2006.06_Java 3D i Python _[Programowanie Grafiki].pdf

Programowanie

graiki

Janusz Gołdasz

Java 3D i Python

złożonego z irm: Intel, SGI, Apple oraz Sun

w połowie lat 90-tych. W obecnym czasie

każdy z tych producentów posiadał już własne śro-

dowisko graiczne 3D, lecz były one ograniczone

a sposób obsługi dosyć złożony. Zadaniem kon-

sorcjum było stworzenie wersji dla powszechne-

go odbiorcy takiego środowiska na platformę Java

i tym samym rozszerzenie jej możliwości. W wyni-

ku wspólnych prac konsorcjum powstała Java 3D.

Od 2004 Java 3D stała się oprogramowaniem ty-

pu open source rozwijanym w dalszym ciągu przez

Sun-a i rzesze developerów ochotników. W równym

stopniu wspierany jest zarówno OpenGL jak i Di-

rectX.

Nie należy mylić Javy 3D z mobilną platformą

Sun’a o skrótowej nazwie M3G dla J2ME do roz-

wijania trójwymiarowych aplikacji graicznych na

urządzenia w rodzaju: telefony komórkowe, PDA,

itp.

Rysunek 1. Pierwsza aplikacja: Hello3D

tów, budową sceny zawarte są w kilku pakietach

użytkowych, np. com.sun.j3d.utils , a w javax.vec-

math znajdują się klasy wspomagające operacje na

współrzędnych, wektorach i macierzach. Ogólnie,

mamy do dyspozycji klasy służące tworzeniu geo-

metrii (brak krzywych i powierzchni typu NURBS),

animacji, detekcji kolizji, oświetleniu i teksturowa-

niu. Java 3D, w przeciwieństwie do innych środo-

wisk typu OpenSceneGraph czy Open Inventor,

nie posiada natywnego formatu do zapisu/odczytu

sceny, w związku z czym, chcąc nie chcąc, musimy

w sytuacji, gdy np. konieczny jest import sceny do

naszej aplikacji polegać na odpowiednich konwer-

terach dla 3ds Max, VRML, itp. Najczęściej spoty-

ka się konwertery formatów .obj i .vrml , ale wspie-

rany jest także w pewnym ograniczonym zakresie

.vtk (Virtual Toolkit), .lwo (LightWave) czy też po-

pularny .dxf .

Interaktywność , w ogólnym tego słowa zna-

czeniu, sprowadza się do możliwości zapro-

gramowania reakcji określonego obiektu na ze-

wnętrzne bodźce. W Java 3D przyjęto zasadę, iż

reakcje te wykonywane są zawsze wtedy, gdy bo-

dziec ma miejsce w określonych granicach wokół

obiektu. Zaletą takiego rozwiązania jest to, iż apli-

kacje jest w stanie zignorować zdarzenie mające

miejsce poza zdeiniowanym dla danego obiek-

tu zakresem. Deiniowanie zakresów zdarzeń jest

konieczne do określenie przez aplikacje, na któ-

re bodźce powinna zareagować. Reakcje można

powiązać z dowolną liczbą zdarzeń, np. zbliżenie

do określonego obiektu może powodować zmianę

w kolorze, obrót, etc. Co więcej, wiele reakcji

można kontrolować przy użyciu tzw. interpola-

torów (np. przemieszczanie się obiektu wzdłuż

określonej trajektorii).

Java 3D w obecnej postaci oferuje przenośną

platformę działająca w oparciu o maszynę wirtu-

alną Java. Jak prawie każde środowisko graicz-

ne Java 3D pozwala na tworzenie graiki trójwy-

miarowej w oparciu o hierarchiczną strukturę grafu,

w którego węzłach znajdować się będą wszystkie

elementy wirtualnego świata (tj. geometria obiek-

tów, przekształcenia, kamery, oświetlenia, anima-

tory, etc.) konieczne do należytej reprezentacji pro-

jektowanej sceny.

