Alberto Raposo – PUC-Rio INF 1366 – Computação Gráfica Interativa Grafos de Cena Alberto B. Raposo [email protected] abraposo/INF1366

Alberto Raposo – PUC-Rio

INF 1366 – Computação Gráfica Interativa

Grafos de Cena

Alberto B. Raposo

[email protected]

http://www.tecgraf.puc-rio.br/~abraposo/INF1366

http://www-nt.inf.puc-rio.br/cgilua/cgilua.exe/index.html


http://www.puc-rio.br/


Computação Gráfica e Áreas Correlatas

Imagem digitalImagem digital

ModelosModelos

processamento de imagens

visão computacional

computaçãográfica

(síntese deimagens)

modelagem geométrica


Conceitos

• Ambiente Virtual– representação de diversos aspectos do mundo real ou

abstrato

• Grafo de Cena– ferramentas conceituais para representação de

ambientes virtuais tridimensionais nas aplicações de computação gráfica

• posição do objeto• forma (descrição geométrica)• textura da superfície• iluminação, etc


Descrição geométrica

• É qualquer maneira de se representar a forma da entidade que pode ser processada para se obter uma imagem dessa entidade. – A maneira mais comum é a representação aproximada

por um conjunto (malhas) de polígonos (mais especificamente por triângulos).

– O grau de complexidade da descrição geométrica é, em geral, diretamente proporcional à qualidade visual, porém inversamente proporcional à velocidade com que a imagem é gerada.


Descrição geométrica

Modelo 3D

Paramétrica

Poligonal

Partículas

Implícitas

2222 rzyx

2

4

cos

sin

y

x

John Dingliana, 2004


Malhas de Polígonos

• Construção de modelos 3D usando grupos de polígonos.– Como cada polígono é planar, necessita-se grande quantidade

de polígonos para dar a impressão de superfícies curvas

48 polígonos 120 polígonos 300 polígonos 1000 polígonos

John Dingliana, 2004


Câmera

• A câmera é a visão do mundo virtual.– Geralmente ela é uma câmera de projeção

perspectiva


Transformações• O objeto é posicionado no mundo virtual através

de uma transformação geométrica. – Transforma as

coordenadas locaisdo objeto nas coordenadas do mundovirtual.

– As transformações são importantes para definir a hierarquia dos objetos

• Exemplos: translação, rotação e escalamento


Aparência

• Material, textura, transparência, sombra e reflexão estão entre os diversos atributos que definem a aparência de um objeto.

• Assim como a descrição geométrica, a aparência interfere diretamente na imagem final sendo gerada e na velocidade de geração.


Comportamento

• Um objeto pode ser estático ou dinâmico. O objeto dinâmico é aquele que muda de posição, forma ou aparência entre um quadro e outro

Alberto Raposo – PUC-Rio Gouraud Phong

Iluminação

• Várias fontes de luz podem ser adicionadas à cena (puntual, direcional, spotlight, etc.)

• Vários são os modelos de iluminação que podem ser empregados – Gouraud – Phong, etc


Grafo de Cena

• Todos os aspectos anteriores (descrição geométrica, transformações, câmera, etc) devem ser inseridos em um grafo de cena para representar o ambiente virtual.


Grafo de Cena

• O grafo de cena é formado por nós conectados por arestas compondo um grafo acíclico direcionado.

• Cada nó possui um conjunto de atributos que podem, ou não, influenciar seus nós conectados.

• Os nós são organizados de uma maneira hierárquica correspondendo semânticae espacialmente ao mundo modelado.


Grafo de Cena

• Noção de agrupamento espacial é essencial.– Grafo ao lado representa semanticamente a

mesma casa do exemplo anterior,mas não representa organização espacial.


Estrutura Hierárquica da Cena

• Hierarquia de nós definindo o grafo hierárquico da cena


Tipos de Nós

• Raiz– Primeiro nó do grafo e todos os outros nós estão

ligados a ele direta ou indiretamente.

• Intermediários (internos ou de agrupamento)– Possuem várias propriedades, sendo o uso mais comum

o de representar transformações 3D (rotação, translação e escala).

• Folha– Contêm, geralmente, a representação geométrica de um

objeto.


Herança de estado

• Os grafos de cena implementam um princípio chamado de herança de estado. – Nós internos armazenam o estado do sistema, onde

estado significa a posição e a orientação dos objetos no ambiente virtual e seus atributos de aparência.

– A herança de estado é uma propriedade dos grafos de cena que determina que cada nó deve herdar as propriedades de estado de todos os seus ancestrais no grafo até a raiz.


Herança de estado

• Atributos e transformações aplicadas hierarquicamente


Grafos de Cena

• Organização hierárquica da cena

• Otimizações essenciais para visualização em tempo real em RV– Descartes (retirar da cena objetos que não

aparecem na visualização)– LOD (Level of Detail)

Melhoria no desempenho da aplicação!


Volume envolvente (bounding box)

• Geralmente uma caixa alinhada ou uma esfera, que engloba o conteúdo de todos os nós abaixo do nó em questão.


Descarte por volume de visão(frustum culling)

• O grafo de cena testa a interseção do volume envolvente do nó com o volume de visão do observador. – Se o volume envolvente estiver completamente fora do

campo de visão, o nó e toda a sua subárvore são descartados.

– Se o mesmo estiver completamente dentro do campo de visão, o nó e toda a sua subárvore são percorridos.

– Caso a interseção seja parcial, o teste é refeito durante o percurso da subárvore.


Descarte por volume de visão(frustum culling)

descartado

totalmente visualizado

desce nível no grafo paraavaliar nós filhos


Descarte por oclusão (occlusion culling)

• Objetivo de evitar a renderização de primitivas que estejam ocultas por outras partes da cena.

