Simulation und 3D-Proggrammierung Dozent Prof. Dr. M. Thaller Referentin Nadya Steinert 1.

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1 Simulation und 3D-Proggrammierung Dozent Prof. Dr. M. Thaller Referentin Nadya Steinert 1

2 Umgebungskugel ist durch ihren Radius definiert, Mittelpunkt ist identisch mit dem des Modells. Umgebungsquader ist durch den minimalen und den maximalen Vektor definiert. Minimaler Vektor ist die linke hintere untere Ecke des Quaders. Maximaler Vektor ist die rechte obere vordere Ecke. Umgebungskugel und Umgebungsquader schließen ein Modell vollständig ein. 2

3 Warum wird es mit Kugeln und Quadern gerechnet? Damit ist es leichter zu rechnen als mit den Dreiecken des Modells. Die Modelle liegen innerhalb der Kugeln und Quadern, also wenn z.B. eine Linie die Hülle trifft, dann wird automatisch auch das Modell getroffen. So werden die komplizierten Berechnungen mit den Dreiecken gespart, wenn das nicht der Fall ist. 3

4 Um die Kollision zwischen zwei Objekte zu bestimmen, wird es zuerst geprüft, ob sich deren Umgebungskugeln schneiden. Bei Kugelkollision kann genauso vorgegangen werden, wie bei der Kollision zweier Kreise. Es gibt vier Möglichkeiten: 4

5 A) Keine Kollision; d > r 1 + r 2 B) Berührung; d = r 1 + r 2 C) Schnitt; d < r 1 + r 2 D) Einschließung; d <= r 1 - r 2 5

6 Wenn die Distanz d zwischen den beiden Kreisen kleiner oder gleich der summe der Radien ist, kollidieren die Kreise an mindestens einer Stelle. Bei dreidimensionalen Kugeln gilt das gleiche, nur bei der Berechnung von d geht es um Vektorlengenberechnung. Für die Funktion tbSphereHitsSphere brauchen wir einen Vektor(Mittelpunkt) und eine Flieskommazahl(Radius). 6

7 Die Funktion tbSphereHitsSphere 7

8 Wenn ein Torpedo, als ein Punkt betrachtet wird, und es soll eine Kugel treffen, können wir die alte Position des Torpedos mit der neuen verbinden. So haben wir Linie und Kugel. Wir brauchen Gleichungen für die Kugel und für die Linie. 8

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10 Die gerade muss mit Hilfe von Vektoren dargestellt werden. Man braucht einen beliebigen Punkt, der dazu führende Vektor heißt Stützvektor p, einen Richtungsvektor u und einen Parameter s : x = p + s. u Durch das s – Parameter bewegt man sich vom Stützvektor entlang des Richtungsvektor über die Gerade. s kann positiv oder negativ sein, was die Richtung andeutet. 10

11 s eingesetzt in die Geradengleichung soll einen Punkt liefern, der die Kugelgleichung erfüllt. Die zwei Gleichungen: g : x = p + s. u k : (x – m)² = r² g wird in k eingesetzt : -u. ( p – m) ± (u. (p –m))² - u². ((p-m)² -r²) s 1,2 = u² 11

12 Wichtig hier ist die Diskriminante: Diskriminante > 0 : zwei Schnittpunkte(den kleineren Wert benutzen, näher zum Startpunkt) Diskriminante = 0 : ein Schnittpunkt Diskriminante < 0 :kein Schnittpunkt Das wird dann in die Funktion tbLineHitsSphere gepackt. 12

13 Nächster Schritt, falls der vorherige positiv ausgefallen ist : Linie – Dreieck. Zuerst wird geprüft ob die Linie die Ebene des Dreiecks schneidet. Vorgehensweise wie bei der Kugel : s eingesetzt in die Geradengleichung, liefert einen Punkt der auch die Ebenengleichung erfüllt g : x = p + s. u E : n. x + d = 0 13

