Ghidul Autorului (titlul lucrării) [304497]

Realitatea Virtuală (Virtual Reality), tehnologie modernă a [anonimizat] – Universitatea “Ovidius” Constanța

([anonimizat] , [anonimizat] )

Abstract

Realitatea Virtuală(Virtual Reality) [anonimizat](calculatoare și echipamente specializate). [anonimizat]/modelarea unei alte realități. Se prezintă modelarea în mediile virtuale și produsele software OpenGL și VRML de creare și vizualizare a scenelor .

1. Introducere în Virtual Reality

Cuvântul « Virtual » este folosit frecvent în studiile / cercetările / experimentele / produsele software ale informaticii și ale domeniului IT&C, în general pentru a desemna o entitate/un mediu care simulează/modelează o entitate/un mediu din realitatea obișnuită a omului. Prin « realitate » vom înțelege mediul natural perceput de om prin intermediul simțurilor. Faptul că « realitatea » [anonimizat] / modelarea acesteia prin generarea

/furnizarea datelor/informațiilor percepute de unul sau mai multe simțuri. [anonimizat] (VR-Virtual Reality) [anonimizat](calculatoare și echipamente specializate). [anonimizat]/modelarea unei alte realități. Se poate afirma că acest sistem/mediu, această realitate simulată pe calculator este Realitatea Virtuală.

[anonimizat], [anonimizat](VPN), Virtual University Education(VUE) se utilizează frecvent în informatică și în domeniul IT&C. [anonimizat] a unui sistem de calcul printr-o [anonimizat] o memorie de capacitate mult mai mare decât cea reală.

[anonimizat] a tehnologiei microprocesoarelor a produs pe piața de calculatoare mașini din ce în ce mai puternice. [anonimizat], [anonimizat], să utilizeze produse software ale graficii pe calculator(Computer Graphics). [anonimizat], cu jocurile pe calculator și crește la nesfârșit. Ea permite să privim lumea înconjurătoare într-o [anonimizat], [anonimizat], sau care nici măcar nu s-au creat încă. [anonimizat] 3D nu are nici frontiere și nici constrângeri și poate fi creată și manipulată de orice utilizator după dorință. Nu este lipsit de interes să ne găndim pentru o [anonimizat] o a [anonimizat] a imaginației noastre. Dar, indiferent de stadiul de dezvoltare atins, acesta nu este suficient, utilizatorii dorind tot mai mult. Ei doresc să pășească în această lume și să interacționeze cu ea, în loc să privească doar o imagine pe monitor. Această tehnologie, din ce în ce mai populară și modernă, se numește Realitate Virtuală (Virtual Reality). Noile echipamente VR încearcă să reproducă funcțional comportamentul normal al omului într-o altfel de realitate: realitatea virtuală. Aceste echipamente sunt:

ochelari 3D, căști VR ( HMD-Head Mounted Display ), monitoare 3D;

mănuși VR, volane, gamepad-uri ( toate cu “force feedback”, adică sunt capabile să comunice bidirecțional cu mediul virtual );

trackere (acestea urmăresc mișcările corpului uman ).

Aplicațiile cele mai importante ale realității virtuale sunt considerate următoarele:

modelare, simulare și vizualizare în domeniul științific, prin care se obțin imaginea și studiul diferitelor modele sau fenomene inaccesibile observației directe(fluxuri de informații, structuri atomice, sisteme meteorogice, sisteme cosmice etc.); utilizarea rezultatelor în software educațional;

experimente și simulări în domeniul medicinei, pentru învățarea diferitelor proceduri fără riscul vieții pacientului (de exemplu, în chirurgie);

sisteme de simulare(simulatoare) pentru antrenamentul piloților, astronauților, șoferilor etc., prin care se pot exersa manevre dificile, fără a fi în pericol viața participantului sau securitatea cabinei de vehicul (avion, elicopter, mașină, tren, navă maritimă, navă spațiala etc.);

proiectare asistată de calculator(CAD) în diferite domenii (construcții, arhitectură etc.), prin care proiectantul are posibilitatea să vadă rezultatele proiectului sub forma imaginii acestuia în timp real, să observe detaliile, să studieze respectarea diverselor criterii, să ia decizii de modificare a parametrilor înainte de construirea prototipului;

realizarea de jocuri distractive pe calculator și filme de animație. Calculatorul este acela care a permis crearea unor “medii virtuale” capabile să reproducă din ce în ce mai fidel realitatea înconjurătoare, atât prin intermediul programelor elaborate de specialiști informaticieni (software specializat pentru simulatoare, jocuri, programe de interacțiune: 3DWebmaster; WorldUp; CALVIN; 3D Impact ! Pro; 3DAnywhere; Adobe AtmosphereTM; Anark Studio; AXEL; Effect3D; Kazoo 3D), cât și prin intermediul echipamentelor și tehnologiilor VR care i se pot asocia. Mediile virtuale necesită mai multe resurse decât o face un sistem desktop standard. Pentru asigurarea interacțiunii cu utilizatorul sunt necesare dispozitive hardware de input/output suplimentare, împreună cu driverele speciale asociate. Figura următoare ilustrează cele mai importante părți ale interacțiunii om-calculator. Utilizatorul este echipat cu un HMD (Head Mounted Display), tracker și optional, cu un dispozitiv de manipulare (mouse 3D, mănușă VR etc). Pe masură ce utilizatorul efectuează acțiuni de deplasare, rotire a capului, deci schimbări ale punctului de vedere, informații care descriu comportamentul acestuia sunt trimise calculatorului prin intermediul dispozitivelor de intrare. Calculatorul procesează informația în timp real și generează un feedback corespunzător, care este trimis utilizatorului prin intermediul ieșirilor (video, audio, haptice etc).

