Beispiel: Zeichnen mittels Java3D

Inhalt:

06.05.2009 18:45:31 javax.media.j3d.NativePipeline getSupportedOglVendor
SCHWERWIEGEND: java.lang.UnsatisfiedLinkError: no j3dcore-ogl-chk in java.library.path
Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: no j3dcore-d3d in java.library.path
	at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:1682)
	at java.lang.Runtime.loadLibrary0(Runtime.java:823)
	at java.lang.System.loadLibrary(System.java:1030)
	at javax.media.j3d.NativePipeline$1.run(NativePipeline.java:231)
	at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
	at javax.media.j3d.NativePipeline.loadLibrary(NativePipeline.java:200)
	at javax.media.j3d.NativePipeline.loadLibraries(NativePipeline.java:157)
	at javax.media.j3d.MasterControl.loadLibraries(MasterControl.java:987)
	at javax.media.j3d.VirtualUniverse.(VirtualUniverse.java:299)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dTestFrame.(Java3dTestFrame.java:63)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dTestFrame.main(Java3dTestFrame.java:185)

import java.awt.GraphicsConfiguration;
import javax.media.j3d.Canvas3D;
import com.sun.j3d.utils.universe.SimpleUniverse;

public class Java3dTestFrame extends JFrame
{
  ...
  public Java3dTestFrame(String title)
  {
    ...
    GraphicsConfiguration config = SimpleUniverse.getPreferredConfiguration();
    
    Canvas3D canvas3D = new Canvas3D (config);
    add(canvas3D);

    SimpleUniverse universe = new SimpleUniverse(canvas3D);
    universe.getViewingPlatform().setNominalViewingTransform();

canvas3D.getView().setSceneAntialiasingEnable(true);

import javax.media.j3d.View;
    ...
    canvas3D.getView().setWindowEyepointPolicy(View.RELATIVE_TO_WINDOW);

    canvas3D.getView().setWindowMovementPolicy(View.VIRTUAL_WORLD);
    canvas3D.getView().setWindowResizePolicy(View.VIRTUAL_WORLD);

    canvas3D.getView().setFieldOfView(0.1);
    universe.getViewingPlatform().setNominalViewingTransform();

import javax.media.j3d.BranchGroup;
...
    BranchGroup branchgroup = new BranchGroup();
	...
    universe.addBranchGraph(branchgroup);

import java.awt.Color;
import javax.media.j3d.Appearance;
import javax.media.j3d.ColoringAttributes;
import javax.media.j3d.Transform3D;
import javax.media.j3d.TransformGroup;
import com.sun.j3d.utils.geometry.Box;

    ...
    Appearance appearanceGreen = new Appearance();
    ColoringAttributes coloringAttributesGreen = new ColoringAttributes();
    coloringAttributesGreen.setColor(new Color3f(Color.green));
    appearanceGreen.setColoringAttributes(coloringAttributesGreen);
    
    Box box = new Box (0.2f, 0.1f, 0.2f, appearanceGreen);

    Transform3D transform3dBox = new Transform3D();
    //Um 20% nach rechts schieben:
    transform3dBox.setTranslation(new Vector3d (0.6f,0.0,0));
    
    TransformGroup transformGroupBox = new TransformGroup(transform3dBox);

    transformGroupBox.addChild(box);

   branchgroup.addChild(transformGroupBox);

import com.sun.j3d.utils.geometry.Cone;
...
    ...
    Appearance appearanceBlue = new Appearance();
    ColoringAttributes coloringAttributesBlue = new ColoringAttributes();
    coloringAttributesBlue.setColor(new Color3f(Color.blue));
    appearanceBlue.setColoringAttributes(coloringAttributesBlue);
    
    Cone cone = new Cone (0.2f, 0.8f, appearanceBlue);

    Transform3D transform3dCone = new Transform3D();
    transform3dCone.setTranslation(new Vector3d (-0.2f,0, 0));
    //Um 45 Grad an der x-Achse rotieren => Spitze geht auf User zu.
    transform3dCone.rotX( Math.PI / 4);
    
    TransformGroup transformGroupCone = new TransformGroup(transform3dCone);

    transformGroupCone.addChild(cone);

import com.sun.j3d.utils.geometry.Text2D;
...
    ...
    Color3f colorWhite = new Color3f(Color.WHITE);
    Text2D text2D = new Text2D("Keks", colorWhite, "TimesNewRoman", 16, Font.BOLD);
    
    Transform3D transform3dText = new Transform3D();
    transform3dText.setTranslation(new Vector3d (0, 0.4f, 0));
    