14 g in E einsetzen: s = - n. p + d n. u Es wird getestet ob der Nenner gleich Null ist und s muss im Intervall [0;1] liegen. Wenn Nenner gleich Null – Linie verläuft parallel zur Ebene, in diesem Fall wird Startpunkt der Linie in die Ebenengleichung eingesetzt. 14

15 Daraus wird die Funktion tbLineHitsPlane implementiert. Schnellere Methode findet den Punkt nicht, sondern ob es einen gibt oder nicht : Start- und Endpunkt der Linie werden in die Ebenengleichung eingesetzt. Wenn sie gleiche Vorzeichen haben, liegen die auf der gleichen Seite und schneiden die Ebene nicht ;wenn unterschiedliche Vorzeichen – Ebene wird geschnitten; wenn Null – Linie liegt auf der Ebene. 15

16 Die Fläche eines Dreiecks ist durch drei Ebenen begrenzt, die entlang der Kanten erstrecken und einen Normalenvektor senkrecht zu den Kanten haben. Die Ebenen werden generiert und der P unkt wird in die Ebenengleichungen eingesetzt. Wenn ein Wert kleiner null herauskommt, liegt der Punkt nicht auf der Ebenen ; wenn der Wert größer oder gleich null ist liegt der Punkt innerhalb des Dreiecks. 16

17 Der Schnittpunkt zwischen Linie und Ebene wird berechnet. Ein neues Koordinatensystem mit Ursprung eines der Punkte des Dreiecks wird gebildet, Achsen sind nicht mehr rechtwinklig. Position des Schnittpunkts muss ins neue Koordinatensystem umgerechnet werden(baryzentrischen Koordinaten), was sofort die Frage beantwortet: 17

18 x-Koordinate < 0: Punkt nicht im Dreieck y- Koordinate < 0: Punkt nicht im Dreieck Summe der x- und y-koordinate > 1: Punkt nicht im Dreieck Daraus wird die zweite Funktion für Linie und Dreieck implementiert: tbLineHitsTriangle2 18

19 Ebene von Dreieck 2 wird berechnet Dreieck 1 wird Punkt für Punkt durchgegangen; wenn alle Punkte auf der gleichen Seite – Dreiecke schneiden sich nicht Jetzt das Gleiche, nur umgekehrt, dabei merkt man sich welche Punkte der Dreiecke alleine auf ihrer Ebenenseite liegen Dreiecke schneiden sich normalerweise in einer Linie – die Schnittlinie L 19

20 Dreieck 1 schneidet Ebene 2 in Linie L1 und umgekehrt. Zuerst müssen beide Schnittlinien L1 und L2 gefunden werden; der Bereich, wo sie sich überlappen ist die gesuchte L L1 und L2 bestehen von zwei Punkten: einen Start- und einen Endpunkt Das sind die Schnittpunkte der Dreieckvektoren mit der anderen Ebene 20

21 Es müssen die s- Werte für L1 und L2 berechnet werden Die Werte für beide Schnittlinien werden sortiert, um zu wissen welcher das Minimum und welcher das Maximum ist Minimum und Maximum bilden jeweils ein Intervall Die Intervallüberlapung beider Linien wird gesucht; es gibt sechs Überlapugszustände 21

22 Die Funktion tbTriangleHitsTriangle wird implementiert 22

23 Unterschied zu Kugeln: - Kugeln sind mathematisch leichter auszudrücken - Eine Drehung verändert ihre Form nicht Berechnung eines Quaders - es werden nur die linke untere vordere Ecke und die rechte obere hintere ecke benötigt - wir arbeiten zuerst mit achsenausgerichteten Umgebungsquadern 23

24 Ein Quader ist ein von sechs Ebenen abgegrenzter geschlossener Raum Ein Punkt der im Quader liegt, liegt auf der Hinterseite jeder der Ebenen Es gibt normalerweise zwei Punkte, die den Quader schneiden, wir wählen denjenigen, mit der kürzesten Distanz zum Startpunkt des Strahls 24