Realitatea virtuală este o simulare generată de calculator a unui mediu tridimensional, în care utilizatorul este capabil să vizualizeze și să manipuleze conținutul acestui mediu. Dacă termenul de multimedia se referă la date preasamblate și preprogramate, incluzând o suită de informații din anumite medii, realitatea virtuală este dinamică și în interacțiune permanentă cu receptorul/utilizatorul ei. Multimedia este la bază bidimensională, o serie de imagini prezentându-se, conform unui scenariu predefinit, pe ecran, pe când realitatea virtuală este tridimensională, mult mai flexibilă și intens interactivă, combinație avansată de hardware și software multimedia. Utilizatorul unui sistem virtual are libertatea de a explora lumea creată de calculator și de a interacționa direct cu ea.

Conceperea unui univers tridimensional virtual se poate realiza folosind VRML (Virtual Reality Modeling Language), scopul inițial al limbajului fiind tranziția de la o interfață text tip Web la una având trei dimensiuni, în permanentă interacțiune cu utilizatorul. VRML a fost creat în primăvara anului 1994 și prezentat la prima Conferință WWW din Geneva, la dezvoltarea sa avându-se în vedere independența de platformă, extensibilitatea și abilitatea de a lucra în cadrul rețelelor. După specificația inițială VRML 1.0, în anul 1995 a apărut VRML versiunea 1.1, iar în anul 1997 a apărut versiunea VRML 2.0 fiind standard ISO și care se numește VRML97. Astăzi, VRML este rescris în termeni XML (Extensible Markup Language), noua versiune având numele X3D. În loc de a parcurge pagini cu imagini statice și de a urma hiperlegături, utilizatorii pot, de exemplu, să parcurgă coridoare și să manipuleze obiecte, folosind o cască specială de vizualizare (Head-Mounted Display-HMD) și o mănușă VR pentru „comunicare”’ cu mediul. Mai nou, a apărut ecranul retinal virtual (Virtual Retinal Display-VRD) pentru o explorare mai facilă a lumii 3D. Informații despre VRML se pot găsi la adresa http://www.vrml.org. De asemenea, pentru informații privind termeni din domeniul informaticii se poate consulta The Free Online Dictionary of Computing la adresa http://wombat.doc.ic.ac.uk.

Realitatea Virtuală (RV) și Mediu Virtual (MV) sunt termeni utilizați în comunitatea

Computer Science. De asemenea, la fel de importanți sunt: Lume Virtuală (Virtual World), Mediu Virtual (Virtual Environment), Mediu Sintetic (Synthetic Environment), Lume Artificială (Artificial World), Realitate Artificială (Artificial Reality). Toate acestea înseamnă, de fapt, concepte care generează următoarele definiții pentru Realitatea Virtuală:

“Realitatea Virtuală este un sistem folosit pentru a crea o lume artificiala pentru un utilizator astfel încât acesta să aibă impresia că se află în această realitate în care se poate mișca și interacționa cu obiectele înconjurătoare” [C. Manetta, R. Blade-1995]

“Grafica interactivă în timp real cu modele 3D combinată cu o tehnologie de afișare care oferă utilizatorului imersiunea în modelul lumii și posibilitatea manipulării directe a acestuia” [H. Fuchs, G. Bishop-1992]

“Iluzia participării într-un mediu sintetic în locul observării externe a acestui mediu. RV se bazează pe display-uri 3D stereoscopice purtate de utilizator, urmărite, urmărirea mâinilor/corpului și un sunet binaural. RV este o experiență imersivă, multi senzorială” [M. Gigante-1993]

“Simulări pe calculator care utilizează o grafică 3D și astfel de dispozitive, cum sunt DataGlove, pentru a permite utilizatorului să interacționeze cu simularea” [Jargon Dictionary-1995]

“Realitatea Virtuală se referă la medii imersive, interactive, multi-senzoriale, centrate spre utilizator, tridimensionale, generate de calculator și combinarea tehnologiilor necesare construirii acestor medii” [C. Cruz-Neira-1993]

“Realitatea Virtuală ne permite să navigăm și să vedem o lume în trei dimensiuni în timp real, cu șase grade de libertate, fiind, în esență, o clonă (virtuală) a realității fizice” [L. and E. Schweber-1995].

Sistemele de Realitate Virtuală se disting în mai multe categorii:

sisteme de realitate virtuală imersive (immersive VR);

sisteme de simulare (simulation VR);

sisteme proiective (projected VR);

sisteme cu teleprezență (telepresence VR);

sisteme de realitate îmbogațită (augmented reality VR);

sisteme de realitate virtuală desktop (desktop VR).

Imersivitatea este proprietatea sistemului de realitate virtuală care provoacă senzația de „prezență” în mediul virtual, adică utilizatorul/participantul se simte în „locul’ din mediul virtual afișat pe un display, acesta facând parte integrantă din mediul virtual care simulează o realitate. Din aceste motive, un sistem de realitate virtuală este compus din mai multe subsisteme ce comunică între ele pentru redarea interațiunii.

“There is an ever expanding set of interactive graphics applications which require smooth and fast free space tracking of some part of the user's body, or some hand-held object. Headmounted displays (HMDs) for immersive virtual environment simulations have stimulated a tremendous amount of activity since the early 1990s. Many virtual prototyping systems were developed, often using "goggles and gloves" for interaction. While the media has been distracted by the new phenomenon of the world-wide web, virtual environment technology has made great strides, especially in the area of real-time rendering on affordable hardware, and has been silently catapulted out of the laboratory and into real-world applications. Recently, there has been considerable interest in wearable Augmented Reality (AR) systems and virtual set generation for television studios. While these seem to present fairly dissimilar tracking problems (tracking a headset v. tracking a camera), they both require a long-range tracking solution with very high accuracy that will work reliably in an uncontrolled environment full of interference sources” (Eric Foxlin, Michael Harrington, George Pfeifer, Constellation: A Wide-Range Wireless Motion-Tracking System for Augmented Reality and Virtual Set Applications, Proceedings of SIGGRAPH 98 -Orlando, Florida, July 19-24, 1998, Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH ).

