UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY. Progresívne meše v Unity Roman Vrecník

Transcription

1 UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY Progresívne meše v Unity 2016 Roman Vrecník

2 UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY Progresívne meše v Unity Bakalárska práca Študijný program: Študijný odbor: Aplikovaná informatika aplikovaná informatika Školiace pracovisko: Katedra aplikovanej informatiky Školiteľ: RNDr. Martin Samuelčík, PhD. Bratislava 2016 Roman Vrecník

3

4 Čestné vyhlásenie Čestne prehlasujem, že som túto bakalársku prácu vypracoval samostatne s použitím uvedených zdrojov. V Bratislave...

5 Poďakovanie Dakujem vedúcemu bakalárskej práce, RNDr. Martin Samuelčík, PhD. za odborné vedenie, cenné rady a pripomienky pri spracovaní mojej bakalárskej práce.

6 Abstrakt Progresívne meše patria do dynamických Level of Detail techník, ktorá najmä slúži pre dynamickú zmenu zložistosti 3D modela. Táto LOD technika bola predstavená Hughom Hoppom v roku 1996, ktorá sa následne stala rozšírenov v oblasti zjednodušovania modelov. Cielom práce je aplikovanie tejto metódy a vytvorenie aplikácie v rozšírenom hernom engine Unity3D. Práca sa deli na dve časti, nástroj do editora enginu alebo plugin, ktorý bude služiť pre vývojara v Unity3D a prezentačnú časť, ktorá bude ukazovať ako zmena zložitosti prebieha na zobrazenom modeli. Technika bola implementovaná v jazyku C#, ktorá je jedným z dvoch podporovaným jazykom Unity3D. Klúčové slová: Unity3D, progresívne meše, počítačová grafika, LOD Abstract Progressive Meshes belongs to Dynamic Level of Detail techniques, which mainly serves to dynamic changes complexity of 3D model. This LOD technique was introduced by Hugh Hoppe in 1996, which subsequently became widespread in the simplification models. The aim of this work is implementation of this method and create an application in widely spread game engine Unity3D. The work is divided into two parts, Editor Window tool or plugin which will serve to developers in Unity3D and presentations application that will show how complexity change performed on the model view. The technique has been implemented in C #, which is one of two supported languages Unity3D. Key words: Unity3D, progressive meshes, computer graphics, LOD

7 Obsah 1. Úvod Východiská práce Cieľ Level of Detail metódy Statické LOD Dynamické LOD Progresívne meše Edge collapse Analýza existujúcich riešení MeshLab Polygon Cruncher Blender Atangeo Balancer Použité technológie Unity3D C# Javascript PHP Návrh aplikácie Východiská projektu Grafický návrh Prezentačná časť Grafický návrh Nástrojové okno Návrh dátovej štruktúry... 15

8 3.3.1 Návrh klient-server štruktúry Popis funkcionality Návrh spracovania vstupných údajov modela Návrh decimačného algoritmu Implementácia aplikácie Používateľský nástroj v editore Unity3D LOD metóda edge-collapse Zobrazovanie modela na scénu Implementácia prezentačnej časti Klientská časť Načítanie modela zo servera Spracovanie modela a príprava na ukladanie na server Serverová časť Výsledky Edge collapse Načítavanie modelov s rôznym počtom vrcholov a zložitosťou Záver Literatúra Prílohy... 39

9 1. Úvod 3D modely sú v dnešnej dobe neoddeliteľnou časťou počítačovej grafiky. Využívajú sa v počítačových hrách, animovaných filmoch, v architektúre alebo grafických prezentáciách. Vkladáme sa do scén, ktoré potom komponentmi ako sú kamery snímame a následne zobrazujeme na obrazovkách našich počítačov. Pri väčšom počte modelov na scéne, je možné, že plynulosť zobrazenia scény sa môže znížiť. Príčina môže byť vo vysokom počte trojuholníkov niektorých modelov. Tento problém je možné vyriešiť aplikovaním Level of Detail techník, ktoré znížia počet trojuholníkov a teda umožnia scéne plynulejší chod. Týmito metódami sa zaoberá aj táto bakalárska práca, a to konkrétne technikou Progresívne meše[1]. Zjednodušovanie modelov, resp. znižovanie zložitosti modelov, je v počitačovej grafike bežnou záležitosťou. Optimalizácia je ten dôvod, kvôli ktorému je táto téma dôležitou časťou pre vývojárov a dizajnérov grafických scén. Dynamická LOD technika Progresívne meše[1], prvýkrát prezentovaná Hughom Hoppom v roku 1996, ponúka plynulú zmenu používateľom zadanou zložitosťou modelu. Hugues Hoppe je manažérom výskumu počítačovej grafiky v spoločnosti Microsoft, ktorý sa podieľal na mnohých výskumoch, ktoré posunuli vývoj počitačovej grafiky. Techniku Progresívne meše[1] budeme aplikovať do prostredia, dnes veľmi populárneho enginu Unity3D, ktorý ku dnešnému dňu ponúka široké možnosti pre vývojárov počitačových, konzolových a mobilných hier. Tiež umožňuje vytvárať prezentácie alebo animované filmy. Popularitu si získal najmä kvôli licenciám, ktoré ponúka. Engine obsahuje širokú škálu funkcionalít, ale s funkcionalitami v oblasti zjednodušovania modelov zaostáva. 1

10 2. Východiská práce 2.1 Cieľ Cieľom tejto bakalárskej práce je rozšíriť funkcionalitu herného enginu Unity 3D o LOD metódu zvanú ako Progresívne meše, ktorá umožní užívatelovi dynamicky upravovať zložitosť modelu na scéne. Moja práca bude obsahovať aj prezentačnú časť, ktorá bude vytvorená ako webová aplikácia. Bude prezentovať funkcionalitu algoritmov a aplikačnú časť alebo nástroj, ktorý bude priamo implementovaný ako modul v Unity 3D. 2.2 Level of Detail metódy Level of Detail[3] alebo LOD metódy v počítačovej grafike zahŕňajú úpravu zložitosti 3D modelu, teda znižovanie počtu trojuholníkov modelu. Pri vyššej hardvérovej náročnosti scény, kedy grafické spracovanie nezvláda scénu zobrazovania bez oneskorenia, sa LOD metódy využívajú na optimalizovanie scény aplikovaním jedného z algoritmov na objekty v scéne. Úpravou ich zložitosti sa zmenší hardvérová náročnosť a teda sa zníži zátaž grafického spracovania.existujú dva prístupy práce LOD modelov v scéne, a to využitím statických alebo dynamických LOD metód Statické LOD Statické alebo diskrétne LOD metódy je tradicný prístup, ktorý vytvárajú viacero variant LOD pre konkrétny model na scéne, ktoré sa vytvárajú ešte pred renderovaním. Pre vytvorenie týchto variant vačšinou je potrebný externý netriviálny algoritmus redukcie polygónov v modeli a teda pri vykonávani LOD je predpoklad, že tieto varianty už existujú. Originálnu schému navrhol James H. Clark v roku 1976 a od toho dňa bez modifikácií používaná vo vačšine 3D aplikáciach. Výhodou statickej LOD je, že generovanie LOD variant sa vykonáva ešte pred renderovaním a za behu sa varianty len prepínajú. Týmto spôsobom sa značne znižuje výpočetná náročnosť. Nevýhodou je obmedzený počet variant modelov, preto je niekedy nutné použiť variantu s väčšou zložitosťou miesto menšej, ktorá by bola vhodnešia pre danú situáciu. Medzi ďalšie nevýhody sa zaraďuje vyššie využitie pamäte a preblikávania pri načítaní variánt modela. 2