25 Bei frei drehbaren Quadern: - müssen nur die Ebenen mit der Transformationsmatrix des Objektes transformiert werden - die Ebenen werden mit Hilfe der Eckpunkte des Quaders berechnet ( für eine Ebene werden drei Punkte benötigt), wenn diese vor Erstellung der Ebene transformiert werden ist das Problem gelöst - für achsenausgerichteten Quadern wird einfach die Identitätsmatrix eingegeben 25

26 Beim achsenausgerichteten Quader: -wenn die Koordinaten des Punkts auf allen drei Achsen zwischen dem Minimum und Maximum des Quaders auf dieser Achse liegen, dann ist der Punkt drin Beim drehbaren Quader: - setzt man den Punkt in die Gleichungen der sechs Ebenen ein - da alle Ebenen nach außen zeigen, sobald ein positives Ergebnis vorliegt, liegt der Punkt nicht im Quader 26

27 Die Funktion tbPointHitsBox wird dieses Prinzip angewendet Bei der Funktion tbPointHitsBox2 : - werden keine Ebenen berechnet - anstatt den Quader zu transformieren, wird der Punkt mit Hilfe der invertierten Transformationsmatrix transformiert - der Punkt erhält Quaderrelevante Koordinaten(hier gilt das Prinzip des achsenausgerichteten Quaders) 27

28 Implementieren der Funktion tbLineHitsBox ;folgende Parameter werden gebraucht: - Start- und Endpunkt der Linie - Die Eckvektoren des Umgebungsquader - Die Transformationsmatrix - Einen tbVector-3- Zeiger, welcher mit den Schnittpunkten gefüllt wird Wir brauchen die Funktion tbLineHitsPlaneS, die mit dem Linienabschnitt s rechnet und einen float- Wert zurückgibt 28

29 Zwei Quader Kollidieren genau dann, wenn sich mindestens ein Punkt des einen Quaders innerhalb des anderen befindet; der Quader wird Punkt für Punkt in eine bestimmte Schrittweite durchlaufen(je kleiner die Schrittweite, desto genauer die Kollisionserkennung) Die Funktion tbBoxHitsBox wird implementiert 29

30 1. Optimierung : Bereitstellen der Vektoren und Indizes: - bei Kollision müssen die einzelnen Vertizes und Indizes schnell griff bereit sein - direkt nach laden des Modells alle Positionsvektoren und Indizes aus den Buffern extrahieren und speichern( für schnelleren Zugriff) 30

31 2. Optimierung: Vorberechnung der Dreiecksebenen - wir berechnen die Ebene des Dreiecks und die drei Seitlichen Ebenen und speichern sie - dann muss der Schnittpunkt später nur in drei Ebenengleichungen eingesetzt werden - mit der ersten Ebene des Dreiecks erhalten wir auch noch den Normalenvektor 31

32 3. Optimierung: Octrees - für jedes Modell ein Octree erstellen - Octree ist eine baumartige Struktur, bei der ein Modell in acht Stücke aufgeteilt wird und jedes Stück wiederum aufgeteilt wird bis eine bestimmte Tiefe erreicht wird - für jedes Teil wird ein umgebender Quader angefertigt - Die Knoten beinhaltet nur Zeiger auf ihre Unterknoten; nur der Endknoten beinhaltet die eigentlichen Dreiecken 32

33 Bäume spielen auch beim Rendern eine große Rolle; nur die sichtbaren Knoten werden gerendert und es werden keine unnötige Brechnungen für die unsichtbaren durchgeführt 33

34 Zuerst werden die Positionsvektoren jedes Vertex und alle Indizes in der tbModel- Klasse bereitgestellt; das sind die Extradaten Die Init- Methoden von tbModel erhalten noch zwei weitere BOOL- Parameter - der eine bestimmt, ob Extradaten generiert werden sollen ( bGenerateExtraData) - der zweite sagt ob nur Extradaten erwünscht sind ; in dem Fall werden dann Vertex- Buffer, Index-Buffer, Effekte, Lichter nach dem Laden gelöscht( bExtraDataOnly) 34