2. Modelare și interacțiune în mediile virtuale

Care sunt modelele și mijloacele de reprezentare ale lumii reale? Soluțiile tehnologice ale RV vizează toate simțurile umane, omul fiind elementul central în dialogul ommașină. În acest sens, există soluții de interfață vizuală, audio, de urmărire, de intrare primară a utilizatorului (cu ajutorul mănușilor VR , exoskeleton, joystick, trackball, 3Dmouse , pen-based), haptică, de mișcare a întregului corp și chiar olfactivă. Rolul interfețelor vizuale este acela de cuplare vizuală între utilizator și mediul virtual, sau chiar de cuplare între utilizator și mediul virtual pe de o parte și cel real pe de altă parte, în cazul mediilor reale imbunătățite, Augmented Reality(AR). În timp ce urmărirea utilizatorului este un tip de interfață care este aproape transparentă utilizatorului, informațiile oferite de acesta (legate de poziția și orientarea utilizatorului) mediului virtual sunt critice în informarea sistemului de RV asupra poziției și orientării utilizatorului sau, astfel încât să se realizeze o corelare între imaginea recepționată de utilizator și poziția și orientarea acestuia. Interfețele audio pot juca un rol important în oferirea intrărilor informaționale către utilizator, ducând la creșterea realismului mediului simulat, și sugerând utilizatorului senzația prezenței în cadrul acestui mediu.

“Modeling and rendering of natural scenes with thousands of plants poses a number of problems. The terrain must be modeled and plants must be distributed throughout it in a realistic manner, reflecting the interactions of plants with each other and with their environment. Geometric models of individual plants, consistent with their positions within the ecosystem, must be synthesized to populate the scene. The scene, which may consist of billions of primitives, must be rendered efficiently while incorporating the subtleties of lighting in a natural environment. Synthesis of realistic images of terrains covered with vegetation is a challenging and important problem in computer graphics. The challenge stems from the visual complexity and diversity of the modeled scenes. They include natural ecosystems such as forests or grasslands, human-made environments, for instance parks and gardens, and intermediate environments, such as lands recolonized by vegetation after forest fires or logging. Models of these ecosystems have a wide range of existing and potential applications, including computer-assisted landscape and garden design, prediction and visualization of the effects of logging on the landscape, visualization of models of ecosystems for research and educational purposes, and synthesis of scenes for computer animations, drive and flight simulators, games, and computer art” (Oliver Deussen, Patrick Hanrahan, Matt Pharr, Bernd Lintermann, Radomír Mech, Przemyslaw Prusinkiewicz, Realistic Modeling and Rendering of Plant Ecosystems, SIGGRAPH 98, Orlando, Florida, July 19-24, 1998, COMPUTER GRAPHICS Proceedings,

Figura 2. Modelarea virtuală a unui peisaj natural (SIGGRAPH 98)

Generarea de lumi virtuale implică o serie de aspecte care nu au fost prezente în grafica pe calculator standard. Cea mai mare provocare este performanță versus comportamentul și aspectul natural al mediului. Aceste cerințe sunt contradictorii: modelele mai convingătoare și simulările fizice mai bune necesită mai multe resurse hardware și software, și deci un cost computațional mărit care va afecta performanța globală. Poate fi imaginată o serie întreagă de tipuri de modele reprezentând lumi virtuale, începând de la modelele simple, cum ar fi o simplă cameră, nemobilată, până la modelele complexe, cum ar fi un întreg oraș, cu clădirile sale conținând camere, fiecare modelată cu un mare grad al detaliului. În timp ce este trivial să se afișeze un model simplu, cu o performanță adecvată, nu la fel de simplă se prezintă situația în care trebuie să se afișeze milioane de poligoane, chiar dacă sunt încărcate în memorie. Astfel, nu va fi niciodată tehnic posibil, să echilibrăm această balanță, căci, cu cât va fi mai rapid hardware-ul, cu atât mai complexe și mai rafinate vor fi modelele. Este nevoie să se dezvolte structuri de date și algoritmi dedicați care să permită producerea unei imagini de o calitate foarte ridicată la un cost acceptabil.

Orice aplicație de RV trebuie să prezinte o performanță și interacțiune reale. Această cerință, fundamentală poate fi indeplinită doar atunci când toate componentele sistemului de intrare, de interacțiune și de ieșire, sunt integrate in mod corespunzător. Din păcate, nici chiar cel mai puternic hardware nu poate atinge singur acest deziderat, el necesitănd asistență software pentru precizia controlului, managementul resurselor și sincronizare.

Constructia și întreținerea mediilor virtuale pe baze fizice, multi-user și deci distribuite, nu este o sarcină ușoară. Este necesară independența hardware, flexibilitate și paradigme de nivel înalt în vederea programării ușoare, întreținerii și o interfață consistentă cu utilizatorul, pentru a se asigura minimizarea intârzierilor. Câteva din exemplele de Toolkit-uri și sisteme de medii virtuale sunt: MR(Minimal Reality) [Shaw93a,b], NPSNET [Zyda92a,b,Mace95], DIVE [Carl93], CAVE [Cruz93b], AVIARY [Snow94], RING [Funk95a], GNU/MAVERIK [Hubb01].

“Subdivision surfaces have emerged recently as a powerful and useful technique in modeling free-form surfaces. However, although in theory subdivision surfaces admit local parametrizations, there is a strong belief within the computer graphics community that these parametrizations cannot be

evaluated exactly for arbitrary parameter values”

(Jos Stam, Exact Evaluation of Catmull-Clark Subdivision Surfaces at Arbitrary Parameter Values,

SIGGRAPH 98, Orlando, Florida, July 19-24, 1998,

COMPUTER GRAPHICS Proceedings, Annual

Conference Series, 1998).

Elementele principale în conceperea și elaborarea unui mediu virtual sunt:

componenta grafică 3D cu ajutorul căreia se realizează vizualizarea;

modelul mediului virtual împreună cu toate elementele care-l populează;

motor de control al deplasării entităților componente;

feedback în timp real din partea ambelor părti participante în cadrul interacțiunii omcalculator;

motor de simulare/control al comportamentului entităților sintetice și fenomenelor naturale desfășurate în mediul curent.