11 Táto metóda sa často používa hlavne v aplikáciach, ktoré si dávajú záležať na svojej výkonnosti, kde sa používajú malé množiny dát, ktoré sa ľahko zmestia do pamäti. V nižšie zobrazenom obrázku (Obr. 2.1), vidíme ukážku aplikovania LOD metód na mesh. V každom náhlade je vidno, ako sa hrany modela odstraňujú, teda model sa zjednodušuje. Obr. 2.1: Ukážka aplikovania LOD na model[4] Dynamické LOD Existuje značný rozdiel medzi dynamickými LOD, nazývané aj ako spojité LOD, a statickými. Dynamické LOD sa na miesto vytvárania variant modelu v rôznych zložitostiach pred spustenim programu, sa tieto výpočty vykonávajú priamo za behu programu.v inicializačnej fáze je vypočítaná reprezentácia objektu a následne uložená do vytvorenej dátovej štruktúry. Potom podľa danej štruktúry sa vytvorí model, ktorý bude mať najvhodnejšiu zložitosť pre danú scénu. čo by sme mohli označiť ako výhodu tejto metódy. Dynamické LOD tiež podporujú prenos 3D modelov, ktorý postupne posiela segmenty 3D modela, ktoré sa dynamicky načítavajú do modela so základnou zložitostou. Nevýhodou tejto metódy je vysoká náročnosť pre výpočet varianty modela, nakoľko výpočty sa vykonávajú za behu programu.typickým príkladom pre dynamické LOD su Progresívne meše. 2.3 Progresívne meše Progresívne meše[1] sú jedna z techník dynamických LOD. Táto technika bola predstavená výskumným manažerom v spoločnosti Microsoft, Hughom Hoppeom v roku Táto technika využíva uloženie meshu do dátovej štruktúry, ktorá umožnuje plynulú voľbu modelu, ktorá bude najvhodnejšia pre danú scénu. 3

12 Základný princíp tejto techniky spočíva vo vytvorení dátovej štruktúry, a to vložením modela v najlepšej kvalite resp. zložitosti, a pomocou decimačného algoritmu sa zjednoduší na minimálny počet polygónov. Toto je operácia nazývaná aj ako edgecollapse. Výsledný model v stopercentnej zložítosti je reprezentovaný modelom s najnižšou zložitosťou a následne postupnosťou inverzných operácií, nazývaných aj ako vertex split. Na ukážke (Obr. 2.2) vidíme príklad spracovania hrany pomocou metódy edge collapse[3] a vertex split[3]. Obr. 2.2:Ukážka edge collapse a vertex split Edge collapse Edge collapse[3] alebo ecol je operácia, ktorá vezme hranu a jej vrcholy a nahradí ju jedným vrcholom. Trojuholníky, ktoré boli spojené hranou, ktorá bola vymazaná, sú tiež vymazané behom tejto operácie. Hugues Hoppe ako prvý navrhol použitei tejto operácie pre zjednodušenie modelov. Edge-collapse je široko využívaný v procesoch zjednodušovania modela, hlavne pri zjednodušovaní v závislosti od pohľadu kamery. Existujú dve varianty tejto operácie, a to half-edge collapse a full-edge collapse. Half-edge collapse spočíva v tom, že vrchol, ktorý je jeden z koncových bodov, teda pracuje sa už s existujúcimi vrcholi, pričom fulledge collapse vykonáva nové výpočty a zjednodušovaní môže vzniknúť nový vrchol. Inverzná operácia pre tento proces sa nazýva Vertex split[3], Ktorá pridáva hrany, namiesto toho aby ich zjednodušovala, resp. odoberala. 4

13 2.4 Analýza existujúcich riešení V tejto časti bakalárskej práce budú analyzované aplikácie, ktoré riešili rovnakú problematiku, ktorou sa zaoberá bakalárska práca Progresívne meše. Účelom tejto časti je poučiť sa a inšpirovať sa nápadmi a vyhýbať sa známym problémom, ktoré pri riešení týchto aplikáci vznikali a podobne MeshLab MeshLab[5] je free open-source, multiplatform, pokročilý grafický software pre spracovanie 3D modelov. Rozšírený je hlavne kvôli jeho rozšírenej funkcionalite a spôsobom spracovania dát. Software vznikol študentmi Univerzity v Pise ako projekt školského zadania Univerzity v Pise koncom 2005 roku. Zámerom tohto softwaru bolo spracovať väčšie neštruktúrované 3D modely, ktoré vznikajú v 3D skenovacej pipeline. Používateľ má na výber veľké množstvo možností spracovania neštruktúrovaného 3D modela. MeshLab poskytuje sadu nástrojov pre editáciu, čistenie, opravu alebo optimalizáciu modelu (Obr. 2.3). Tiež umožňuje importovať a exportovať všetky známe formáty pre reprezentáciu 3D dát.výhodou tohto softwaru je jeho už rokmi rozširujúca sa sada funkcií, ktorá poskytuje používateľovi široké možnosti editácie 3D modela a taktiež rozšírenie v daľších platformách. Obr. 2.3: Ukážka programu MeshLab[5] 5

14 2.4.2 Polygon Cruncher Polygon Cruncher[6] je software pre generovanie optimalizovaných 3D modelov, na základe redukcií polygónov v modeli a iných optimalizačných techník.aplikácia bola vytvorená v roku 1999 spoločnosťou Kalisto Entertainment a až do týchto dní sa vyvíjajú a aktualizujú jeho funkcie alebo rozšírenia. Základom pre jeho optimalizačné funkcie bol algoritmus navrhnutý Michaelom Garlandom. Výhodou tejto aplikácie je, že dokáže uschovať väčšinu detailov aj pri vysokých optimalizačných pomeroch. Informácie o textprach, farbách vrcholov a normalových hodnotách sa tiež berie do úvahy pri optimalizácií. Taktiež jedna z výhod je generovanie dynamického meshu, čo umožňuje zvoliť si najvhodnejšiu zložitosť pre scénu. Ukážka (Obr. 2.4), ktorá je zobrazená nižšie, ukazuje možnosti úpravy zobrazeného modela. Polygon Cruncher sa nezastavuje pri klasickej aplikácií ale je rozšírený aj ako C++ API, plugin pre 3ds Max alebo Auto desk Maya. Obr. 2.4: Ukážka programu Polygon Cruncher[6] 6