35 Kopieren der Positionsvektoren - Positionsvektoren und Indizes werden in tbvector3 gesteckt und es wird genügend Speicherplatz reserviert - Vertizes bestehen aus mehreren Parametern, wir brauchen nur den Positionsvektor, der immer an erster Stelle ist ; die Größe des Vertex ist auch bekannt, also ist das Herauskopieren kein Problem -Ein BYTE- Zeiger wird erstellt, der zuerst auf den Anfang des Vertx-Buffer-Daten zeigt, der erste Pos.vektor wird herauskopiert und der Zeiger wird um die Vertexgröße erhöht, um am Anfang des nächsten Vertex zu kommen 35

36 Kopieren der Indizes – es wird genauso wie bei den Vertizes vorgegangen Berechnung der vier Ebenen jedes Dreiecks - als erstes wird Speicherplatz reserviert; Der Zeiger auf die Liste heißt tbPlane* - als nächstes werden die Ebenen berechnet; dazu wird jedes Dreieck durchgegangen und die Positionsvektoren seiner drei Vertizes herausgefunden -Dann werden die Ebenen mit den Funktionen tbPlaneFromPoints und tbPlaneFromPointsNormal ausgerechnet 36

37 Der Octree –Struktur - eine BOOL - Variable, die bestimmt ob ein Knoten Endknoten ist oder nicht - für normale Knoten: 8 Zeiger auf die untergeordneten Knoten - für Endknoten: die Anzahl der Dreiecke und eine Liste mit den Dreiecken dieses Knotens -für alle Knoten speichern wir den Quader, der diesen knoten und alle untergeordneten Knoten umgibt ; benötigt werden maximaler und minimaler Vektor ; die sechs Ebenen des Quaders werden berechnet und gespeichert 37

38 Einrichten des Wurzelknotens - der Wurzelknoten ist der Zeiger m_pRootNode und er enthält 8 Zeiger auf die Unterknoten - dieser Knoten wird in UpdateExtraData initialisiert, zuerst ist er ein Endknoten und bIsLeaf wird auf true gesetzt - die darin enthaltenen Dreiecke ensprechen der Anzahl der im Modell enthaltenen -für die Bounding-box werden die Werte kopiert, die in tbModel gespeichert sind 38

39 Rekursives Aufteilen eines Knotens - die rekursive Funktion( tbModel::SplitNode) teilt einen Knoten in 8 Unterknoten auf und ruft sich selbst wieder auf bis eine maximale Unterteilungstiefe erreicht ist, oder ein Knoten nur noch wenige Dreiecke hat - der rekursiven Funktion wird der zu unterteilende Knoten übergeben( tbmodelOctreeNode) und ein int-Wert mit der maximalen Unterteilungstiefe; beim Wiederaufruf wird dieser wert um eins verringert 39

40 Schritt 1: Festlegen der Bounding-Box jedes neuen Knotens - die Methode SplitNode geht in einer for-Schleife alle 8 Knoten durch und reserviert Platz; dann wird die Bounding-Box jedes neuen Unterknotens festgelegt ; später wird bestimmt, welche Dreiecke zu diesem Knoten gehören und welche nicht - der Knoten wird genau in der Mitte aufgeteilt; der Mittelwert aus maximalen und minimalen Vektor wird in die temporäre Variable vCenter gespeichert - der erste Knoten soll links unten und vorne liegen; der minimale Vektor wird von dem zu unterteilenden Knoten kopiert ; als maximaler Vektor kommt vCenter in Frage 40

41 Schritt 2: Zuordnen der Dreiecke Einem Knoten wird ein Dreieck dann zugeteilt, wenn: - sich mindestens ein Vertex in der Bounding-Box befindet - mindestens eine Seite die Bounding-Box schneidet - mindestens eine Seitenhalbierende die Bounding-Box schneidet 41

42 Das erste wird mit tbPointHitsBox berechnet und die anderen Bedingungen mit tbLineHitsBox ; es kann vorkommen dass ein Dreieck zu mehreren Boxen gehören kann. Bei Kollision ist das egal, beim rendern würde das aber Probleme bereiten Wir erstellen eine temporäre Liste die Platz für alle Dreiecke des zu unterteilenden Knotens hat; dann geht man alle Dreiecke durch und prüft ob sie die oberen Bedingungen erfüllen, wenn ja, wird der Dreieck in di temp. Liste aufgenommen und der Zähler wird hochgezählt; die dazugehörigen Dreiecke werden in die eigentliche Liste kopiert Die bIsLeaf Variable wird entsprechend neugesetz 42

43 Schritt 3: die Rekursion - nachdem ein neuer Unterknoten erstellt wurde, muss er wieder unterteilt werden; der Parameter der Unterteilungstiefe wird um eins verringert Löschen des Octrees - es wird wieder rekursiv vorgegangen; die Funktion DeleteNode wird einmal auf den Wurzelknoten aufgerufen - DeleteNode löscht zuerst die dreiecksliste, dann die Unterknoten und schließlich den eogenen Knoten 43

44 Transformation der Linie - anstatt das ganze Modell in absolute Koordinaten zu transformieren, transformieren wir die Linie mit der inversen Transformationsmatrix Das rekursive Prinzip - einer rekursiven Funktion werden die Linie(transformiert), das Modell und den Octree- Knoten übergeben - die Funktion prüft ob die Linie die Bounding- Box trifft; wenn das ein Endknoten ist, wird der Kollisionstest Dreieck für Dreieck durchgeführt 44

45 Der Test mit den Dreiecken - wir haben bereits die Extradaten berechnet - zuerst prüfen, ob die Linie die Ebene des Dreiecks schneidet, wenn nicht, dann Abbrechen - dann mit der Funktion tbPlaneDotCoords überprüfen ob der Punkt im Dreieck liegt; wenn ein negativer Wert rauskommt, kann es abgebrochen werden 45

46 Die rekursive Funktion - die Funktion heißt tbModelHitsModelRec - sie erhält als Parameter beide Modelle, die Matrix jedes Modells, die inverse Matrix und den Octree-Knoten 1.Schritt: schneiden sich die Bounding-Boxes? - zuerst wird geprüft, ob sich die Bounding- Boxes schneiden, wenn nicht brechen wir ab 46

47 2.Schritt: Fallunterscheidung – es muss zwischen vier Fälle unterschieden werden 1. Beide Knoten sind Endknoten 2. Knoten A ist ein Endknoten, Knoten B nicht 3. knoten B ist ein Endknoten, Knoten A nicht 4. Beide Knoten sind keine Endknoten 47

48 Fall 1 - es muss die Kollision zwischen den Dreiecken von Knoten A und B getestet werden - anstatt beide Modelle in absolute Koordinaten zu transformieren, transformieren wir das eine Modell in das Koordinatensystem des anderen; die dazu gehörige Matrix ist das Produkt aus der Matrix des zu transformierenden Modells und der inversen Matrix - um Zeit zu sparen wird der Knoten mit den wenigen Dreiecken ausgewählt 48

49 - die Dreiecke von Knoten B werden mit einer for-Schleife durchlaufen, die Vektoren werden mit der errechneten Matrix transformiert, die neuen Vektoren werden in vTriA, vTriB und vTriC gespeichert - die Dreiecke von Knoten A werden analog durchlaufen; - mit der Funktion tbtringleHitsTriangle, wird die Kollision zwischen zwei Dreiecke getestst 49

50 Fall 2 und Fall 3 - wenn Knoten A ein Endknoten ist und Knoten B nicht, dann wird jeder Unterknoten von B durchlaufen und auf Kollision getestet(rekursiv) - zum Schluss kommt man zum Fall 1 Fall 4 -wenn beide Knoten keine Endknoten sind, wird es wie bei Fall 2 vorgegangen, zum Schluss kommt man zum Fall 1 50

51 Der Bounding-Sphere-Test - bevor die rekursive Funktion tbModelHitsModelRec aufgerufen wird, wird die nicht rekursive Funktion tbModelHitsModel aufgerufen; diese prüft ob sich die Umgebungskugeln der Modelle schneiden und ruft die rekursive Funktion tbModelHitsModelRec auf Die Funktion von der Engine kann auf Wunsch den Ort der Kollision, die Normalenvektoren der kollidierenden Dreiecke und deren Nummern liefern 51

52 Damit die geschossenen Projektile auch ihre Mission erfüllen, muss die Funktion CProjektile::Move erweitert werden Die Kollisionserkennung - die Projektile werden als Linie betrachtet; Startpunkt ist die Position vor dem Bewegen und Endpunkt diejenige nach dem Bewegen - beim Laserstrahl muss noch seine Länge eingerechnet und addiert werden daher auf den Endpunkt noch die z-Achse des Strahls multipliziert mit seiner Länge 52

53 - jetzt werden mit eine for-Schleife alle Schiffe durchgangen - mit tbLineHitsModel finden wir welcher Schiff einen Treffer einstecken muss - die Toleranz für die Kollisionserkennung hängt davon ab, ob das Schiff noch genug Schutzschildenergie hat - das ist der Fall, wenn die fDamageToShields- Variable des Waffentyps kleiner ist als die verbleibende Schutzschildenergie des Schiffs 53

54 Die Wirkung eines Treffers - wenn Kollision, Projektils- Variable auf null setzen - testen, ob Schutzschildenergie zum Schutzabwehr ausreicht - wenn nicht, Projektil dringt durch die Hülle hindurch und beschädigt andere Systemen - der angerichtet schaden wird in der separaten Methode CShip::DoDemage hinzugefügt, als Parameter werden den Ort des Treffers und die Trefferstärke übergeben 54

55 Hüllenbrüche und defekte Systeme - die DoDemage -Methode wird implementiert - die Trefferposition wird relativ zum Schiff umgewandelt - dann braucht man System für System durchzugehen und die Entfernung zum TrefferPunkt berechnen, je größer die Entfernung zum Einschlagpunkt, desto geringer der Schaden 55

56 Der Test - die Funktion CShip::Move wird so umgeändert, dass sie in jeder Frame auf Kollision prüft Schaden bei einer Kollision - die Methode CShip::DoDemage erwartet zwei Parameter: die Stelle, an der das Geschoss einschlägt und die Stärke - die Stärke hängt von der Differenz zwischen den Bewegungsvektoren der Schiffe und von dem Verhältniss der Massen der Schiffe ab 56

57 Abprallen der Raumschiffe - Kollision zwischen zwei Kugeln(keine Energie geht verloren) - man verbindet beide Kugelmittelpunkte im Moment der Kollision, dann teilt man die Geschwindigkeitsvektoren beider Kugeln auf:in jeweils eine Komponente senkrecht zu Verbindungslinie und eine parallel dazu. Beide Kugeln tauschen Ihre Bewegungen parallel zu dieser Linie 57

58 - ein Geschwindigkeitsvektor wird schwer in zwei Komponenten geteilt, es reicht wenn nur eine der beiden Komponenten berechnet wird - wir berechnen die Komponente des Geschwindigkeitsvektors, die parallel zum Verbindungsvektor steht ; dabei gilt: die parallele Komponente ist gleich dem normalisierten Verbindungsvektor multipliziert mit einem bestimmten Faktor ; Diesen Faktor erhalten wir durch das Punktprodukt aus dem Verbindungsvektor und dem Geschwindigkeitsvektor 58