Figura 3. A conceptual sketch of the office of the future

(Ramesh Raskar, Greg Welch, Matt Cutts, Adam Lake, Lev Stesin, Henry Fuchs, The Office of the Future: A Unified Approach to Image-Based Modeling and Spatially Immersive Displays, SIGGRAPH 98, Orlando, Florida, July 19-24, 1998, COMPUTER GRAPHICS Proceedings, Annual Conference Series, 1998).

Componentele și funcțiile principale ale unui sistem de RV pot fi împărțite în:

procese de intrare – controlează dispozitivele utilizate în introducerea datelor. Există o mare varietate de astfel de dispozitive: tastatură, mouse, trackball, joystick, trackeri de poziție 3D & 6D (mănușă, head tracker, costum, etc.). Un sistem de RV în rețea va adaugă intrările recepționate din rețea. Un dispozitiv de recunoaștere vocală constituie o îmbunătățire a unui mediu de RV, in special atunci când mâinile utilizatorului sunt ocupate cu alte sarcini;

proces de simulare -proces care cunoaște entitățile componente mediului și intrările care acționează asupra lor; tratează interacțiunile, acțiunile scriptice ale obiectelor, simulările legilor fizice, reale sau imaginare, și determină starea mediului. Această simulare este, de fapt, un proces discret care este iterat la fiecare interval de timp;

proces de randare – procesele de randare ale unei aplicații de RV sunt cele care crează senzațiile cele mai intense utilizatorului. În cazul unei soluții orientate spre rețea, ieșirile aplicației pot fi destinate altor procese situate în cadrul rețelei. În acest caz, ar trebui să existe procese separate de randare pentru fiecare din sistemele vizuale, audio, haptice (touch/force), perceptuale. Fiecare din aceste randari trebuie să posede o descriere a stării lumii provenită din procesul de simulare sau derivând direct din baza de date a mediului, pe parcursul fiecărui interval de timp;

baza de date a lumii virtuale – lumea virtuală trebuie definită în cadrul unui spațiu al lumii; prin natura sa, ca simulare pe calculator, această lume este, în mod necesar, limitată. Calculatorul trebuie să plaseze o valoare numerică în locațiile fiecărui punct al fiecărui obiect din cadrul lumii. Frecvent, aceste coordonate sunt exprimate în coodonatele carteziene x, y, z (lungime, înălțime , adăncime/cota), fară însă a exclude posibilitatea utilizării sistemelor de coordonate alternative, cum este cazul celor sferice sau cilindrice, cele carteziene fiind însă întâlnite în absolut toate aplicațiile. Conversiile dintre sistemele de coordonate sunt, din punct de vedere matematic, relativ simple, dar consuma timp. Baza de date a lumii mai poate conține și informații asupra controalelor hardware și modul în care acestea sunt integrate în aplicație.

procese de stocare și modelare – elementele primordiale care sunt stocate în baza de date a lumii sunt obiectele care populează lumea, scripturile care descriu acțiunile acestor obiecte sau ale utilizatorului, deci lucruri care i se întâmplă acestuia, sursele de lumină, controalele aplicației și starea dispozitivelor hardware; există o serie de metode de stocare a informației despre o lume virtuală: într-un singur fișier, o colecție de fișiere sau chiar o bază de date. Soluția oferită de fișiere multiple este una din cele mai frecvent utilizata de pachetele de dezvoltare a aplicațiilor de RV. Astfel, fiecare obiect are unul sau mai multe fișiere (geometrie, scripturi, etc.) și există un fișier care reține informația despre întreaga lume care declanșează încărcarea tuturor celorlalte fișiere. Unele sisteme includ și un fișier de configurare care definește conexiunile cu interfața hardware. Alteori, întreaga bază de date este încărcată în timpul pornirii aplicației, în timp ce alte sisteme citesc doar fișiere strict necesare, încărcarea celorlalte realizându-se dinamic. O bază de date orientată spre obiecte ar fi foarte potrivita unei aplicații de RV, chiar dacă această soluție nu este, încă, larg răspândită. Fișierele de date sunt cel mai adesea stocate în format ASCII. Obiectele dintr-un mediu virtual pot avea geometrie, se pot organiza ierarhic, se pot manifesta, eventual prin scripturi, și pot avea o serie de alte atribute. Esența obiectelor poate avea un puternic impact asupra structurii și proiectării sistemului. Modelarea formei și geometriei obiectelor este un domeniu deosebit de vast și divers. Unele abordări caută să obțină o modelare geometrică foarte exactă a obiectelor din lumea reală, în timp ce altele crează reprezentări simplificate. Majoritatea sistemelor de RV sacrifică detaliu și exactitate în favoarea simplității, pentru a obține o viteză sporită în randare. Modelarea solidelor și operațiile booleene, eventual regulate, de modelare, constituie forme de modelare care utilizează obiecte primitive (cuburi, sfere, conuri etc.).