Celem artykułu jest prezentacja niektórych możli-

wości, jakie może dać Java 3D programistom tworzą-

cym przestrzenne aplikacje graiczne (niekoniecznie

przy użyciu tylko i wyłącznie samej Javy !). Zaczyna-

my od krótkiej charakterystyki kluczowych pakietów

biblioteki, aby następnie przejść do napisania prostej

aplikacji typu Hello3D . W dalszym ciągu artykułu sku-

pimy się na integracji Javy 3D ze Swing oraz gene-

rowaniu sceny przy użyciu skryptów Pythona, a ści-

ślej mówiąc, jego implementacji na maszynę wirtual-

ną Javy (Jython) i integracji Java 3D z tym środowi-

skiem.

Java 3D – opis

API Java 3D stanowi kilka pakietów, z których naj-

ważniejsze to jądro: javax.media.j3d.org . Klasy

związane z konstrukcją i opisem geometrii obiek-

Autor jest pracownikiem Centrum Technicznego irmy

Delphi Poland w Krakowie.

Kontakt z autorem: janusz.goldasz@delphi.com

www.sdjournal.org Software Developer’s Journal 6/2006

J ava 3D powstała przy udziale konsorcjum

Java 3D i Python

Listing 1. Pierwsze kroki – Hello3D

import java . applet . Applet ;

import java . awt . BorderLayout ;

import java . awt . event . *;

import java . awt . GraphicsConiguration ;

import com . sun . j3d . utils . applet . MainFrame ;

import com . sun . j3d . utils . geometry . *;

import com . sun . j3d . utils . universe . *;

import javax . media . j3d . *;

import javax . vecmath . *;

import com . sun . j3d . utils . behaviors . mouse . *;

import com . sun . j3d . utils . behaviors . vp . *;

import com . sun . j3d . loaders . objectile . ObjectFile ;

import com . sun . j3d . loaders . ParsingErrorException ;

import com . sun . j3d . loaders . IncorrectFormatException ;

import com . sun . j3d . loaders . Scene ;

import java . io . *;

public class Hello3D extends Applet {

private SimpleUniverse universe = null ;

public BranchGroup createSceneGraph () {

BranchGroup objRoot = new BranchGroup ();

BoundingSphere bounds = new BoundingSphere (

new Point3d ( 0 , 0 , 0 ) , 100 );

Background background = new Background ();

background . setColor ( new Color3f ( 0.0f , 0.0f , 1.0f ));

background . setApplicationBounds ( bounds );

objRoot . addChild ( background );

Color3f lightColor1 =

new Color3f ( 0.7f , 0.7f , 0.7f );

Vector3f lightDirection1 =

new Vector3f ( 1.0f , . 0f , . 0f );

Color3f ambientLightColor =

new Color3f ( 0.2f , 0.2f , 0.2f );

AmbientLight ambientLight =

new AmbientLight ( ambientLightColor );

ambientLight . setInluencingBounds ( bounds );

DirectionalLight dirLight =

new DirectionalLight (

lightColor1 , lightDirection1 );

dirLight . setInluencingBounds ( bounds );

objRoot . addChild ( ambientLight );

objRoot . addChild ( dirLight );

Transform3D sphereTransform = new Transform3D ();

sphereTransform . set (

new Vector3f ( 0.5f , 0.0f , - 0.25f ));

sphereTransform . setScale ( 0.5f );

TransformGroup objTransform1 =

new TransformGroup ();

objTrans1 . setTransform ( sphereTransform );

Transform3D cubeTransform = new Transform3D ();

cubeTransform . set ( new Vector3f (- 0.5f , 0f , 0.25f ));

cubeTransform . setScale ( 0.5f );

TransformGroup objTransform2 =

new TransformGroup ();

objTransform2 . setTransform ( cubeTransform );

objTransform2 . setCapability (

TransformGroup . ALLOW_TRANSFORM_WRITE );

objTransform2 . setCapability (

TransformGroup . ALLOW_TRANSFORM_READ );

objRoot . addChild ( objTransform1 );

objRoot . addChild ( objTransform2 );

Sphere sphere = new Sphere ( 0.5f );

ColorCube cube = new ColorCube ( 0.5f );

Appearance appearance = new Appearance ();