• A idéia por trás dos algoritmos de oclusão é realizar algum pré-processamento ou alguns testes durante a renderização para evitar que dados sejam enviados desnecessariamente para a placa.


Descarte por oclusão (occlusion culling)


Organização espacial

• Se um nó for descartado, toda a sua subárvore será descartada. Por esse motivo, uma cena organizada espacialmente será muito mais eficiente do que uma cena que foi montada aleatoriamente.


LOD – Level of Detail• À medida que à distância da câmera a um modelo

aumenta, o espaço por este ocupado na janela diminui e, conseqüentemente, o detalhe com que é visualizado também diminui.

• O LOD permite definir representações alternativas para um objeto gráfico, cada uma sendo ativada de acordo com a distância ao observador.


LOD• Torna-se desnecessário e

ineficiente definir o objeto com todo detalhe. O objetivo principal é o de utilizar diferentes representações de um modelo, normalmente de resoluções distintas, que serão selecionadas de acordo com um critério de decisão pré-determinado. Um dos critérios de decisão mais utilizado é à distância do modelo à câmera.


Grafos de Cena• Produtividade

– Grafo de cena gerencia toda a parte gráfica, reduzindo as várias linhas de código que seriam necessárias para implementar a mesma funcionalidade utilizando uma interface de programação baixo nível, como a OpenGL.

• Portabilidade– Grafos de cena encapsulam as tarefas de baixo nível necessárias

para renderizar a cena e ler e escrever arquivos, reduzindo, ou até mesmo extinguindo, a quantidade de código que é específica de alguma plataforma.

• Escalabilidade– Grafos de cena são feitos para funcionar em configurações simples

baseadas em computadores de mesa e placas gráficas aceleradoras convencionais ou em hardware complexo, como cluster de máquinas gráficas.


Exemplos de Grafos de Cena

• SGI OpenGL Performer

• Open Inventor

• OpenSceneGraph

• OpenSG

• OpenRM

• VRML / X3D


Exemplo de Grafo de CenaSGI OpenGL Performer

• Interface de programação para desenvolvimento de aplicações gráficas 3D em tempo real.

• Funciona em IRIX, Linux e Windows• Baseado em OpenGL. • Excelente solução para renderização em tempo real.• Solução comercial de alto custo• Desenvolvida especialmente para equipamentos da Silicon

Graphics. – Em outros equipamentos, boa parte das otimizações não estão

presentes.


Exemplo de Grafo de CenaSGI OpenGL Performer


Exemplo de Grafo de CenaOpenScenGraph

• Interface de programação construída sobre OpenGL

• Responsável pela gerência do grafo de cena e otimizações gráficas

• Multi-plataforma, gratuito e de código aberto• Por ser orientado a objetos, o OpenSceneGraph é

bastante extensível, permitindo ao usuário a criação de novas funcionalidades sem a necessidade de modificação do seu código fonte.


VRML

• X3D é evolução da VRML (Virtual Reality Modeling Language)– Surgiu da necessidade de prover um formato gráfico 3D para a

Web• Modelo similar à HTML

– linguagem textual– independente de plataforma

– Linguagem independente de plataforma para a publicação de “páginas” Web tridimensionais

– Objetivo: prover ricos ambientes tridimensionais interativos, permitindo ao usuário definir mundos estáticos e animados, e interagir com eles

– Linguagem escolhida como referência: Open Inventor


VRML - Exemplo

ViewpointViewpoint PointLightPointLight TransformTransform TransformTransformTransformTransform

ShapeShape ShapeShape ShapeShape

TextText

FontStyleFontStyle

AppearanceAppearanceSphereSphere

MaterialMaterial

AppearanceAppearance

MaterialMaterial

BoxBox

Grafo do exemplo anterior


X3D (Extensible 3D)• Proposta para nova versão de VRML

– Compatibilidade com VRML 97– Integração com XML

• definição de um novo conjunto de tags adequado à classe de documentos que se deseja representar

– Componentização• funcionalidade crucial encapsulada em um núcleo

– Extensibilidade• núcleo expandido para prover novas funcionalidades

(e.g., H-Anim, GeoVRML)


X3D - Exemplo de Código

<?xml version=“1.0” encoding=“utf-8”?><!DDOCTYPE X3D PUBLIC“http://www.web3D.org/TaskGroups/x3d/translation/x3d-compromise.dtd”“file://localhost/C:/www.web3D.org/TaskGroups/x3d/translation/x3d-compromise.dtd”[<!ENTITY % VRML97Profile “INCLUDE”><!ENTITY % CoreProfile “IGNORE”><!ENTITY % X3dExtensions “IGNORE”><!ENTITY % GeoVrmlProfile “INCLUDE”><!ENTITY % HAnimProfile “INCLUDE”>]>


X3D - Exemplo de Código <X3D> <Scene> <Transform> <children> <NavigationInfo headlight=“false” avatarSize=“0.25 1.6 0.75” type=“"EXAMINE"”/> <DirectionalLight/> <Transform translation=“3.0 0.0 1.0”>

<children> <Shape>

<geometry><Sphere radius=“2.3”/></geometry> <appearance><Appearance>

<material> <Material diffuseColor=“1.0 0.0 0.0”/></material> </Appearance></appearance> </Shape>

</children></Transform>

</children> </Transform> </Scene></X3D>


INF 1366 – Computação Gráfica Interativa

Grafos de Cena

Alberto B. Raposo

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http://www.tecgraf.puc-rio.br/~abraposo/INF1366



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