Virtual Reality Modelling Language VRML

Praktischer Teil des Moduls "Computergrafik und Bildverarbeitung"
Teil 2: Virtual Reality Modelling Language VRML
VRML: Beschreibungssprache für VR-Szenen (kein Softwaresystem)
• Umsetzung durch VRML-Browser
• VRML-Szenen in ASCII-Dateien abgelegt
• Standardisierung: Dieselbe Szene durch verschiedene Browser darstellbar
VRML-Umfang:
3D-Grafik
+ Dynamik (Animation)
+ Interaktion
+ Klang
+ Internetfähigkeit (VRML-Browser als Plugin von Webbrowsern)
Versionen: VRML 1.0, 2.0, 97

Features:
Geometriebeschreibungen • Grundprimitive (Quader, Zylinder,
Kegel, Kugel)
• polygonale Objekte
• elevation grids (Terrain-Gitter)
• extrudierte Objekte
Materialbeschreibungen • Farbe
• Schattierungen
Beleuchtungsbeschreibungen
Texturbeschreibungen
Textbeschreibungen
Transformationen • Translationen
• Rotationen
• Skalierungen
• allgemeine Transformationen

Animationen • Zeit
• Interpolation
Hintergrund und Nebel
Interaktionsbeschreibungen
Multimediabeschreibungen • Video
• 3D-Klang
Strukturbeschreibungen • Gruppierung
• Prototypen
Detaillierungsbeschreibungen LOD = level of detail
Kamerabeschreibungen Viewpoints
Hypermediabeschreibungen Anchors
Beschreibung von
Programmierlogik
• Java
• Javascript
• VRMLscript
• VRML kann mit immersiven Technologien umgesetzt werden
• Einbindung von Programmen beliebiger Komplexität

VRML-Browser
Cortona (Parallel Graphics), Download:
http://www.parallelgraphics.com/cortona/
BS Contact VRML (Bitmanagement Software)
http://www.bitmanagement.de/
VRML-Browser als Plugin zu MS Internet Explorer und anderen
Webbrowsern

Jeder Browser stellt Navigationshilfen für den 3D-Raum zur Verfügung
Anordnung und Bezeichnungsweisen browserspezifisch, aber ähnliche
Grundfunktionen.
Hier für Cortona:
Haupt-Navigationsmodi
plan
pan
turn
roll
walk
fly
study
Bewegungen in der horizontalen Ebene
Bewegen um die Szene in der horizontalen Ebene
Drehen des Standpunkts um die Szene
lässt die Szene rotieren
modifiziert die Wirkungen der 4 Navigatonsmodi
Die eigentliche Navigation erfolgt mit der Maus. Die Form des
Mauscursors zeigt an, welcher Navigationsmodus aktiv ist.

Cortona-Viewer:
linke Schaltfläche mit Haupt-Navigationsfunktionen
("plan" ist gerade aktiviert)
Zusätzliche Sonderfunktionen: restore, fit, align...

VRML-Dateien
Endung .wrl ("world"), ASCII-Datei
(genauer: ab V. 2.0 UTF-8 Zeichensatz gem. ISO 10646-1:1993)
Aufbau einer VRML-Datei:
• Header (Version und Zeichensatzangabe, obligatorisch)
• Zeilenkommentare
• VRML-Knoten
• innerhalb der Knoten-Spezifikationen: Felder (= festgelegte
Attributierungen von Knoten, denen Werte zugewiesen werden)
• PROTO-Statements
• ROUTE-Statements
Zuordnung von Feldangaben zu Knoten mit geschweiften Klammern
{ ... }
Gruppierung von Knoten durch Gruppen-Knoten, "Kinder" in eckigen
Klammern [ ... ]

Beispiel einer VRML 2.0 - Datei:
#VRML V2.0 utf8
Shape
{
geometry Box
{
size 1 4 1
}
appearance Appearance
{
material Material
{
diffuseColor 0.5 0.5 0.5
}
}
}