Color3f sphereColor =

new Color3f ( 1.0f , 0.2f , 0.4f );

app . setMaterial ( new Material ( sphereColor ,

new Color3f ( 0f , 0f , 0f ) , sphereColor ,

new Color3f ( 1f , 1f , 1f ) , 10 ));

sphere . setAppearance ( appearance );

objTransform1 . addChild ( sphere );

objTransform2 . addChild ( cube );

MouseRotate rotate =

new MouseRotate ( objTransform2 );

objRoot . addChild ( rotate );

rotate . setSchedulingBounds ( bounds );

MouseZoom zoom = new MouseZoom ( objTransform2 );

objRoot . addChild ( zoom );

zoom . setSchedulingBounds ( bounds );

int lags = ObjectFile . RESIZE ;

ObjectFile ile = new ObjectFile ( lags );

Scene model = null ;

model = ile . load ( "model.obj" );

Transform3D mdlTransform = new Transform3D ();

mdlTransform . set ( new Vector3f ( 0f , 0f , 0f ));

mdlTransform . setScale ( 0.5f );

TransformGroup objTransform3 =

new TransformGroup ();

objTransform3 . setTransform ( mdlTransform );

objTransform3 . addChild ( model . getSceneGroup ());

objRoot . addChild ( objTransform3 );

objRoot . compile ();

return objRoot ;

}

public Hello3D () {

}

public void init () {

setLayout ( new BorderLayout ());

GraphicsConiguration conig =

SimpleUniverse . getPreferredConiguration ();

Canvas3D c = new Canvas3D ( conig );

add ( "Center" , c );

BranchGroup scene = createSceneGraph ();

universe = new SimpleUniverse ( c );

universe . getViewingPlatform () .

setNominalViewingTransform ();

universe . addBranchGraph ( scene );

}

public void destroy () {

u . cleanup ();

}

public static void main ( String [] args ) {

new MainFrame ( new Hello3D () , 256 , 256 );

}

Software Developer’s Journal 6/2006

www.sdjournal.org

Programowanie

graiki

Listing 2. Przykład użycia obiektu Canvas3D ze Swing

Listing 3. Rysunkowa para JTabbedPane – Canvas3D

class Panel3D extends JPanel {

public Panel3D () {

this . add ( new Canvas3D ( conig ));

}

class Tabbed extends JTabbedPane {

public Tabbed () {

// …

// Gotowe: Java 3D wewnątrz Swing

this . addPage ( new Panel3D ());

}

Pierwsze kroki

Tworzenie aplikacji w oparciu o Java 3D pokażemy na ra-

czej typowym dla tej biblioteki przykładzie zawierającym

kilka najczęściej spotykanych elementów (prymitywy, kom-

ponowanie sceny, wczytanie modelu z zewnętrznego pli-

ku, reakcje) – na ekranie (Rysunek 1) pojawią się kula, sze-

ścian i (wczytany z pliku .obj ) obiekt 3D. Kula i obiekt pozo-

staną nieruchome, a użytkownik może manipulować jedy-

nie sześcianem.