Figura 4. Exemple de modelare, reprezentare și vizualizare

Pentru programarea aplicațiilor grafice complexe necesare în crearea și redarea scenelor virtuale din mediile virtuale, se utilizează biblioteci și interfețe grafice, sisteme de dezvoltare de programe (Toolkit-uri), care oferă programatorului /proiectantului posibilitatea să reutilizeze un număr mare de funcții grafice deja elaborate și implementate și, astfel să se concentreze mai eficient asupra proiectării și complexității aplicației. Limbajele destinate RV oferă diverse facilități și interfețe în vederea proiectării și elaborării de aplicații. Unele oferă o vedere de înalt nivel, în cadrul căreia utilizatorul își poate crea întreaga aplicație, utilizând limbaje, scriptice sau nu, și chiar ustensile grafice, sistemul fiind responsabil cu întreaga simulare, geometrie și interacțiune. Altele se bazează pe o anumită configurație grafică, utilizând API-uri (Application Programming Interface) și chiar alte limbaje de programare, pentru a asigura o performanță cât mai ridicată. Deseori, limbajele și ustensilele de înalt nivel vor permite o implementare și dezvoltare mai rapidă, cu o curba de învățare relativ redusa. Există și reversul medaliei, și anume "dacă vrei să faci ceva cum trebuie, să faci singur". În acest sens, există limbaje care permit, nu fără un oarecare efort, implementarea de sisteme de RV, fără a fi neaparat destinate acestui scop, și care lasă dezvoltatorul să efectueze optimizările pe care le crede de cuviință. Biblioteca grafică OpenGL (GL de la Graphic Library; http://www.opengl.org/ ) oferă o interfață simplă și directă pentru operațiile fundamentale de randare 3D. Pe un nivel superior de abstractizare, se situează OpenIV (IV de la Inventor) și Java3D al caror model al programarii permite efectuarea de sarcini dificile cum ar fi traversarea grafului scenei, gestionarea modificărilor atributelor stărilor etc., simplificând astfel sarcina aplicației. În particular, sunt disponibile implementări Java3D care utilizează Direct3D (Microsoft Corp. 2000) și OpenGL, OpenIV fiind de la bun început bazat pe OpenGL. De asemenea, VRML (Virtual Reality Modeling Language; http://www.vrml.org ) – Limbaj de Modelare a Realității Virtuale, din punct de vedere tehnic, nu este nici realitate virtuală și nici limbaj de modelare. Realitatea virtuală implică o experiență imersiva 3D, cum ar fi cea obținută cu ajutorul display-urilor instalate pe capul utilizatorilor, și un dispozitiv de interacțiune 3D, cum este cazul binecunoscutelor, mănuși digitale. VRML nici nu necesită și nici nu restrițtionează imersiunea. Un limbaj de modelare adevărat ar trebui să conțină mult mai multe primitive și mecanisme de modelare geometrică. VRML oferă, din acest punct de vedere, un minimum necesar de facilități de modelare geometrică având o serie de facilități care depășesc însă scopul unui limbaj de modelare (senzori, gestiunea evenimentelor, etc). VRML la originea sa este un format simplu de fișiere, utilizat în schimbul de informații 3D între aplicații specifice, un analog 3D al HTML-ului, pe de alta parte, VRML oferă tehnologia care integrează cele 3 dimensiuni, două dimensiuni, textul și multimedia într-un model coerent, fundamental spațiului virtual.

3. Biblioteca grafică OpenGL

Biblioteca grafică OpenGL elaborată în limbajul C++ este una dintre cele mai utilizate biblioteci ce oferă un număr mare de funcții/primitive grafice necesare în crearea aplicațiilor grafice interactive și care asigură o interfață independență de platforma hardware. Scrisă în anul 1992, biblioteca grafică OpenGL implementează un standard de grafică multiplatformă având stabilitate, portabilitate și fiabilitate, cu o documentație tehnică adecvată, cu exemple de cod și informații utile accesibile free pe Internet (www.opengl.org). OpenGL este intens folosită pentru o mare varietate de pattforme hardware și pentru o mare varietate de aplicații grafice 2D si 3D, folosite în cele mai variate domenii, de la proiectarea asistată de calculator(CAD), la modelaresimulare și realitate virtuală.

Aplicațiile OpenGL se execută pe platforme foarte variate și sub cele mai cunoscute sisteme de operare: Windows 98/2000, Windows NT, Mac OS, Unix, Linux. De asemenea, funcțiile OpenGL se pot apela din limbajele de programare Ada, C, C++ și Java. OpenGL este o interfață software ce include câteva sute de proceduri și funcții care permit programatorului să specifice obiecte și operațiile asupra lor implicate în producerea imaginilor grafice de înaltă calitate, în special imagini ale corpurilor 3D. OpenGL integrează grafica 3D în sistemul de ferestre (i.e. X sau Windows/NT). Biblioteca OpenGL desenează/vizualizează primitive geometrice (puncte, linii, poligoane) în diferite moduri selectabile. Primitivele geometrice sunt definite printr-un grup de unul sau mai multe vârfuri (vertices). Un vârf definește un punct, extremitatea unei linii, vârful unui poligon. Fiecare vârf are asociat un set de date: coordonate, culoare, normala, coordonate de textura. OpenGL afișează primitivele geometrice într-un cadru buffer, acesta putând funcționa într-o serie de moduri selectabile. Fiecare primitivă geometriăa este un punct, un segment de dreaptă, un poligon, un dreptunghi de pixeli sau chiar un bitmap. Fiecare mod poate fi schimbat în mod independent, setările unuia neafectând setările altuia, chiar dacă o serie de moduri interacționează în vederea detectării eventualelor depășiri din cadrul buffer. Modurile sunt setate, primitivele sunt specificate și alte operații ale OpenGL sunt descrise prin transmiterea de comenzi sub forma apelurilor de funcții sau proceduri.

Primitivele geometrice (punctele, segmentele de dreaptă și poligoanele) sunt definite prin intermediul unui grup de unul sau mai multe vârfuri. Un vârf definește un punct, un punct terminal al unei muchii sau un punct comun a două muchii ale unui poligon. Modelul de interpretare al comenzilor OpenGL este client-server. Efectele comenzilor OpenGL asupra cadrului buffer sunt, în cele din urmă, controlate de sistemul de ferestre, care realizează alocarea resurselor acestuia. Acest sistem determină porțiunile din cadrul buffer care pot fi accesate de OpenGL în orice moment și care transmite OpenGL-ului modul de structurare al acestor porțiuni.