Ergebnis:
Header für VRML 97:
#VRML V97 utf8
(Darstellung hier mit CosmoPlayer, einem älteren Browser)

Felder, für die keine Spezifikation angegeben wird, werden automatisch
mit Default-Werten besetzt. Z.B. ist Cylinder { } ein Zylinder mit
Höhe 1 und Radius 1.
Die Primitiv-Objekte (Würfel, Zylinder, Kegel, Kugel) werden standardmäßig
um den Nullpunkt zentriert.
Ein VRML 1.0 - Beispiel:
#VRML V1.0 ascii
Cube
{
height 4
}
⇒ Säule, die sich 2 Einheiten nach
oben und unten und je 0,5 Einheiten
nach rechts, links, vorn und hinten
erstreckt

Überlagerung von 3 verschieden dimensionierten Quadern zu einem
"Koordinatenkreuz":
#VRML V1.0 ascii
Cube
{ width 25 }
Cube
{ height 25 }
Cube
{ depth 25 }

Felder der geometrischen Primitiv-Knoten in VRML 1.0:
Cube
{
width
height
depth
}
Sphere
{
radius
}
Cylinder
{
height
radius
parts # default: ALL, alternativ: SIDES, TOP, BOTTOM
# auch möglich: ( TOP | BOTTOM )
}
Cone
{
height
bottomRadius
parts # ALL, SIDES, BOTTOM
}

Textausgabe
#VRML V1.0 ascii
AsciiText
{
string "Text"
}
Ergebnis:

Felder des AsciiText-Knotens:
AsciiText
{
string # mehrere Zeilen: [ "Zeile 1", "Zeile 2", "Zeile 3" ]
justification # default: LEFT, alt.: RIGHT, CENTER
width # 0 bedeutet: default-Weite benutzen
spacing # (default: 1) für Zeilenabstände
}
FontStyle-Knoten:
FontStyle
{
family # SERIF | SANS | TYPEWRITER
style # NONE | BOLD | ITALIC
size # Höhe in Längeneinheiten von VRML,
# default: 10, darf auch negativ sein
}

VRML-Knoten
Jeder VRML-Knoten kann 0 oder mehr Felder enthalten. Die Felder
haben eine festgelegte Semantik, Typisierung und Default-Werte.
Typen in VRML 97
Standard-Feldtypen: Bezeichnung beginnt mit SF oder MF
SF = "single field", einzelner Wert
MF = "multiple field", Array
SFNode / MFNode VRML-Knoten
SFBool TRUE oder FALSE
SFColor / MFColor 3 Gleitkommazahlen zwischen 0.0 und 1.0 (RGB-
Farbmodell)
SFFloat / MFFloat Gleitkommazahl(en)
SFImage Pixel-Beschreibung einer Bitmap
SFInt32 / MFInt32 32Bit-Ganzzahlen

SFRotation / 4 Gleitkommazahlen: 3 für die Drehachse, letzte
MFRotation für den Drehwinkel in Bogenmaß
SFString / MFString Zeichenkette (utf8-Zeichensatz)
SFTime / MFTime Anzahl Sekunden seit 1. 1. 1970, 0 Uhr, als
doppelt genaue Gleitkommazahl
SFVec2f / MFVec2f 2 Gleitkommazahlen als 2D-Vektor (bzw. Array
solcher Vektoren)
SFVec3f / MFVec3f 3 Gleitkommazahlen als 3D-Vektor (bzw. Array
solcher Vektoren)
MF-Werte werden in eckige Klammern [ ] eingeschlossen und innerhalb der eckigen
Klammern durch Kommata oder Leerzeichen voneinander getrennt. Bei genau einem
Wert können die eckigen Klammern auch weggelassen werden. Beispiel:
Koordinatenknoten haben ein Feld vom Typ MFVec3f. Der Inhalt ist eine Liste von 3D-
Ortsvektoren.
Coordinate
{
point [ x1 y1 z1, ..., xn yn zn ]
}