Na początek przyjrzyjmy się implementacji klasy Hello-

3D w Listingu 1. Nasza aplikacja to typowy applet , w związ-

ku z czym konieczne jest dziedziczenie po klasie Applet

i implementacja metody init() . Do rysowania wykorzystuje-

my odpowiednio skonigurowane okno klasy Canvas3D – kla-

sa Canvas3D dziedziczy po awt.Canvas . Kluczowa dla zawar-

tości trójwymiarowej sceny jest stworzona przez nas metoda

createScene() , zwracająca korzeń sceny ( scene ) klasy Branch-

Group ( javax.media.j3d.BranchGroup ). Chcąc stworzoną scenę

wyświetlić, w dalszej części metody musimy dołączyć korzeń

do naszego wszechświata ( universe ). W metodzie createSce-

ne() , na początek musimy zainicjować korzeń drzewa ( root ),

do którego będziemy dokładać kolejne elementy sceny. Ko-

lejno ustawiamy: tło ( background ), światło otoczenia ( ambien-

tLight ) i kierunkowe ( dirLight ). Granice sceny ustalamy two-

rząc instancję klasy BoundingSphere ( bounds ). Chcąc manipu-

lować jedynie sześcianem, musimy stworzyć dla niego osob-

ną gałąź (grupę) i w rezultacie do korzenia dołączyć trzy od-

dzielne instancje klasy TransformGroup ( objTransform1 dla ku-

li, objTransform2 dla sześcianu i objTransform3 dla sceny, któ-

rą wczytywać będziemy z pliku) – tylko objTransform2 w koń-

cowym efekcie będzie posiadać mechanizm obsługi zda-

rzeń myszki. Tak kulę jak i sześcian przesuwamy i skaluje-

my używając metod set(Vector3f x) i setScale(loat scale)

klasy Transform3D . W przypadku kuli i modelu działamy od-

powiednio na instancjach sphereTransform oraz mdlTransform ,

dla sześcianu natomiast na instancji cubeTransform (w gałęzi

objTransform2 ). Dodatkowo, kula jest kolorowana ( sphere.se-

tAppearance(appearance) ). Do manipulowania sześcianem

myszką potrzebne są nam jeszcze instancje klasy MouseZoom

(zoom) i MouseRotate (rotate) . Obydwie przyjmują objTrans-

form2 . Dla wczytania zewnętrznego modelu (sceny) kluczo-

wy jest następujący fragment

ObjectFile ile = new ObjectFile(lags);

Scene model = null;

model = ile.load("model.obj");

Tak wczytany model wystarczy tylko umieścić w przeznaczo-

nej dla niego gałęzi i dołączeniu jej do korzenia:

objTrans3.addChild(model.getSceneGroup());

objRoot.addChild(objTrans3);

Musimy jeszcze tylko pamiętać o bieżącym modyikowaniu

treści drugiej grupy

objTransform2.setCapability(

TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_WRITE)

objTransform2.setCapability(

TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_READ);

dołączeniu wszystkich potrzebnych elementów do korzenia

i pierwsza aplikacja jest gotowa.

Rysunek 2. Przykład importu do Java 3D powierzchni

wygenerowanej w Blenderze

Rysunek 3. Przykład połączenia GUI z Java 3D – symulator

cząsteczek

www.sdjournal.org Software Developer’s Journal 6/2006

Java 3D i Python

Listing 4. Java 3D w Jythonie

import java . awt . GraphicsConiguration

from java . applet import Applet

from java . awt import BorderLayout

from java . awt . event import *

from com . sun . j3d . utils . geometry import *

from com . sun . j3d . utils . universe import *

from javax . media . j3d import *

from javax . vecmath import *

from com . sun . j3d . utils . behaviors . mouse import *

from com . sun . j3d . utils . behaviors . vp import *

objRoot . addChild ( dirLight )

sphereTransform = Transform3D ()

sphereTransform . set ( Vector3f ( 0 ., 0.5 , - 0.25 ))

sphereTransform . setScale ( 0.5 )

objTransform1 = TransformGroup ()

objTransform1 . setTransform ( sphereTransform )

cubeTransform = Transform3D ()

cubeTransform . set ( Vector3f ( 0 ., - 0.5 , 0.25 ))

cubeTransform . setScale ( 0.5 )

objTransform2 = TransformGroup ()

objTransform2 . setCapability (

TransformGroup . ALLOW_TRANSFORM_WRITE )

objTransform2 . setCapability (

TransformGroup . ALLOW_TRANSFORM_READ )

objTransform2 . setTransform ( cubeTransform )

objRoot . addChild ( objTransform1 )

objRoot . addChild ( objTransform2 )

sphere = Sphere ( 0.5 )

cube = ColorCube ( 0.5 )

appearance = Appearance ()

objColor = Color3f ( 1.0 , 0.2 , 0.4 )

appearance . setMaterial ( Material (

objColor , Color3f ( 0 , 0 , 0 ) , objColor ,

Color3f ( 1 , 1 , 1 ) , 10 ))

sphere . setAppearance ( appearance )

objTransform1 . addChild ( sphere )

objTransform2 . addChild ( cube )

rotate = MouseRotate ( objTransform2 )

objRoot . addChild ( rotate )