Figura 5 prezintă o diagramă schematică a OpenGL. Majoritatea comenzilor pot fi cumulate într-o listă de afișare, display list, pentru o procesare ulterioară. Comenzile sunt trimise efectiv prin pipeline-ul OpenGL. Prima etapa oferă o modalitate eficientă de aproximare a geometriei curbelor și suprafețelor, prin evaluarea funcțiilor polinomiale în valorile prezente la intrare. Următoarea etapa operează asupra primitivelor geometrice descrise prin puncte, segmente de dreaptă și poligoane. În cadrul acestei etape, vârfurile sunt transformate și iluminate, iar primitivele sunt decupate în raport cu volumul de vedere, ca pregătire a etapei de rasterizare. Rasterizarea produce o serie de adrese și valori în cadrul buffer, utilizând o descriere bidimensională a unui punct, segment de dreaptă sau poligon. Fiecare fragment produs astfel este trimis următoarei etape, care efectuează operații asupra fragmentelor individuale, înainte ca acestea să afecteze definitiv cadrul buffer.

Figura 5. Diagrama de prelucrare OpenGL

Funcțiile OpenGL execută secvențe de operații grafice asupra fiecărei primitive geometrice, definită printr-o mulțime de vârfuri și tipul acesteia. Coordonatele unui vârf (în 2D, 3D sau în coordonate omogene) sunt transmite prin apelul unei funcții glVertex#(). O primitivă geometrică se definește printr-o mulțime de vârfuri (descrierea geormetrică) și printr-unul din tipurile prestabilite ce indică topologia de conectare a punctelor. Funțiile glBegin() si glEnd() delimitează o mulțime de comenzi. Tipurile de primitive geometrice sunt: GL_POINTS, GL_LINES, GL_LINE_STRIP, GL_LINE_LOOP, GL_TRIANGLES, GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN, GL_QUADS, GL_QUADS_STRIP, GL_POLYGON.

Generatoarele de imagini mai reprezentative sunt: ProVision (compania Division), Evens&Sutherland, Thomson CSF, stațiile grafice Silicon Graphics. Exemplificăm mai jos, prin două exemple, utililizarea funcțiilor și primitivelor geometrice OpenGL.

// glsigla_CNIV.cpp ; desenarea siglei CNIV-background

#include <windows.h>

#include <gl\gl.h>

#include <gl\glu.h>

#include <gl\glaux.h>

#include <math.h>

#define PI 3.141592 int n=16; // numar de varfuri double radius = 50; // raza cercului glColor3d(0,0,0); // culoare glBegin (GL_LINES); // apel primitiva geometrica

for (int i=0; i<n; i++ )

{ double angle_1 = 2 * PI* I / n; for (int j=i+1; j<n+1; i++);

{double angle_2 = 2 * PI * J / n;

glVertex2d (radius * cos(angle_1), radius * sin(angle_1)); glVertex2d (radius * cos(angle_2), radius * sin(angle_2));

} } glEnd();

Generarea imaginilor vizuale în realitatea virtuală cuprinde:

crearea modelului scenei virtuale – proces off-line de ceare a colecției de modele ale obiectelor tridimensionale ce va reprezenta mediul virtual; toolkituri pentru generarea obiectelor și scenelor virtuale sunt: 3D Studio, Autocad, AC3D, Sense8, Designer Workbench etc.

vizualizarea scenei virtuale – proces on-line desfașurat în timp real în care scena virtuală este explorată interactiv, imaginea scenei fiind vizualizată pe display și depinde de condițiile de explorare (poziție de observare, acțiuni interactive etc.); toolkit-uri pentru redarea imaginii scenelor virtuale sunt: Performer, EasyScene, Browser CosmoPlayer etc.

Generatoarele de imagini mai reprezentative sunt: ProVision (compania Division), Evens&Sutherland, Thomson CSF, stațiile grafice Silicon Graphics.

(David Baraff, Andrew Witkin, Large Steps in Cloth Simulation, SIGGRAPH 98, COMPUTER GRAPHICS Proceedings, Annual Conference Series, 1998)

4. VRML și WWW

Limbajul VRML (Virtual Reality Modeling Language) este limbaj pentru crearea scenelor virtuale tridimensionale cu posibilitatea de acces a acestora prin rețeaua Internet folosint protocolul WWW. Compania Silicon Graphics Inc. a inițiat în anul 1989 un proiect pentru proiectarea și construirea unui mediu de dezvoltare necesar aplicațiilor grafice interactive 3D și de a utiliza acest mediu pentru a construi un nou suport al interfeței 3D. Prima fază a proiectului s-a concentrat asupra proiectării și construirii semanticii și mecanismului fundamentării cadrului general. În anul 1992 s-a lansat pachetul de ustensile Iris Inventor 3D ca prim rezultat al acestor eforturi. Iris Inventor era un pachet C++ care definea o bună parte din semantica regăsită în VRML-ul de azi (www.vrml.org). O importantă parte a pachetului o constituia formatul fișierului utilizat în stocarea obiectelor aplicației. Versiunea 2.0 este numită VRML97 fiind standard ISO din anul 1997 cu facilități importante privind utilizarea WWW. În anul 2000 apare o extindere numită GeoVRML privind reprezentarea datelor geografice de mari dimensiuni. Un fișier VRML conține descrierea unei scene virtuale și a unor acțiuni interactive, fiind accesat și de un program navigator(browser).

Fișierele VRML descriu obiecte și lumi 3D utilizând un graf ierarhic al scenei. Entitățile din graful scenei se numesc noduri, VRML 2.0 definind 54 de tipuri diferite de noduri, incluzând primitive geometrice, proprietăți de aspect, sunet și proprietăți ale sunetului, și o serie de tipuri de noduri de grupare. Graful scenei VRML, asemeni grafului scenei OpenIV, este un graf aciclic orientat. Nodurile pot conține alte noduri, unele tipuri de noduri putând avea descendenți (children), și pot fi conținute în unul sau mai multe noduri, având astfel mai mult de un parinte ( parent). Cu toate acestea, un nod nu se poate include pe el însuși.