Elementarknoten in VRML 97:
Knoten Felder Feldtyp Bedeutung
Shape appearance SFNode Materialdaten
geometry SFNode Geometrie-Knoten
(Primitiv-Obj., Mengen...)
Coordinate point MFVec3f Liste v. 3D-Koord.
Normal point MFVec3f Liste v. 3D-Koord.
(zur Festlegung v. Normalenvektoren)
Zentral sind Gruppen- und Transformations-Knoten (für die Konstruktion
des Szenengraphen). Sie gruppieren bzw. transformieren beliebige
Unterbäume im Szenengraphen:
Group
children
addChildren
removeChildren
MFNode
MFNode
MFNode
Array der Kind-Knoten
für eventIn
für eventIn

Transform center
scale
scaleOrientation
rotation
translation
children
addChildren
removeChildren
bboxCenter
bboxSize
SFVec3f
SFVec3f
SFRotation
SFRotation
SFVec3f
MFNode
MFNode
MFNode
SFVec3f
SFVec3f
Zentr. für Rotation u.
Skalierung
Sk.-faktoren
Rot. für scale
Rotation
Translation
Kind-Knoten
für eventIn
für eventIn
Zentr. d. bbox
bbox-Größe
In VRML 1.0 gibt es auch die Möglichkeit, Transformationen direkt über
eine Matrix zu spezifizieren:
MatrixTransform matrix MFFloat
(16 Einträge)
Transf.-matrix
(transponiert)

Beispiel:
Anwendung einer Scherung auf einen Würfel
#VRML V1.0 ascii
MatrixTransform
{
matrix 1 0 0 0
0.5 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
}
Cube { }
Ergebnis:

Grafische Primitive in VRML 97:
Box
size SFVec3f Kantenlängen eines
geschlossenen Quaders
Cone bottomRadius SFFloat
Cylinder
Sphere
Text
height
side
bottom
bottomRadius
height
side
top
bottom
SFFloat
SFBool
SFBool
SFFloat
SFFloat
SFBool
SFBool
SFBool
Radius des Bodens
Höhe des Kegels
Sichtbarkeit: Mantel
Sichtbarkeit: Boden
Radius
Höhe des Zylinders
Sichtb.: Mantel
Sichtb.: Deckel
Sichtb.: Boden
radius SFFloat Radius der Kugel
string
fontStyle
length
maxExtent
MFString
SFNode
MFFloat
SFFloat
1 oder mehrere Strings
Font-Spezifikation
max. Länge
max. phys. Länge

Knoten für Punktmengen und boundary representation in VRML 97:
Punktmenge (ohne Flächen und Kanten):
PointSet coord
color
SFNode
SFNode
darin der Farbknoten:
Color color MFColor
Indizierte Kantenmenge:
IndexedLineSet coord
coordIndex
set_coordIndex
color
colorIndex
set_colorIndex
colorPerVertex
Koordinatenknoten
Farbknoten
RGB-Spezifikation(en)
SFNode
MFInt32
MFInt32
SFNode
MFInt32
MFInt32
SFBool
Koord.knoten
Polylinien
für eventIn
Farbzuordn.
Farbzuordn.
für eventIn
Farbe bez. auf Ecken
(sonst auf Kanten)

Indizierte Flächenmenge:
IndexedFaceSet coord
coordIndex
set_coordIndex
color
colorIndex
set_colorIndex
colorPerVertex
SFNode
MFInt32
MFInt32
SFNode
MFInt32
MFInt32
SFBool
Koord.knoten
Polygone
für eventIn
Farbzuordn.
Farbzuordn.
für eventIn
Farbe bez. auf
Ecken
(sonst auf Flächen)
Die Indextabelle (coordIndex) enthält die Indices (Zählung beginnt bei
0) der zu einer Polylinie bzw. zu einem geschlossenen Polygon
gehörenden Ecken.
Trennung mehrerer Polylinien / Polygone durch den Eintrag "–1":
coordIndex [1,5,4,2, –1, 0,3,7,6, –1, 1,5,7,6]
= 3 Vierecke

Orientierung ist wichtig – für die Normalenvektoren gilt die "Rechte-Hand-Regel"; die
Rückseite eines Polygons (entgegengesetzt zum Normalenvektor) ist unsichtbar.
Beispiele:
Konstruktion einer Pyramide als Punktmenge
#VRML V2.0 utf8
# pyrpkt.wrl
Shape
{
geometry PointSet
{
coord Coordinate
{
point [ -2, 0, -2
2, 0, -2
-2, 0, 2
2, 0, 2
0, 3, 0 # Spitze
]
}
}
}
Ergebnis (Bild invertiert, da Eckpunkte sonst kaum
sichtbar):

Pyramide als durch Eckenindices definierte Kantenmenge:
#VRML V2.0 utf8
# pyrlin3.wrl
Shape
{
geometry IndexedLineSet
{
coord Coordinate
{
point [ -2 0 -2 # Ecke 0
2 0 -2 # Ecke 1
-2 0 2 # Ecke 2
2 0 2 # Ecke 3
0 3 0 # Ecke 4 = Spitze
]
}

}
coordIndex [ 0 1 -1,
1 3 -1,
3 2 -1,
2 0 -1,
0 4 -1,
1 4 -1,
3 4 -1,
2 4
]
color Color
{ color [ 1 0 0,
0 1 0,
0 0 1,
1 1 0,
1 0 1 ]
}
}
Ergebnis:
Die Farben werden hier zwischen den
Ecken interpoliert.

Direkte Farbzuordnung zu den Kanten durch Einfügen von
in den IndexedLineSet-Knoten:
colorPerVertex FALSE

auch möglich: Polylinien (mehr als 2 Punkte) anstatt Kanten.
coordIndex [ 4 1 0 -1,
4 3 1 -1,
4 2 3 -1,
4 0 2 -1,
2 0 1 3 # Boden
]
Pyramide als Körper mit durch Punktindices definierten Facetten:
#VRML V2.0 utf8
# pyrface1.wrl
Shape
{
geometry IndexedFaceSet
{
coord Coordinate

{
point [ -2 0 -2 # Ecke 0
2 0 -2 # Ecke 1
-2 0 2 # Ecke 2
2 0 2 # Ecke 3
0 3 0 # Ecke 4 = Spitze
]
}
coordIndex [ 4 1 0 -1,
4 3 1 -1,
4 2 3 -1,
4 0 2 -1,
2 0 1 3 # Boden
]
color Color
{
color [ 1 0 0,
0 1 0,

}
}
Ergebnis:
}
0 0 1,
1 1 0,
1 0 1 ]

auch hier Farbinterpolation zwischen den Eckpunkten – direkte
Farbzuordnung zu den Facetten wird durch den Switch
eingestellt:
colorPerVertex FALSE

Extrusion: Spur eines in der xz-Ebene definierten Polygons entlang einer
Raumkurve
Extrusion
Beispiel:
#VRML V2.0 utf8
# wein1.wrl
Shape
{
crossSection
spine
endCap
solid
scale
orientation
MFVec2f
MFVec3f
SFBool
SFBool
MFVec2f
MFRotation
Polygon
Stützpunkte der Kurve
Deckel exist.
Fläche beidseitig
sichtbar
Skalierungs-Array
Drehungen entl. Kurve

geometry Extrusion
{
endCap FALSE
solid FALSE
crossSection [ -1 -3, -3 -1, -3 1, -1 3,
1 3, 3 1, 3 -1, 1 -3, -1 -3 ]
spine [ 0 0 0, 0 0.6 0, 0 7 0, 0 10 0,
0 15 0, 0 20 0, 0 25 0 ]
scale [ 2 2, 0.2 0.2, 0.3 0.3, 0.8 0.8,
1.5 1.5, 2 2, 1.8 1.8 ]
}
appearance Appearance
{
material Material
{ diffuseColor 0.9 0.9 1 }
}
}
achteckige Grundfläche, Extrusionskurve (spine) mit 7 Stützpunkten

Ergebnis:
Modifikation: Drehung während der Extrusion
– füge in den Extrusion-Knoten für jeden Stützpunkt eine Orientierungsspezifikation
ein:
orientation [ 0 1 0 0, 0 1 0 0, 0 1 0 0.3,
0 1 0 0.6, 0 1 0 0.9, 0 1 0 1.2,
0 1 0 1.5 ]

Ergebnis:

Höhengitter: Erhebungsgitter über der xz-Ebene
ElevationGrid
xDimension
xSpacing
zDimension
zSpacing
height
colorPerVertex
creaseAngle
ccw
SFInt32
SFFloat
SFInt32
SFFloat
MFFloat
SFBool
SFFloat
SFBool
Anz. Pkte in
x-Richtung
Abstand
Anz. Pkte in
y-Richtung
Abstand
Höhenwerte-
Array
Farb-Flag
Kanten-
schärfe
counter-
clockwise

Beispiel:
#VRML V2.0 utf8
# landsc1.wrl
Shape
{
geometry ElevationGrid
{
xDimension 7
zDimension 7
xSpacing 1
zSpacing 1
height [ 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 2 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 0
0 0 0 0 0 0 0 ]
}
appearance Appearance
{
material Material
{ diffuseColor 0.9 0.7 0.7 }
}
}
Ergebnis:

Hintergrund-Knoten:
Background groundColor
groundAngle
skyColor
skyAngle
backUrl
bottomUrl
frontUrl
leftUrl
rightUrl
topUrl
set_bind
isBound
MFColor
MFFloat
MFColor
MFFloat
SFString
SFString
SFString
SFString
SFString
SFString
SFBool
SFBool
Farbwerte
Winkel für Bodenfarben
Farbwerte
Winkel für Himmelsfarben
URL für hinteres,
unteres usw.
Hintergrundbild
für eventIn
für eventOut

Anwendung auf das letzte Beispiel
wir hängen ans Ende an:
Background
{
skyAngle [ 1.6 ]
skyColor [ 0 0 1, 0.4 0.4 1 ]
groundAngle [ 1.6 ]
groundColor [ 0.8 0.8 0.8, 0.01 0.025 0.001 ]
frontUrl "wiessee.jpg"
backUrl "wiessee.jpg"
leftUrl "wiessee.jpg"
rightUrl "wiessee.jpg"
}
Ergebnis:

Hyperlink zu anderen VRML-Dateien:
Inline
description
parameter
url
SFString
MFString
MFString
Hyperlink zu anderen Dateien (nicht notw. VRML):
Anchor
description
parameter
url
children
addChildren
removeChildren
bboxCenter
bboxSize
SFString
MFString
MFString
MFNode
MFNode
MFNode
SFVec3f
SFVec3f
Targetbeschreibung
Parameter
Liste der Targets
Targetbeschreibung
Parameter
Liste der Targets
Feld für Kindknoten
für eventIn
für eventIn
Zentr. der bounding box
Größe der bounding box

Beispiel:
2 Dateien, die wechselseitig verlinkt sind.
Erste Datei:
#VRML V2.0 utf8
# anchor1.wrl
Anchor
{
url "anchor2.wrl"
description "Eintritt in eine neue Welt"
children
[
Shape
{
geometry Box { size 1 1 2 }
appearance Appearance
{
texture ImageTexture
{ url "wiessee.jpg" }
}
}
]
}

Zweite Datei:
#VRML V2.0 utf8
# anchor2.wrl
Anchor
{
url "anchor1.wrl"
description "Zurück in die alte Welt"
children
[
Shape
{
geometry Sphere { radius 3 }
appearance Appearance
{
material Material
{ diffuseColor 0.3 0.9 1 }
}
}
]
}

Ergebnis:
Die "Teleportation" von einer Welt in die andere erfolgt durch Anklicken
des Anker-Objekts mit der Maus. (Der Mauscursor verändert seine
Gestalt über dem Anker-Objekt, siehe rechts.)