15 2.4.3 Blender Blender[7], rozšírený grafický software pre spracovanie 3D modelov.software je dostupný zadarmo ako open-source 3D molovací program. Využitie tohto programu je široké, používa sa pre tvorbu animovaných filmov, vizuálne efekty, umenie alebo interaktívne 3D aplikácie. Software bol vytvorený v Holandsku v januári roku 1995 ako interná aplikácia pre spoločnosť Neo Geo. V roku 2002 vznikol crowfundingový projekt, ktorý bol zameraný na voľné rozšírenie zdrojového kódu, teda spraviť z aplikacie Blender open-source program, dostupný pre všetkých, ktorý sa chcú podielať vo vývoji tohto programu. Blender disponuje širokou škálov funkcií, ktoré umožnujú používateľovi vytvárať a upravovať 3D modely (Obr. 2.5). Tiež obsahuje funkcie na optimalizáciu meshu, ale nie na takej úrovni, ako vyššie spomenuté aplikácie. Obr. 2.5: Ukážka programu - Blender[7] Atangeo Balancer Atangeo Balancer[8] je software zameraný hlavne pre optimalizáciu 3D modelov, ktorý sa pýši vysokou kvalitou a presnosťou optimalizácie. Aplikácia je vytvorená spoločnosťou Atangeo, ktorá sa skladá z menšej skupiny skusených ľudí z oboru počítačovej grafiky. Výhodou aplikácie je rýchlosť a presnosť algoritmov pri optimalizovaní modela. Optimalizovaný model si uchováva vačšinu svojich detailov, teda s presnosťou uchováva svoj vzhľad, svoje vlastnosti, textúry, normály, materiál a podobne 7

16 . Obr. 2.6: Ukážka programu - Atangeo Balancer[8] 2.4 Použité technológie V tejto kategorií opíšeme technológie ktoré sme využívali pri tvorení bakalárskej práce. Použil som také technológie s ktorými sme sa počas prvých troch rokoch štúdia. Tieto technológie a nástroje sú voľne dostupné pre všetkých Unity3D Unity3D[9] je multiplatformový herný engine, ktorý vznikol hlavne na vývoj hier pre počítače, herné konzoly, mobilné zariadenia a webové stránky. Herný engine vznikol v roku 2005 spoločnostou Unity Technologies s ideou vytvorenia enginu, ktorý by mohol použiť každý za prijateľnú cenu. Engine k dnešnému dňu disponuje širokou škálov funkciií, ktoré používateľovi umožňujú manipulovanie s objektami, vytváranie animácií, vytvorenie terénu a daľšie. Taktiež umožňuje používateľom písanie vlastných skriptov pomocou skriptovacej API, ktorou sa už také veľké množstvo funkcionalít len rozširuje. 8

17 Na obrázku (Obr. 2.7) môžeme vidieť používateľské rozhranie. Používateľské rozhranie sa skladá z niekoľkých segmentov, ktorých viditeľnosť, veľkosť a podobné vlastnosti sú ľubovoľne editovatelné. Prostredie umožňuje zobraziť zoznam všetkých objektov na scéne, ich parametre a vlastnosti, prehliadač dokumentov alebo grafické zobrazenie scény. Obr. 2.7: Ukážka programu - Unity3D[9] Na písanie skriptov engine používa dva programovacie jazyky, a to C#[10] a Javascript[13]. Na implementáciu kódu sme sa rozhodli použiť C#[10]. Vybrali sme ho z preferenčného hľadiska.editor, ktorý sme použili na písanie skrípt, je Microsoft Visual Studio 2013[14]. Dôvodom bola podpora zo strany Unity3D[9]. Engine ponúka nástroje, ktoré sa chovajú ako rozšírenie pre Editor. Vďaka tomu umožňuje prechádzať skripty a tiež ponúka výhody samotného editoru (Obr. 2.8). 9

18 Obr. 2.8: Ukážka programu - Microsoft Visual Studio[14] C# C#[10] je objektovo orientovaný programovací jazyk, ktorý v roku 2000 vytvorila spoločnosť Microsoft. Programovací jazyk bol navrhnutý s úmyslom využiť výhody dvoch už existujúcich programovacích jazykov C++ a Java. Programovací jazyk sa stal rýchlo populárny a to z dôvodu jeho schopnosti písania čistého kódu a vytvárania robustných a bezpečných aplikácií, ktoré operujú pod.net[15] frameworkom. Využitie je široké, je možné vytvoriť konzolovú aplikáciu alebo aplikáciu s grafickým rozhraním, databázovú aplikáciu alebo skrípt pre Unity3D[9] Javascript Javascript[13] je dynamický skriptovací jazyk, ktorý sa bežne využíva v prostrediach na strane klienta vo webových prehliadačoch. Je možné ho využiť bez žiadnych špeciálnych knižníc alebo frameworkov. Vytvorený bol Brendaon Eichom v roku Syntax tohto skriptovacieho jazyka je odvodená od programovacieho jazyka C++. Čo sa týka typovosti, javascript nie je typovo založený, teda do jednej premennej možno uložiť rôzne typy dát. Javascript sa tiež používa aj mimo webovo založených prostrediach, ako napríklad PDF alebo miniaplikácie určené pre pracovnú plochu operačného systém. 10

19 2.4.4 PHP PHP[11] čo v skratke znamená PHP: Hypertext Predprocessor je skriptovací jazyk, ktorý sa hlavne využíva na programovanie klient-server aplikácií na strane servera. Je široko využívaný ako jazyk pre všeobecné využitie, ale hlavne je zameraný na vývoj webových aplikácií. Jazyk bol vytvorený Rasmusom Lerdorfom v roku K dnešnému dnu existujú sedem verzií programovacieho jazyka, ktorý počas 21 rokov vývoja prešiel mnohými zmenami. Dnes o vývoj PHP sa stará spoločnosť Zend Technologies, ktorá sa zaoberá riešeniami pre webové aplikácie. Syntax jazyka bola odvodená a inšpirovaná jazykom C, ale mnohé príkazy ako cykly a podmienky boli inšpirované programovacím jazykom C++. PHP nemá typové premenné, tak ako pri jazyku javascript[13], je možné priradiť premennej hodnotu rôzneho typu. PHP budeme využívať hlavne pri implementácii serverovej časti aplikácie, kde aplikácia bude ukladať 3D modely na server. 11