Un fișier VRML este format conceptual din 4 elemente definitorii: header, prototip, graf al scenei și mecanism de rutare a evenimentelor. Aceste elemente sunt analizate și executate de către browserul VRML în momentul reprezentării scenei. Header-ul este prima linie a fișierului care reprezintă identificatorul formatului VRML:

#VRML V1.0 ascii pentru versiunea 1.0

#VRML V2.0 utf8 pentru versiunea 2.0

Șirurile ascii și utf8 specifică tipul de codare al datelor din fișierului VRML. Headerul trebuie să conțină exact un singur spațiu între șiruri pentru ca el să fie recunoscut de către browser. În structura unui fișier VRML, după linia antet, putem intâlni combinații ale următoarelor instrucțiuni: declarații PROTO sau EXTERNPROTO; declarații de noduri; instrucțiuni USE; instrucțiuni ROUTE. Formatul declarației nodurilor în VRML are forma generală :

[DEF <name>] <nodeType> { <body> }

Singurul parametru care nu trebuie să lipsească dintr-o declarație este nodType care poate fi unul din nodurile implementate de VRML. Limbajul oferă posibilitatea redenumirii nodurilor standard cu ajutorul cuvântului cheie DEF și referirea lor ulterioară cu ajutorul lui USE.

DEF FrameRod Shape { appearance Appearance { material Material { diffuseColor .2 .06 .02

} }

geometry Cylinder { radius 0.05 }

}

#… Transform { ranslation 0 0 0 children USE FrameRod }

În corpul nodului pot fi incluse declarații de câmpuri, instrucțiuni IS, ROUTE,

PROTO sau EXTERNPROTO într-o ordine aleatoare.

Fiecare nod are următoarele caracteristici:

un nume de tip – de exemplu, Box, Color, Group, Sphere, Sound, Spotlight;

câmpuri care arată modul în care fiecare nod diferă de alt nod de același tip; valorile câmpurilor sunt păstrate în fișiere VRML alături de noduri și codifică starea lumii virtuale;

un set de evenimente ce pot fi receptate și transmise – fiecare nod poate primi mai multe tipuri de evenimente ce vor produce modificări în starea nodului și de asemenea, poate să genereze evenimente ca răspuns la modificarea stării nodului;

o implementare – implementarea fiecărui nod definește modul în care reacționează la evenimentele pe care le poate primi, când generează evenimentele și aparițiile vizuale sau auditive ale acestoraș declaratia PROTO poate fi folosită la definirea unor noi tipuri de noduri, cu caracteristici definite în caracteristicile (comportamentele) altor noduri;

un nume – nodurile pot fi numite; numele acestora poate fi folosit în alte declarații, la referirea unei instanțe specifice nodului.

Figura 6. Modelul conceptual de execuție

Fișierele VRML pot conține referințe la fișiere existente în diferite alte formate standard. Astfel, fișierele JPEG, PNG, GIF, și MPEG pot fi utilizate ca hărți de textură aplicate obiectelor VRML. Fișierele WAV și MIDI pot fi utilizate în specificarea sunetelor emise în lume. Fișierele conținând cod Java sau JavaScript pot fi referite și utilizate pentru implementarea comportamentului programat al obiectelor din univers. Fiecare dintre acestea constituie un standard independent, ales a fi utilizat împreună cu VRML datorită largii sale utilizări în Internet. Există cel puțin șase modalităti diferite de a combina VRML, HTML și Java, fiind astfel destul de greu de identificat modul de combinare cerut de standardele HTML, Java, și/sau VRML. Următoarea listă conține o enumerare succintă a tuturor acestor posibilități:

fișier VRML interior unui fișier HTML – aceasta este o parte a HTML utilizănd tagurile HTML <EMBED> sau <OBJECT>, cu toate că HTML nu necesită ca un browser HTML să suporte includerea fișierelor VRML (sau a oricarui alt tip de fișier) în documente HTML.

cod Java interior unui fișier VRML – acestă solutie este standardizată ca parte a VRML 2.0, utilizând nodul Script, care se refera la cod compilat Java.

applet Java ce comunică cu un browser VRML – aceasta este o extensie a VRML 2.0 cunoscută ca External Authoring Interface (EAI).

clase Java corespunzând nodurilor VRML – o serie de companii au dezvoltat pachete de programe care definesc reprezentările nodurilor VRML în memorie și care pot fi utilizate în orice mod de către programator; acestea pot fi extrem de utile atunci când se implementează browsere sau ustensile VRML, fără însă a fi părți standard, nici pentru VRML și nici pentru Java.

fișier HTML interior unui fișier VRML – utilizarea unui fișier HTML ca hartă de textură pentru a fi afișată într-o lume 3D, poate constitui o extensie interesantă a limbajului VRML.

applet Java interior unui fișier VRML – utilizarea unui applet Java ca hartă a texturii pentru a afișa programul Java într-o lume 3D, ar putea constitui o extensie interesantă. Interacțiunea cu programul Java poate fi suportată prin proiectarea deplasării dispozitivului de indicare în applet.

Bibliografie

[Alex00] M.Alexa, J.Behr, W.Müller: The Morph Node, pg. 29-34, VRML 2000, Monterey, USA, ACM 2000 1-58113-211-5.

[Beer97] C.Beeson: An Object-Oriented Approach To VRML Development, pg. 17-24, VRML 97, Monterey USA, Copyright 1997 ACM 0-89791-886-x.

[Bida99] R.Bidarra, W.F.Bronsvoort: Validity Maintenance of Semantic Feature Models, pg.85-96, Fifth Symposium on Solid Modeling, Ann Arbor MI, ACM 1999 1-58113-080-5. [Bier00] A.D.Bierbaum: VR Juggler: A virtual platform for virtual reality application development, MS.Thesis, Iowa State University, 2000.

[Brut98] D.Brutzman: The Virtual Reality Modeling Language and Java, Communications of the ACM, vol. 41 no. 6, June 1998, pp. 57-64.

[Chen99] H.Chen, S.Fang: A Volumetric Approach to Interactive CSG Modeling and Rendering, pg. 318-319, Fifth Symposium on Solid Modeling, Ann Arbor MI, ACM 1999 158113-080-5.