rotate . setSchedulingBounds ( self . _bounds )

zoom = MouseZoom ( objTransform2 )

objRoot . addChild ( zoom )

zoom . setSchedulingBounds ( self . _bounds )

objRoot . compile ()

return objRoot

# koniec metody createScene

# Tworzymy applet…

class Hello3D ( Applet ):

def init ( self ):

self . setLayout ( BorderLayout ())

self . _bounds =

BoundingSphere ( Point3d ( 0.0 , 0.0 , 0.0 ) , 100.0 )

conig = SimpleUniverse . getPreferredConiguration ()

c = Canvas3D ( conig )

self . add ( "Center" , c )

self . _scene = self . createScene ()

self . _universe = SimpleUniverse ( c )

self . _viewingPlatform =

self . _universe . getViewingPlatform ();

self . _viewingPlatform . setNominalViewingTransform ();

self . _universe . addBranchGraph ( self . _ scene )

# Kolej na tworzenie sceny…

def createScene ( self ):

# korzeń

objRoot = BranchGroup ()

background = Background ()

background . setColor ( Color3f ( 0 , 0 , 1 ))

background . setApplicationBounds ( self . _bounds )

objRoot . addChild ( background )

lightColor1 = Color3f ( 0.7 , 0.7 , 0.7 )

lightDirection1 = Vector3f ( 1.0 , . 0 , . 0 )

ambientColor = Color3f ( 0.2 , 0.2 , 0.2 )

ambientLight = AmbientLight ( alColor )

ambientLight . setInluencingBounds ( self . _bounds )

dirLight = DirectionalLight ( lightColor1 , lightDir1 )

dirLight . setInluencingBounds ( self . _bounds )

objRoot . addChild ( ambientLight )

# Testujemy applet…

if __name__ == ' __main__ ' :

import pawt

pawt . test ( Hello3D ())

# Koniec

Zwróćmy uwagę, że informacja o tworzywie wczyta-

nego modelu może znajdować się w zewnętrznej biblio-

tece materiałowej. W przypadku plików .obj jest to zwykle

tekstowy plik z rozszerzeniem .mtl generowany przy oka-

zji tworzenia samego modelu. Aby móc z niego skorzystać,

wystarczy w naszym modelu (w formacie .obj ) umieścić

dwie instrukcje

rzywa, którym kolorujemy albo cały model albo wybra-

ną grupę. W tym wypadku spada z nas np. cała odpowie-

dzialność za kolor obiektu, przezroczystość, itp. Trzeba pa-

miętać, że większość istniejących w konwerter plików .obj ,

a także .lwo zwykle nie obsługuje całości specyikacji okre-

ślonego formatu. W ekstremalnych sytuacjach konieczna

jest edycja pliku i usunięcie kłopotliwych elementów. Z ist-

niejących modelerów open source dobre wyniki dają Blen-

der oraz Wings – zob. Rysunek 2.

mtllib model.mtl

usemtl 20

Okienka

Integracja Javy 3D ze Swing nie jest bezproblemowa. Po-

prawnie Java 3D pracuje jedynie ze starszymi kontenera-

Pierwsza z nich określa zewnętrzną bibliotekę, z której mo-

żemy pobrać odpowiednie tworzywa, a druga indeks two-

Software Developer’s Journal 6/2006

www.sdjournal.org

Programowanie

graiki

Listing 5. Wykorzystanie klasy PythonInterpreter

// Import klas Java 3D…

import org . python . core . PyObject ; // Jython

import org . python . util . PythonInterpreter ; // interpreter

mainGroup . addChild ( embedded );

// Python: KONIEC

objRoot . addChild ( mainGroup );

return objRoot ;

}

// Klasa dziedziczy po JFrame - Swing

public class embDemo extends JFrame {

// pola prywatne, etc.

public embDemo ( String source ) {

// …

// Dodajemy do ramki nasz panel 3D

this . getContentPane () . add ( new Tabbed ( source ));

// …

}

// Panel dziedziczy po klasie JPanel

class Panel3D extends JPanel {

public Panel3D ( String source ) {

// …

// Scena i wirtualny wszechświat

BranchGroup scene ;