20 3. Návrh aplikácie V tejto kapitole by sme radi popísali návrh aplikácie, čo zahŕňa návrh grafického rozhrania, dátových štruktúr a podrobnej funkcionality. 3.1 Východiská projektu Projekt je rozdelený na dve časti, Prezentačnú a Nástrojové okno, kde prezentačná časť bude vytvorená ako real-time webová aplikácia. Rozhranie prezentačnej časti bude vytvorené pomocou enginu Unity3D[9] Aplikačná časť alebo nástrojové okno bude vytvorené ako modul do samotného enginu, za pomoci Editor Window knižníc, ktoré Unity3D[9] disponuje. Prezentačná časť sa bude nachádzať na webovom serveri, takže hardvérové nároky budú minimálne. Software nároky oproti hardvérovým nárokom narastajú, a to z dôvodu, že UnityWeb player natívne nepodporujú všetky webové prehliadače. Unity3D Web Player, ktorý spadá do NPAPI pluginov natívne podporuje iba Mozzila Firefox. Pre ostatné prehliadače treba nainštalovať software alebo v prípade prehliadača Chrome, plugin tretej strany. Pri Aplikačnej časti budú nároky značne menšie, nakoľko jediné obmedzenia budú nároky samotného Unity3D[9]. 3.2 Grafický návrh Prezentačná časť Aplikácia je určená pre prezentáciu implementácie dynamickej LOD techniky Progresívne meše[1] do prostredia Unity3D[9], preto grafické rozhranie bude jednoduchý, s prvkami načítania a ovládania modelu. Grafické rozhranie bude pozostávať z dropdown listu, v ktorom budú dynamicky načítané názvy modelov uložených na serveri, tlačidla načítať, vstupného pola, do ktorého bude požívateľ vkladať inicializačnú hodnotu zložitosti načítaného modelu, tlačidla resetovania prostredia a sliderom, ktorý umožní meniť zložitosť načítaného modelu. 12

21 Obr. 3.1: Ukážka grafického rozhrania - Prezentačná časť Na obrázku(obr. 3.1) môžeme vidieť načítaný mesh.v tomto prípade sa jedná o kocku, ktorá sa nachádza na vzdialenom serveri. V ľavom rohu sú komponenty GUI (Obr. 3.2: Komponenty), ktoré sme vyššie popísal a na spodnom okraji okna slider na dynamickú zmenu zložitosti modela. Obr. 3.2: Komponenty Grafický návrh Nástrojové okno Nástrojové okno, teda časť zameraná hlavne pre vývojárov v engine Unity3D[9], má o niečo väčšie množstvo GUI komponentov ako prezentačné, nakoľko je bohatšia aj funkciami alebo vlastnosťami. GUI obsahuje tlačidlo na načítanie modela vo formáte Wavefront OBJ[16], list uložených modelov s tlačidlami načítať a vymazať, sliderom na zmenu zložitosti, tlačidlo s funkciou uložiť model v natívnej forme Unity3D[9] a náhľadom načítaného modelu. 13

22 Obr. 3.3: Ukážka GUI - Nástrojové okno, nečinný stav Na obrázku(obr. 3.3) môžeme vidieť aplikáciu v nečinnom stave, kde nie sú načítané ešte žiadne modely ukazujúce všetky komponenty, ktoré sú dostupné v nečinnom stave. V tomto stave bude dostupné iba tlačidlo určené pre nahratie nového modela. Pri kliknutí na tlačidlo sa zobrazí dialóg, v ktorom používateľ bude môcť vybrať model vo formáte Wavefont OBJ[16]. Obr. 3.4: Ukážka GUI - Nástrojové okno, načítaný model Na ďalšom obrázku (Obr. 3.4) už môžeme vidieť dostupné komponenty pri načítaní zoznamu a modelu do náhľadu. Sprístupnili sa komponenty ako posuvník pre zmenu zložitosti modela, tlačidlo na stiahnutie alebo správu načítaných modelov, teda aktiváciu 14

23 modela a jeho vymazanie. Pre vytvorenie posuvníka bude použitá funkcia IntSlider, ktorý vygeneruje posuvník do okna, Funkcia vygeneruje aj pole pre zadanie číselnej hodnoty, v ktorej budeme môcť sledovať a zadávať zložitosť modelu. 3.3 Návrh dátovej štruktúry Pre efektívne spracovanie 3D modelu pomocou dynamickej LOD techniky progresívne meše, treba správne navrhnúť dátovú štruktúru, do ktorej sa budú ukladať všetky informácie potrebné pre optimalizáciu, teda zmenu zložitosti modela. Pri návrhu sme vychádzali z publikácie Hughues Hoppe - Efficient Implementation of Progressive Meshes[2], v ktorej popisuje princíp implementácie, ale aj návrhu dátovej štruktúry. Bolo potrebné aj dôkladné preštudovanie enginu Unity3D[9], v ktorom sa aplikácia vytvára, aby sme pri návrhu nevytvárali triedy alebo reprezentácie, ktorými už engine disponuje. Dátová štruktúra, ktorú môžeme nazvať progressivemesh, pozostáva zo zoznamu reprezentácie vrcholov modela, nazvanou ako Vertex, kde súradnice sa ukladajú do štruktúry Vector3, ktorá je primárne určená pre takúto reprezentáciu, nakoľko už disponuje mnohými pomocnými vypočetnými funkciami, ako napríklad pre výpočet normálov alebo výpočet dĺžky vektora. Trieda 3.1: Vertex, reprezentujúca vrchol modela V reprezentácií vrcholov (Trieda 3.1) sa tiež nachádza jeho identifikátor alebo ID, ktoré bude unikátne a bude slúžiť pre jeho identifikáciu oproti iným vrcholom, čo sa neskôr využije na identifikáciu konkrétnych trojuholníkov a teda aj skonštruovanie modela. Štruktúra bude obsahovať aj susedné vrcholy daného vrchola, ktoré budú len referencie na už existujúce vrcholy v reprezentácií. Dôležitý údaj, ktorý bude táto štruktúra bude obsahovať bude referencia susedného vrcholu pre collapse alebo spojenie dvoch vrcholov v jeden, čo je kľúčový údaj pre znižovanie zložitosti modelu, a finálny údaj je 15

24 vzdialenosť vrcholu od vybraného vrcholu pre collapse, od ktorého sa potom vyvíja výpočet najvhodnejšieho vrcholu pre tento krok optimalizácie. Trieda 3.2: Triangle, reprezentujúca trojuholník v modeli V dátovej štruktúre progressivemesh sa dalej nachádza zoznam reprezentácie trojuholníkov (Trieda 3.2) v spracovanom modeli. Vrcholy sa ukladajú do pola ako už vyššie spomínaná trieda Vertex (Trieda 3.1), ktorá obsahuje jeho údaje. Ďalej táto dátová štruktúra obsahuje normálu trojuholníka. Ďalšia trieda a zároveň posledná ktorá obsahuje našu hlavnú dátovú štruktúru progressivemesh (Trieda 3.3) je počet vrcholov modela, ktorý napomáha k prepočtu zložitostí na percentá. Trieda 3.3: progessivemesh, obsahujúca polia objektov tried Vertex a Triangle a celkový počet vrcholov v modely Návrh klient-server štruktúry Pri návrhu dátovej štruktúry pre prenos údajov zo servera ku klientovi sme sa inšpirovali dátovou štruktúrou Wavefront OBJ[16] a Unity3D[9] dátovou štruktúrou pre 3D model. Cieľom pre túto dátovú štruktúru bolo vytvoriť štruktúru, ktorú budeme môcť efektívnejšie spracovávať a aby veľkosť súboru, do ktorého bude uložená bol nižší, teda prenos údajov zo servera bol rýchlejší. Do dátovej štruktúry budeme ukladať len údaje o vrcholoch a stien modela. Pre túto prácu sú tieto údaje dostačujúce, algoritmy, ktoré budeme implementovať budú pracovať len s týmito informáciami. Do súboru budem ukladať údaje typu string, kde ako prvý segment údajov budú informácie o vrcholoch a druhý bude obsahovať informácie o stenách modelu. Tieto informácie budeme oddeľovať symbolom bodkočiarka. Týmto spôsobom budeme môcť ľahko identifikovať tieto dva 16

25 segmenty ako dve rôzne polia typu string, pomocou natívnej C#[10] funkcie Split(). Pri reprezentácií vrcholov v tejto dátovej štruktúre musíme uchovať koncepciu troch súradníc. Došli sme k návrhu, kde v segmente informácií vrcholov bude každý vrchol oddelený symbolom dvojbodka a každá súradnica bude oddelená čiarkou. Takto dokážeme jednoducho spracovávať vrcholy a ich súradnice. Každý ten pod-segment informácií dokážeme získať do polí, ktoré budú následne jednoducho spracovávané a ukladané do dátových štruktúr, pre ďalšie spracovávanie. U segmentu stien modela sa nenachádzajú žiadne komplexnejšie informácie. Informácie pozostávajú len z číselnej hodnoty indexu vrcholu, ktorý sa nachádza v prvom segmente, preto tieto informácie budú uložené za sebou, ale v takom poradí, aby sa dokázali identifikovať trojuholníky modela. Údaje sú oddelené symbolom čiarka. Návrh dátovej štruktúry bude vyzerať takto: 1,-1,-1:1,-1,1:-1,-1,1:-1,-1,-1:1,1, : ,1, :-1,1,1:-1,1,- 1;0,1,2,0,2,3,4,7,6,4,6,5,0,4,5,0,5,1,1,5,6,1,6,2,2,6,7,2,7,3,4,0,3,4,3,7 3.4 Popis funkcionality V tejto kapitole popíšeme ako sme postupovali pri návrh funkcií a algoritmov pre aplikáciu. Pri návrhu ako bude aplikácia fungovať bolo dôležité si dôkladne preštudovať zdroje, ktoré sme použili pre túto prácu. Jedná sa o dôležité matematické operácie, ktoré umožnia aplikácie aplikovať LOD techniku progresívne meše ktoré sme popísali v kategórii 2.3 Progresívne meše Návrh spracovania vstupných údajov modela Pri návrhu spracovávania vstupných súborov formátu Wavefront OBJ[16] sme postupovali podľa existujúcich riešení. Týchto riešení je veľa, čiže nevznikol žiadny problem v tejto časti návrhu. Riešenie bolo potrebné upraviť do tvaru, aby Unity3D[9] dokázalo spracovať údaje a ukladať ich do svojich typových premenných. Pri návrhu do časti nástrojového okna, sme navrhli triedu (Trieda 3.4), ktorá sa bude o túto operáciu starať. 17

26 Trieda 3.4 processmesh, ktorá spracováva vstupný objekt typu Wavefront OBJ[16] Pri návrhu tejto triedy (Trieda 3.4), sme aplikovali ukladanie všetkých informácii, ktoré dátová štruktúra ponúka. Aj napriek skutočnosti, že v implementácií budeme využívať len dva z týchto údajov, vrcholi a steny modela, ukladáme aj súradnice textúry a normály modela. Pri prezentačnej časti sme túto funkcionalitu spojili s funkciou odosielania požiadavky na server resp. ukladanie modela na server. Trieda () sa líši iba dodatočnými funkciami pre odosielania na server. Pri návrhu tejto metódy sme využili dostupné knižnice skriptovacej API Unity3D[9], ktorá ponúka už riešenia ako odoslať POST požiadavku na server. Trieda ktorá sa stará o zasielanie požiadaviek sa nazýva WWW. Tiež skriptovacia API ponúka pomocné triedy napr. WWWForm, ktoré vytvoria formulár podobný formuláru HTTP, kde používateľ môže zadefinovať názvy poli a ich hodnotu. Funkcie na odoslanie požiadaviek sme navrhli dve,. Jedna bude slúžiť na odoslanie požiadavke pre uloženie údajov modela v navrhnutej dátovej štruktúry pre klient-server komunikáciu. A druhá bude slúžiť na aktualizáciu listu uložených modelov na servery. V obidvoch častiach aplikácie sme si do triedy processmesh (Trieda 3.4), sme navrhli dve pomocné triedy, ktoré nám budú pomáhať so spracovaním vstupných údajov modela. Pri spracovávaní je dátová štruktúra čítaná ako typ string, preto aby sme mohli údaje ukladať do dátových štruktúr, musíme tieto informácie konvertovať do typu float, pri informáciách o vrcholoch a typu int pri indexoch vrcholov. 18

27 Trieda 3.5 sendpostrequest, ktorá sa stará o spracovanie vsetupného súboru a odoslanie na server Návrh decimačného algoritmu V tejto časti popíšem ako sme postupovali pri návrhu decimačného algoritmu a to algoritmu s názvom edge-collapse (2.3.1 Edge collapse). Decimačný algoritmus ma za úlohu redukovať celkový počet trojuholníkov v modeli s trojuholníkovou štruktúrou a zároveň zachovať originálnu topológiu a aproximáciu k originálnej geometrie. Pri návrhu som vychádzal z z publikácie Hughues Hoppe - Efficient Implementation of Progressive Meshes[2] a knihy Level of Detail for 3D Graphics[3]. Pri študovaní tohto algoritmu, sme došli ku teoretickému riešeniu, že pri prechádzaní všetkých vrcholov trojuholníka sa porovnávajú dva z nich. Jeden z nich bude odstránený a druhý, vytvorí hrany so susednými vrcholmi odstráneného vrcholu, ako je to znázornené na Obr Pre dosiahnutie tohto výsledku sa bude držať týchto troch krokov a to: 1. Odstrániť každý trojuholník, ktorý obsahuje obidva porovnávané vrcholi 2. Aktualizovať zvyšné trojuholníky, ktoré v sebe majú prvý z porovnávaných vrcholov zameniť ho za druhý 3. Vymazať prvý porovnávaný vrchol 19

28 Pre získanie požadovanej zložitosti modela je nutné opakovať tento proces až do vtedy, kým model nedosiahne požadovaného počtu trojuholníkov. Dôležitou častou pre produkovanie modelov z nízkou zložitosťou je výber hrany, ktorá pri operácií edgecollapse spôsobí najmenšie vizuálne zmeny modelu. Pri návrhu som použil prístup hľadania najnižšej straty, kde porovnávam vrchol od jeho susedného vrcholu. Pri návrhu výpočtu, som pristupoval troma možnými spôsobmi. Prvý bol porovnávanie vrcholov hrany na základe ich vzdialenosti, druhý prístup bol porovnávanie na základe skalárneho súčinu a posledný kombináciou prvých dvoch prístupov. Pre túto prácu som vybral tretí prístup. Výsledky spomínaných prístupov ukážem v kategórii Výsledky. Každé opakovanie decimačného algoritmu bude spúšťať túto operáciu. Trieda 3.6 progmesh, ktorá sa stará o zjednodušovanie modelu Na základe týchto informácii sme navrhli triedu s názvom progmesh (Trieda 3.6), ktorá bude mať za úlohu operácie znižovania zložitosti načítaného modelu. Decimačný algoritmus bude za implementovaný do funkcie Collapse a operáciu hľadania hrany, ktorú som opisoval vyššie bude za implementovaná do funkcie ComputeEdgeCollapseCost, táto funkcia bude mať niekoľko pomocných funkcií, ktoré budú slúžiť na prehľadávanie dátovej štruktúry vrcholov a aplikovanie vybraných vrcholov a ich susedných vrcholov pre operáciu ComputeEdgeCollapseCost. 20

29 4. Implementácia aplikácie V predošlých kapitolách, konkrétne vo východiskovej a v návrhu aplikácie sme už spomenuli, že pre vytvorenie aplikácie sme robili v hernom engine Unity3D[9], ktorý nám svojimi funkciami umožnil vytvoriť algoritmy pre LOD metódu progresívne meše. V prvom rade sme podľa návrhu vytvorili užívateľské grafické rozhranie. Následne sme získali voľne dostupné 3D modely, ktorých dátová štruktúra bola vo forme Wavefront OBJ[16] objektu, ktorý budeme následne spracovávať do našej vlastnej dátovej štruktúry. Keď sme mali všetko pripravené, mohli sme začať programovať samotné algoritmy a logiku aplikácie. Na písanie kódu sme použili skriptovací jazyk C#[10] a ako integrované vývojové prostredie sme použili Microsoft Visual Studio 2013[14]. V tejto kapitole vysvetlíme jednotlivé časti kódu, które sú dôležité pre fungovanie samotnej aplikácie. Aplikáciu rozdeľujeme na dve časti: Používateľský nástroj v editore Unity3D Prezentačná časť 4.1 Používateľský nástroj v editore Unity3D Používateľské prostredie sme nemenili oproti pôvodnému návrhu, nakoľko pri rozmýšľaní nad funkcionalitou sme došli k názoru že pôvodný návrh bude dostačujúci pre danú funkcionalitu, ktorú bude nástroj vykonávať. Segment zobrazovania modelu, upravovania jeho zložitosti a tlačidlo na stiahnutie modela, ako asset formát, sa nezobrazuje v nečinnom stave. Zobrazí sa až keď je načítaný model zo zoznamu uložených modelov. Modely sa ukladajú po stlačení tlačidla Load Mesh a následne vybratím modela vo formáte Wavefront OBJ[16], ktorého štruktúra je definovaná ako trojuholníky, nakoľko Unity3D[9] nevie spracovať modely, ktorých štruktúra je definovaná ako štvoruholníky. Po vybratí modela sa započne jeho spracovávanie na náš vlastný dátový model. O tento proces sa postará objektová trieda parsedmesh() (Trieda 3.4), ktorá zároveň umožňuje pracovať s načítaným modelom. Obsahuje funkcie na ukladanie modela v konečnej zložitosti alebo mení status na aktívny, ktorý umožňuje používateľovi následnú manipuláciu s modelom. 21

30 O samotné spracovanie údajov a ich uloženie do nášho dátového modela sa stará funkcia process(), ktorá má na vstupe objekt triedy StreamReader, ktorý obsahuje dáta zo vstupného súboru. Funkcia ukladá všetky údaje o modeli, ako sú jeho vrcholy, indexy vrcholov, ktoré tvoria trojuholníky, normály a ďalšie. Následne sa vytvorí inštancia triedy progmesh(error! Reference source not found.), zavolá sa funkcia buildstructure, ktorá vytvorí štruktúru a ďalej zavolá funkcie, ktoré aplikujú LOD techniky na rozbitie modela so stopercentnou zložitosťou, ktoré sme spracovali na segmenty, ktoré potom aplikácia bude dynamicky načítavať LOD metóda edge-collapse Po spracovaní vstupných informácií o modeli je potrebné samotný model rozdeliť na segmenty. Model bude rozdelený do súborov, po percentách. Súbory budú samostatné modeli, ktoré užívateľ bude môcť stiahnuť. Samotné rozdeľovanie bude zaobstarávať trieda progmesh (Error! Reference source not found.), v ktorej sú aplikované LOD algoritmy. Po načítaní vrcholov a indexov vrcholov sa spustí proces hľadania hrany, prehľadávaním zoznamu všetkých vrcholov a následne jeho susedných vrcholov, ktoré pri hlavnom procese znižovania zložitosti modelu budú kľúčové pre tento úkon. Vybraný vrchol sa vymaže a susedné vrcholy sa spoja a vytvoria tak zjednodušenú štruktúru. Pre hľadanie tohto vrcholu sa porovnávajú vzdialenosti dvoch vrcholov a ich uhol za pomoci skalárneho súčinu. 22

31 float ComputeEdgeCollapseCost(Vertex u, Vertex v) { int i; float edgelength = Vector3.Magnitude(u.position - v.position); float curvature = 0; List<Triangle> sides = new List<Triangle>(); for (i = 0; i < u.neighface.count; i++) { if (u.neighface[i].mavertex(v)) { sides.add(u.neighface[i]); } } for (i = 0; i < u.neighface.count; i++) { float mincurv = 1; for (int j = 0; j < sides.count; j++) { float dotprod = Vector3.Dot(u.neighFace[i].normal, sides[j].normal); mincurv = Mathf.Min(mincurv, (1 - dotprod) / 2.0f); } curvature = Mathf.Max(curvature, mincurv); } } return edgelength * curvature; Kód 4.1: Funkcia CompoteEdgeCollapseCost Po nájdení toho najvhodnejšieho vrcholu sa zavolá metóda Collapse(), ktorá na základe tohto údaju vymaže vybraný vrchol a ostatné spojí do zjednodušenej štruktúry. Princíp tejto metódy sme vysvetlili vo východiskovej časti, kde sme popisovali túto konkrétnu metódu. Po rozložení do segmentov po piatich percentách nasledujú procesy, ktoré budú zobrazovať vybraný model na scénu vo vybranej základnej zložitosti Zobrazovanie modela na scénu Ak už máme pripravený model a jeho segmenty, je potrebné ho zobraziť na scénu s príslušnými komponentmi pre prácu so zobrazeným modelom. Túto úlohu zabezpečuje trieda parsedmesh (Trieda 4.1), ktorá načítava model z vstupného súboru a ukladá ho do objektu Mesh, ktorý sa následné vytvorí ako GameObject a bude môcť sa zobraziť na scéne. 23

32 Trieda 4.1 Trieda parsedmesh Načítavanie súboru má na starosti funkcia parseinputfile, ktorá prečíta súbor a údaje uloží do referencií, ktoré sa posielajú ako vstupný parameter funkcie. Vstupné atribúty sú polia vrcholov a indexov vrcholov, ktoré reprezentujú trojuholníky v modeli. private void parseinputfile(string data) { string tmp = data; string[] param = data.split(';'); string[] verticiesraw = param[0].split(':'); verticies = new Vector3[verticiesRaw.Length]; } for (int i = 0; i < verticiesraw.length; i++) { string[] vals = verticiesraw[i].split(','); verticies[i] = new Vector3(loadMesh.cf(vals[0]), loadmesh.cf(vals[1]), loadmesh.cf(vals[2])); } string[] trianraw = param[1].split(','); triangles = new int[trianraw.length]; for (int i = 0; i < trianraw.length; i++) { triangles[i] = loadmesh.ci(trianraw[i]); } Kód 4.2: Funkcia parseinputfile 24

33 Názov súboru, ktorý sa načítava má názov podľa jeho zložitosti v percentách, pre jasnú identifikáciu zložitosti modela. Mimo tejto funkcie, trieda má na starosti aj ukladanie modela do súboru formátu asset a zmeny statusu Active, ktorý rozhoduje o zobrazení na scéne. V tejto časti nepracujeme priamo v okne editora Unity3D[9], ale v tzv. Editor Window, v ktorom sú obmedzené možnosti zobrazenia modela. Aby sme dosiahli tento cieľ, museli sme vytvoriť novú kameru vnútri Editor Window, nadefinovať jej základné parametre, aby bolo možné práve touto kamerou snímať objekty, ktoré vykreslíme pred jej zorné pole. Po nakonfigurovaní kamery je už len potrebné vykresliť model, vo vybranej zložitosti. 4.2 Implementácia prezentačnej časti V druhej časti aplikácie budeme vytvárať prezentačnú aplikáciu pre zobrazenie používateľovi, ktorý nemusí byť vývojár v Unity3D engine, procesom zmeny zložitosti načítaného modelu. Model sa bude načítavať zo servera, kde bude uložený v nami definovanom dátovom modeli. Oproti ako sme to implementovali v prvej časti, ktorú sme popisovali vyššie, zmena zložitosti bude spočívať načítaním segmentov modelu, ktoré budú zložitosť načítaného modelu zjednodušovať, alebo naopak, budú zložitosť zvyšovať. Nakoľko v tejto časti bude vznikať komunikácia medzi klientom a serverom, túto časť môžeme rozdeliť na dve časti: Klientská časť Serverová časť Klientská časť Pri programovaní klientskej časti sme používateľské grafické rozhranie zmenili iba minimálne oproti pôvodnému návrhu. Odstránili sme vstupné pole pre inicializačnú hodnotu, z dôvodu nepotrebnej funkcionality, ktorou pole disponovalo. Pribudli dve tlačidlá, z ktorých jedno bude slúžiť na resetovanie scény a druhé na načítanie resp. upload modela používateľom na server, kde sa model spracuje do nášho dátového modela, rozdelí sa na segmenty a následne sa uloží do filesystému servera. 25

34 Obr. 4.1: Grafické rozhranie Na obrázku (Obr. 4.1) vidíme používateľské grafické rozhranie, ktoré obsahuje tlačidlá, ktoré sú oproti pôvodnému návrhu navyše. Na vrchu sa nachádza drop down zoznam, ktorý obsahuje všetky modely nachádajúce sa na serveri. Pre toto načítanie sme vytvorili funkciu: public IEnumerator loadlistfromserver() { WWW listurl = new WWW(buttonOnClick.URL + "list.txt"); yield return listurl; if (listurl!= null){ string temp = listurl.text.replace("\n", ""); string[] meshlist = temp.split(';'); } } foreach(string s in meshlist) { if (s == "") continue; DD.options.Add(new Dropdown.OptionData(s)); } Kód 4.3: funkcia loadlistfromserver Vo vyššie zobrazenom kóde (Kód 4.3), môžeme vidieť posielanie dopytu na server. Unity3D[9] funkcia WWW zabezpečuje túto funkcionalitu, kde vracia obsah načítaného obsahu. Konkrétne pre náš prípad je to zoznam mien modelov uložených na server oddelenými bodkočiarkou. Načítaný a spracovaný list modelov následne zobrazujeme v už spomínanom drop down zozname. 26

35 4.2.2 Načítanie modela zo servera Načítanie už samotného modela je podobný proces tomu, ktorý načítava zoznam modelov. Tiež používame funkciu WWW, kde načítavame obsah súboru, ktorý obsahuje údaje o modeli v zadanej zložitosti. Základný model a jeho segmenty sú uložené v zložke, ktorá má názov rovnaký ako je názov modela. Samotné súbory obsahujúce údaje o modeli sú nazvané podľa ich zložitosti. Pre načítanie a samotné spracovanie sme použili triedy, ktoré sme už vytvorili v prvej časti aplikácie, akurát s menšími zmenami, aby sedeli s logikou komunikovania a so serverom. Pre načítanie modela zo servera sme vytvorili funkciu (Kód 4.4): private IEnumerator wwwrequest(string path) { WWW request = new WWW(path); yield return request; } if (request!= null) { LM.processMesh(request.text); drawmesh(lm.m); } Kód 4.4: Funkcia wwwrequest Už ako sme vyššie spomenuli, model je uložený na serveri spolu s jeho segmentmi, kde názov týchto súborov je percentuálna zložitosť modela. O načítavanie týchto segmentov sa stará posuvník (Obr. 4.2), ktorý dynamicky mení zložitosť načítaného modela. Obr. 4.2: Posuvník v GUI Posuvník pri každej zmene jeho hodnoty volá asynchrónnu funkciu, ktorá, ako pri prvotnom načítaní modela na scénu, posiela na server dopyt, a ten vracia dáta k vybranému modelu. Nakoľko sa jedná o segmenty modelu, táto funkcia je vykonávaná v slučke, ktorá postupne spúšťa túto funkciu, a teda model sa načítava postupne. Pri výkonávani tohto procesu sa na grafickom prostredí zobrazí hláška Loading. 27