[Cruz95] C. Cruz-Neira. Virtual Reality Based on Multiple Projection Screens: The CAVE and Its Applications to Computational Science and Engineering. Ph.D. Dissertation, University of Illinois at Chicago. May 1995

[Dixi97] H.Dixit, S.Kannapan, D.L.Taylor: 3D Geometric Simulation of MEMS Fabrication Processes: A Semantic Approach, pg. 376-387, Solid Modeling'97, Atlanta, USA, ACM 1997 0-89791-946-7.

[Dorn00] Ralf Dörner, Paul Grimm: Three-dimensional Beans – Creating Web Content Using 3D Components In A 3D Authoring Environment, pg. 69-74, VRML 2000, Monterey, USA, ACM 2000 1-58113-211-5.

[Edal99] A.Edalat, A.Lieutier: Foundation of a Computable Solid Modeling, pg. 278-284, Fifth Symposium on Solid Modeling, Ann Arbor MI, ACM 1999 1-58113-080-5.

[Fish00] P.A.Fishwick: 3D Behavioral Model Design for Simulation and Software Engineering, pg. 7-16, VRML 2000, Monterey, USA, ACM 2000 1-58113-211-5.

[Hall94] S. Halliday and M. Green, “A Geometric Modeling and Animation System for Virtual Reality.” Virtual Reality Software and Technology (VRST 94), 71-84, Singapore, August 1994. [Heis93] J.Heisserman, R.Woodbury: Generating Languages of Solid Models, 2nd ACM Solid Modeling 1993, Montreal, Canada, pg.103-113, 1993 ACM 0-89791-584-4.

[Ione00] F.Ionescu: Grafica in realitatea virtuala, Ed.Tehnica, 2000, ISBN 973-31-1466-9 [Java] Java3D API Specification, www.sun.com.

[Jung99] B.Jung, J.T.Mildet: An Open Virtual Environment for Autonomous Agents Using VRML and Java, pg. 7-11, VRML99 Paderborn, Germany, ACM 1999 l-58113-079-1199.

[Kuma97] V.Kumar, D.Dutta: An Approach to Modeling Multi-Material Objects, pg. 336-345, Solid Modeling'97, Atlanta, USA, ACM 1997 0-89791-946-7.

[Mrob] MRObjects home page: http://www.cs.ualberta.ca/~graphics/mrobjects/

[Mrto] MR Toolkit home page: http://www.cs.ualberta.ca/~graphics/MRToolkit.html

[Parr95] T.J. Parr, T.F.Rohalyt: A Language for Creating and Manipulating VRML, VRML‘95,

San Diego USA, pg.123-131, 1995 ACM 0-89791-818-5. 164

[Pete96] M.T.Peterson: 3D Studio MAX Fundamentals, New Riders Pub., 1996.

[Popo00a] M. D. Popovici, M. I. Popovici: C++. Tehnologia orientată spre obiecte. Aplicații, Ed. Teora, București, 2000.

[Popo02b] M.D. Popovici: Metode si tehnici pentru realizarea mediilor virtuale, Referat de doctorat, Universitatea “Politehnica” București, 2002

[Popo02c] M.D. Popovici: Limbaje de modelare a obiectelor in mediilor virtuale, Referat de doctorat, Universitatea “Politehnica” București, 2002

[Popo02d] M.D. Popovici: Realitatea virtuala: Tehnologii componente, Referat de doctorat, Universitatea “Politehnica” București, 2002

[Rapo95] A.Rappoport: Geometric Modeling: a New Fundamental Framework and its Practical Implications, pg. 31-41, Solid Modeling’ ’95, Salt Lake City, Utah USA, 1995 ACM [Redd00] M.Reddy, L.Iverson, Y.G.Leclerc: Under the Hood of GeoVRML 1.0, pg. 23-29, VRML 2000, Monterey, USA, ACM 2000 1-58113-211-5.

[Salm00] M.Salmela, H.Kyllönen: Smart Virtual Prototypes: Distributed 3D Product Simulations for Web Based Environments, VRML 2000, Monterey, USA, ACM 2000. [Scho00] B.Schonhage, A.van Ballegooij, A.Eliens: 3D Gadgets for Business Process Visualization – a case study. VRML 2000, Monterey USA, pg. 131-138, ACM 2000.

[Sens] “WorldToolKit Release 8: Technical Overview”, http://www.sense8.com

[SGI01] Iris Performer Homepage. http://www.sgi.com/Technology/Performer

[SGI02] Iris Performer Getting Started Guide, IRIS Insight. SGI online manual

[Sig98] SIGGRAPH 98, COMPUTER GRAPHICS Proceedings, Annual Conference Series, A Publication of ACM SIGGRAPH, 1998

[Shap95] V.Shapiro, D.L.Vossler: What is a parametric family of solids?, pg. 43-54, Solid Modeling ’95, Salt Lake City, Utah USA, 1995 ACM 0-89791-672 -7.

[Shaw93a] C. Shaw, M. Green, J. Liang, and Y. Sun, “Decoupled Simulation in Virtual Reality with the MR Toolkit.” ACM Transactions on Information Systems, Vol. 11, Number 3,1993. [Shaw93b] C. Shaw and M. Green, “The MR Toolkit Peers Package and Experiment.” IEEE Virtual Reality Annual International Symposium (VRAIS ’ 93), 463-469, September 1993. [Vla92] M. Vlada ș.a., Grafică pe calculator în limbajele Pascal și C, Editura Tehnică, vol. I Implementare, vol. II Aplicații, ISBN 973-31-0406-X , 1992.

[Vla04] M. Vlada, Birotică: Tehnologii multimedia, Editura Universității din București, ISBN 973-575-847-4, 2004

[VRML] VRML97 Standard, www.vrml.org, www.web3D.org

[Wern94] J.Wernecke: The Inventor Mentor, Programming Object-Oriented 3D Graphics with Open Inventor, Addison-Wesley, 1994, ISBN 0-201-62495-8.

View publication stats