    TransformGroup transformGroupText = new TransformGroup(transform3dText);

    transformGroupText.addChild(text2D);

import javax.media.j3d.LineArray;
import javax.media.j3d.Shape3D;
import javax.vecmath.Point3f;
	
    // Linie von "-1/-1/0" zu "+1/+1/0":
    Point3f[] points = new Point3f[2];
    points[0] = new Point3f(-1.0f, -1.0f, 0.0f);
    points[1] = new Point3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);
    LineArray lineArray = new LineArray(2, LineArray.COORDINATES);
    lineArray.setCoordinates(0, points);
    Shape3D shapeLine = new Shape3D(lineArray, appearanceGreen);
    
    // neue Transformgruppe
    TransformGroup transformGroupLine = new TransformGroup();

    //Cone an Transformgruppe hängen
    transformGroupLine.addChild(shapeLine);

Licht an!

Die Klasse Java3dLightFrame zeigt Grundlagen für Beleuchtung.
Das Konzept ist einfach: Es werden Lichtquellen definiert, die Licht einer bestimmten Farbe abgeben und einen bestimmten Bereich ausleuchten. Wichtig ist allerdings, dass für jedes 3D-Objekt eine Oberfläche definiert werden muss, die festlegt, wie es bei indirektem oder direktem Lichteinfall aussieht.

Licht

import javax.media.j3d.BoundingSphere;
import javax.media.j3d.DirectionalLight;
import javax.vecmath.Color3f;
    ...
    BoundingSphere worldBounds = new BoundingSphere(new Point3d(0.0, 0.0, 0.0), 1000.0);
    
    DirectionalLight light = new DirectionalLight();
    light.setInfluencingBounds(worldBounds);
    light.setColor (new Color3f (Color.white));
    light.setEnable(true);
	
    branchgroup.addChild(light);

Hier wird ein DirectionalLight definiert, das per Default über dem Universum steht und parallele Lichtstrahlen senkrecht auf die x/y-Ebene strahlt (es kommt also im Prinz von da, wo auch das Auge des Betrachters liegt). Das Licht hat die Farbe weiß und ist eingeschaltet. Außerdem muss ein Bereich definiert sein, auf den das Licht wirkt (die "Influencing Bounds"). Im Beispiel wird eine BoundingSphere definiert, die am Nullpunkt liegt und einen Radius von 1000 hat (also das gesamte Universum umfassen sollte).
Das Licht wird am Ende der Wurzel-Branchgroup zugefügt, und diese kommt ins Universum.


Cone
Im Folgenden wird der Kegel aus dem obigen Beispiel so definiert, dass er bei indirektem Lichteinfall in hellem Rot erscheinen soll (setDiffuseColor). Bei direkter Beleuchtung soll er weiß werden (setSpecularColor), "weiß" ist auch der Default. Die "Shininess" (Werte zwischen 1 und 128) liegt per Default bei 64. Je niedriger, desto stärker kommt die "SpecularColor" zum Tragen.

import javax.media.j3d.Appearance;
import javax.media.j3d.Material;
import com.sun.j3d.utils.geometry.Cone;
    ...
    Appearance appearanceCone = new Appearance();
    
    Material materialCone = new Material();

    materialCone.setDiffuseColor(new Color3f(0.4f, 0.0f, 0.0f));
    materialCone.setSpecularColor(new Color3f(1.0f, 1.0f, 1.0f));
    
    materialCone.setShininess(1.0f);
    
    appearanceCone.setMaterial(materialCone);
	
    Cone cone = new Cone (0.2f, 0.8f, appearanceCone);

Das Zusammenspiel der Parameter sei dem Forscher überlassen.

Box
Jetzt werden zwei Boxes definiert. Sie haben beide das gleiche Material, liegen aber unterschiedlich zum User. Anhand dieses Beispiels sieht man die Colors besser:

    Appearance appearanceBox = new Appearance();

    Material materialBox = new Material();
    materialBox.setDiffuseColor(new Color3f(0.0f, 0.5f, 0.0f));
    materialBox.setSpecularColor(new Color3f(0.0f, 1.0f, 0.0f));

    appearanceBox.setMaterial(materialBox);

    Box box1 = new Box (0.2f, 0.1f, 0.2f, appearanceBox);

    //Rechtsverschiebung:
    Transform3D transform3dBox1 = new Transform3D();
    transform3dBox1.setTranslation(new Vector3d (0.6f,0.0,0));
    
    TransformGroup transformGroupBox1 = new TransformGroup(transform3dBox1);
    transformGroupBox1.addChild(box1);
    
    Box box2 = new Box (0.2f, 0.1f, 0.2f, appearanceBox);

    //Erst Rotation um die y-Achse, dann Rechtsverschiebung:
    Transform3D transform3dBox2 = new Transform3D();
    transform3dBox2.rotY(Math.PI / 4);
    transform3dBox2.setTranslation(new Vector3d (0.6f,0.3f,0));
    
    TransformGroup transformGroupBox2 = new TransformGroup(transform3dBox2);
    transformGroupBox2.addChild(box2);

Das Ergebnis sieht so aus:

Die obere Box ist "Box 2", also die leicht in y-Richtung gedrehte. Dadurch, dass keine der Flächen einen 90°-Winkel bildet, ist sie nicht voll angestrahlt, deshalb geht die Farbe eher hin zur Diffuse Color.
Die untere Box ist "Box 1", die parallel zur x/y-Ebene liegt. Sie wird voll vom Licht getroffen und ist deshalb (gemäß "Specular Color") hellgrün.

Eine Frage stellt sich noch: im obigen Simpelbeispiel ohne Licht war die linke Seite der Box ebenfalls erkennbar. Wieso sieht man sie hier nicht? Die Erklärung ist einfach: es fällt kein Licht darauf. Das gleiche gilt hier für Box 2, deren untere Seitenfläche ist ebenfalls nicht beleuchtet und deshalb unsichtbar.

Anmerkung
Sobald wir einem Objekt ein Material geben, wird es unsichtbar, sofern kein Licht darauffällt (dann ist es nämlich schwarz).


AmbientLight
Mittels der Klasse javax.media.j3d.AmbientLight könnten wir die Szenerie mit einer ungerichteten Beleuchtung versehen. Dadurch wären wohl auch die nicht beleuchteten Seiten der obigens Boxes sichtbar. Um das Beispiel simpel zu halten, habe ich darauf verzichtet.

Ein detailliertes Beispiel findet sich hier:

    this.canvas3D.addMouseListener( new MouseAdapter ()
    {
      private double dblStartX = 0.0;
      private double dblStartY = 0.0;
      
      @Override
      public void mousePressed(MouseEvent e)
      {
        Point2d pointMaus = convertMousePositionToWorld(e.getX(), e.getY());
        this.dblStartX = pointMaus.x;
        this.dblStartY = pointMaus.y;
        
		...Hier kommt später der Code für "Klick mit rechter Maustaste"
      }

      @Override
      public void mouseReleased(MouseEvent e)
      {
        if (e.getButton() == MouseEvent.BUTTON1)
        {
          Point2d pointMaus = convertMousePositionToWorld(e.getX(), e.getY());
          double dblWidth = pointMaus.x - this.dblStartX;
          
          drawSphere(this.dblStartX, this.dblStartY, dblWidth);
        }
      }
    } );

  private Point2d convertMousePositionToWorld (int iX, int iY)
  {
    Point3d eye_pos = new Point3d();
    Point3d mousePosn = new Point3d();

    //get the eye point and mouse click point
    this.canvas3D.getCenterEyeInImagePlate(eye_pos);
    this.canvas3D.getPixelLocationInImagePlate(iX, iY, mousePosn);

    //Transform from ImagePlate coordinates to Vworld coordinates
    Transform3D motion = new Transform3D();
    this.canvas3D.getImagePlateToVworld(motion);

    motion.transform(eye_pos);
    motion.transform(mousePosn);

    //calculate the intersection point on Z=0
    double dblX = (-eye_pos.z / (mousePosn.z - eye_pos.z)) * (mousePosn.x - eye_pos.x) + eye_pos.x;
    double dblY = (-eye_pos.z / (mousePosn.z - eye_pos.z)) * (mousePosn.y - eye_pos.y) + eye_pos.y;
    
    return new Point2d (dblX, dblY);
  }

    this.branchgroup.setCapability(BranchGroup.ALLOW_DETACH);
    this.branchgroup.setCapability(BranchGroup.ALLOW_CHILDREN_WRITE);
    this.branchgroup.setCapability(BranchGroup.ALLOW_CHILDREN_EXTEND);

Exception in thread "AWT-EventQueue-0" javax.media.j3d.CapabilityNotSetException: Group: no capability to append children
	at javax.media.j3d.Group.addChild(Group.java:287)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame.drawSphere(Java3dInteractionFrame.java:252)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame.access$2(Java3dInteractionFrame.java:215)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame$1.mouseReleased(Java3dInteractionFrame.java:191)
	...

Exception in thread "AWT-EventQueue-0" javax.media.j3d.CapabilityNotSetException: Group: no capability to remove children
	at javax.media.j3d.Group.removeChild(Group.java:373)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame$1.mousePressed(Java3dInteractionFrame.java:161)
	...

  private void drawSphere (double dX, double dY, double dWidth)
  {
    //Erscheinungsbild des Kreises: gelb.
    Appearance appearanceSphere = new Appearance();
    ColoringAttributes coloringAttributes = new ColoringAttributes();
    coloringAttributes.setColor(new Color3f(Color.yellow));
    appearanceSphere.setColoringAttributes(coloringAttributes);
    
    
    //Die errechnete Breite durch 2 teilen, da wir den Radius angeben müssen.
    float radius = (float) (dWidth / 2.0);
    //Insgesamt soll der Rand aus 100 Segmenten bestehen (je mehr, desto runder sieht sie aus).
    //Der Parameter "primitiveFlags" scheint per Default auf "GenerateNormals" (=1) zu stehen,
    //also übergebe ich das hier.
    Sphere sphereNew = new Sphere (radius, Primitive.GENERATE_NORMALS, 100, appearanceSphere);
    
    Transform3D transformSphere = new Transform3D();
    //x/y verschieben:
    //Bei x-Verschiebung den Radius aufrechnen! Beim y nicht. Z-Koordinate ist natürlich 0.
    transformSphere.setTranslation(new Vector3d (dX + radius,dY,0));
    
    //neue Transformgruppe
    TransformGroup transformGroupSphere = new TransformGroup(transformSphere);
   
    //colorcube an Transformgruppe hängen
    transformGroupSphere.addChild(sphereNew);
    
    //JEDE Sphere muss in eine eigene BranchGroup, damit man löschen kann!
    BranchGroup branchGroupSphereAktuell = new BranchGroup();
    //Hier muss "DETACH" erlaubt sein:
    branchGroupSphereAktuell.setCapability(BranchGroup.ALLOW_DETACH);
    
    branchGroupSphereAktuell.addChild(transformGroupSphere);
    
    //Und diese komme in Gesamt-Branchgroup:
    this.branchgroup.addChild(branchGroupSphereAktuell);
  }

Exception in thread "AWT-EventQueue-0" javax.media.j3d.RestrictedAccessException: Group: only a BranchGroup node may be added
	at javax.media.j3d.Group.addChild(Group.java:284)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame.drawSphere(Java3dInteractionFrame.java:251)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame.access$2(Java3dInteractionFrame.java:212)
	at de.fhw.swprojekt.knauf.java3d.Java3dInteractionFrame$1.mouseReleased(Java3dInteractionFrame.java:188)
	...

import javax.media.j3d.BranchGroup;
import javax.media.j3d.Node;
import javax.media.j3d.PickBounds;
import javax.media.j3d.SceneGraphPath;
import javax.media.j3d.TransformGroup;

import javax.vecmath.Point3d;

      ...
      @Override
      public void mousePressed(MouseEvent e)
      {
        Point2d pointMaus = convertMousePositionToWorld(e.getX(), e.getY());
        this.dblStartX = pointMaus.x;
        this.dblStartY = pointMaus.y;
        
        if (e.getButton() == MouseEvent.BUTTON3)
        {
          Point3d pickPoint = new Point3d (this.dblStartX, this.dblStartY, 0.0);
          PickBounds pickBounds = new PickBounds ( new BoundingBox (pickPoint, pickPoint));
          SceneGraphPath[] pickedItems = branchgroup.pickAll(pickBounds);
          if (pickedItems != null)
          {
            for (int intIndexSceneGraph = 0; intIndexSceneGraph < pickedItems.length; intIndexSceneGraph++)
            {
              for (int intIndexNode = 0; intIndexNode < pickedItems[intIndexSceneGraph].nodeCount(); intIndexNode++)
              {
                //Jeder der Nodes sollte eine Sphere sein:
                Node nodeAktuell = pickedItems[intIndexSceneGraph].getNode(intIndexNode);
                
                //Parent des Knotens ist die TransformGroup:
                TransformGroup transformGroupRemove = (TransformGroup) nodeAktuell.getParent();
                //Deren Parent ist wiederum eine BranchGroup (das weiß ich, weil der Code im "drawSphere"
                //dies so erzeugt:
                BranchGroup branchGroupRemove = (BranchGroup) transformGroupRemove.getParent();
                
                //Und diese BranchGroup können wir aus der Toplevel-Branchgroup des Universums kicken:
                branchgroup.removeChild (branchGroupRemove);
              }
            }
          }
        } //Ende if (rechte Maustaste)
      }