SimpleUniverse sUniverse = new SimpleUniverse ( can

vas3D );

scene = createSceneGraph ( source );

sUniverse . addBranchGraph ( scene );

//…

this . setLayout ( new BorderLayout ());

this . setOpaque ( false );

this . add ( "Center" , canvas3D );

}

private BranchGroup embeddedWorld ( String source ) {

Object input = null ;

BranchGroup root = new BranchGroup ();

// Inicjujemy interpreter…

PythonInterpreter interp = new PythonInterpreter ();

// ...i wczytujemy do niego treść skryptu

try {

DataInputStream in = new DataInputStream (

new FileInputStream ( source ));

interp . execile ( in );

// Pobieramy określony obiekt - scene

input = interp . get ( "scene" , BranchGroup . class );

} catch ( FileNotFoundException E ) {

E . printStackTrace ( System . err );

}

// Rzutujemy - input jest instancją klasy Object

return ( BranchGroup ) input ;

}

// Dziedziczymy po klasie JTabbedPane

class Tabbed extends JTabbedPane {

// source to nazwa skryptu Pythona

public Tabbed ( String source ) {

// Zakładka z panelem 3D

this . addTab ( "View" , new Panel3D ( source ));

}

public static void main ( String [] args ) {

new embDemo ( args [ 0 ]);

}

// Metoda createSceneGraph() jest inna niż zwykle..

private BranchGroup createSceneGraph ( String source ) {

BranchGroup objRoot = new BranchGroup ();

TransformGroup mainGroup = new TransformGroup ();

// …

// Python: uruchamiamy interpreter

// Tutaj embeddedWorld zwraca wczytaną

// z zewnątrz scenę

BranchGroup embedded = embeddedWorld ( source );

mi AWT. Powszechnym problem jest przerysowywanie i za-

krywanie kontrolek Swingowych przez Javę 3D ( Canvas3D ),

co powoduje, że użycie większości kontrolek Swingowych

jest praktycznie niemożliwe. Najlepsze wyniki, jak pokaże-

my na przykładzie, daje para JTabbedPane – Canvas3D i dzie-

dziczenie po klasie JPanel , np. w sposób pokazany w Listin-

gu 2 i 3.

Teraz wystarczy już tylko Rysunkowa para JTabbedPane –

Canvas3D , przedstawiona na Listigu 3.

Dzięki takiemu rozwiązaniu można w łatwy sposób two-

rzyć rozbudowane aplikacje z typowym dla Swingowych

aplikacji interfejsem użytkownika, jak np. ta zilustrowana na

Rysunku 3 przedstawiając symulator cząsteczek.

plementacją Pythona o nazwie Jython na maszynę wirtual-

ną Javy. Zalet tworzenia aplikacji przy użyciu języków skryp-

towych w rodzaju Pythona jest wiele – np. obecność typów

danych wysokiego poziomu (listy, słowniki) przyspiesza-

jąca tworzenie aplikacji, dynamiczne typowanie, oszczęd-

ność kodu, interpretowanie zamiast kompilacji. Jython

w wersji 2.1 jest zgodny z J2SE, dzięki czemu korzystanie

w nim ze środowiska Java 3D w obecnej wersji (1.3.1) jest

bezproblemowe – Jython jest w 100% napisany w Javie, co

daje możliwość importowania klas Javy do tworzonych przez

nas skryptów. Dla porównania z poprzednim kodem, poni-

żej przykład skryptu/appletu stworzonego w Pythonie. Apli-

kacja jest identyczna z opisaną na wstępie aplikacją Hello-

3D poza fragmentem dotyczącym wczytania elementu sceny

z zewnątrz. Odpowiednie moduły Javy i Javy 3D importuje-

my, używając typowej konstrukcji Pythona

Java 3D a Jython

Ciekawą alternatywą dla programistów używających obiek-

towe języki skryptowe wysokiego poziomu (np. Python) jest

możliwość integracji Javy 3D z Pythonem, a konkretnie z im-

from com.sun.j3d.utils.behaviors.mouse import *

www.sdjournal.org Software Developer’s Journal 6/2006

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: