemplos de aplicações em Java3D Exemplo 2: Java Home [2] Demo em VRML que mostra os vários pedaços do ambiente Java e do Java 3D. 6

7 Exemplo 3: Visualização em astronomia [2] Aplicação para a visualização de dados científicos capturados por um radiotelescópio. Exemplo 4: Conteúdo educacional [2] Aplicação usada para ensinar o alfabeto. Exemplo 5: Ambiente Virtual Colaborativo [2] Sistema de visualização 3D colaborativo, chamado 3D Virtual Whiteboard (3DVW), que permite aos usuários interagir com modelos de alta resolução de forma distribuída através de uma arquitetura cliente servidor. 5 Bibliografia [1] Dennis J Bouvier; Getting Started with the Java 3D API: A Tutorial for Beginners ; Sun Microsystems; tutorial v1.5 (Java 3D API v1.1.2). [2] The j3d.org Code Repository: [3] Java 3D TM API Demos: [4] Java3D TM API: 7