36 4.2.3 Spracovanie modela a príprava na ukladanie na server Na uloženie používateľom vybraného 3D modela, je potrebné samotný model spracovať a uložiť ho do nami navrhnutého dátového modela. Dôvod, prečo sme pri implementácií takto postupovali, bol nedostupnosť takého servera, ktorý by sám zvládal tieto procesy. Preto časť sa vykoná ešte na strane klienta. Obr. 4.3: Formulár pre zaslanie modela na server Na obrázku (Kód 4.3) je zobrazené okno, ktoré slúži ako formulár pre zaslanie modela na server. Do zobrazeného vstupného pola po vložení absolútnej cesty a stlačení tlačidla, prebehne kontrola, či súbor, ktorý chce používateľ odoslať, existuje a či sa jedná o Wavefront OBJ[16] objekt a to kontrolou suffixu názvu súboru. Potom následné kontroly, či sa jedná už o podporovanú štruktúru, budú prebiehať pri parsovaní súboru. Proces ktorý bude prebiehať na strane klienta bude parsovanie modela vo formáte Wavefront OBJ[16]. Model by mal mať trojuholníkovú štruktúru, nakoľko táto štruktúra je podporovaná samotným enginom, a teda sme tak prispôsobili implementáciu tejto funkcionality. Unity3D[9] už má takúto funkcionalitu zaimplementovanú, ale využíva sa iba na načítanie modela na scénu editora, teda neponúka ju v skriptovacej API. Na základe tejto skutočnosti sme museli túto funkcionalitu zaimplementovať sami. 28

37 private void process(streamreader input){ string line; while (!input.endofstream){ line = input.readline(); if (line!= null){ string[] p = line.split(" ".ToCharArray()); switch (p[0]){ case "v": verticies.add(new Vector3(cf(p[1]), cf(p[2]), cf(p[3]))); break; case "f": List<int> intarray = new List<int>(); for (int i = 1; i < p.length; i++) { Vector3 temp = new Vector3(); string[] s = p[i].split("/"[0]); temp.x = System.Convert.ToInt32(s[0]); if (s.length > 1){ if (s[1]!= "") temp.y = System.Convert.ToInt32(s[1]); } if (s.length > 2) { if (s[2]!= "") temp.z = System.Convert.ToInt32(s[2]); } faces.add(temp); intarray.add(int.parse(s[0])-1); } } } for (int i = 1; i < (p.length-2) ; ++i){ triangles.add(intarray[0]); triangles.add(intarray[i]); triangles.add(intarray[i+1]); } break; Kód 4.5: Funkcia process V zobrazenom kóde (Kód 4.5) môžeme vidieť spracovanie údajov používateľom pridaného modelu. Štruktúra Wavefront OBJ[16] formátu vyzerá tak, že každý riadok súboru je definovaný na základe symbolu, ktorý sa nachádza na začiatku riadku. Symbol ktorý definuje údaje pre vrchol je V, pre steny resp. trojuholníky je F a pre názov modela symbol O. Samozrejme, v tomto formáte sa môžu nachádzať aj informácie o iných parametroch modela, ako napríklad normály alebo súradnice pre textúry. Avšak, tieto parametre nebolo potrebné ukladať do dátového modela, nakoľko s textúrami nepracujeme a normály si vieme vypočítať z už uložených údajov. Po spracovaní vstupného súbora do nášho dátového modelu nasleduje uloženie modela do základnej zložitosti a následne rozložiť model na segmenty po piatich percentách znižujúcej sa zložitosti. Pre tento proces sme použili algoritmus edge-collapse[3], ktorý 29

38 sme už opisovali v kategoríí Edge collapse. Algoritmus sa načíta do svojej dátovej štruktúry a následne vytvára segmenty načítaného modela. Pri získaní požadovaného výsledkov na základe požadovanej zložitosti sa model spracuje do koncovej štruktúry a postupne sa spracuje požiadavka, ktorá sa odošle na server. public IEnumerator sendrequest(string data = "", int percentage = 100){ if (data == "") data = buildmeshstring(); var form = new WWWForm(); form.addfield("data", data); form.addfield("name", name); form.addfield("perc", percentage); var www = new WWW(URL, form); yield return www; } if ( == null){ Debug.Log("Response: " + } else{ Debug.Log("WWW Error: " + } Kód 4.6: Funkcia sendrequest Vo vyššie zobrazenom kóde (Kód 4.6), je napísaná požiadavka, ktorá sa posiela na server. Pri spracovaní tejto požiadavky používame triedu WWWForm, ktorá sa nachádza v skriptovacej API Unity3D[9]. Trieda WWWForm spracuje vložené dáta, ktoré potom server vníma ako metódu požiadavky HTTP protokolu, POST. Vďaka tejto metóde dokáže server spracovať dáta ako dvojrozmerné pole. Každú informáciu do požiadavky vieme vložiť pomocou funkcie: public void AddField(string fieldname, string value); Kód 4.7: Funkcia AddField Funkcia AddField() (Kód 4.7) v prvom parametre príjma názov, ktorý bude služíť ako kľúč pre získanie informácie z pola požiadavky. Druhý parameter sú samotné údaje, ktoré chceme poslať serveru. Funkcia umožňuje posielanie dát iba ako dátový typ string alebo int. Po spracovaní údajov a pripravení požiadavky, sa inštancia triedy WWWForm pošle do konštruktora triedy WWW, ktorá je tým nástrojom, ktorý odošle požiadavku na server. 30

39 4.2.4 Serverová časť Pri implementácii kódu pre serverovú časť sme použili skriptovací jazyk PHP[11], ktorý pre podmienky, aké boli dostupné, bol najvyhovujúcejšou voľbou pre túto prácu. Pri implementácií bolo použité natívne PHP, teda neboli využívané žiadne rozšírenia alebo framework. Využívame ho hlavne pre ukladanie modelu, ktorý používateľ odoslal cez prezentačnú aplikáciu. Súbory budú ukladané do zložky, ktorá bola dočasne nazvaná obj_data. Zložka bude obsahovať podzložky s názvami ukladaných modelov a v nich už budú samotné modely resp. segment ukladaných modelov. Ďalšou úlohou serverovej časti bude aktualizovať list uložených modelov na serveri. Súbor je uložený spolu so zložkami modelov a jeho názov je list.txt. Dôvodom, prečo ukladáme tieto informácie do textového súboru aj napriek tomu, že je dostupná možnosť tieto informácie ukladať do databázy, je efektívnosť pri načítavaní listu do aplikácie. Táto záležitosť bude detailnejšie popísaná v sekcií Výsledky. <?php if (isset($_post['data'])){ $mesh_path = "obj_data/".$_post['name']; if (!file_exists($mesh_path)) mkdir($mesh_path, 0777, true); $newfile = fopen($mesh_path."/". $_POST['perc'].".bin", "w") or die("unable to open file!"); write($newfile, $_POST['data']); fclose($newfile); echo "Success!!! -> Mesh"; } else echo "Failed!!! -> Mesh"; Kód 4.8: Ukladanie modela na server Požiadavka, ktorá sa odosiela na server má tri údaje, prvý údaj data obsahujúce všetky informácie o modeli, teda súradnice jeho vrcholov a indexy vrcholov. Tieto údaje sa ukladajú na server pomocou funkcie fopen (Kód 4.8), ktorá vytvorí súbor, ak ešte neexistuje, a zapíše tieto informácie do vytvoreného súboru. Názov zložky, do ktorej sa súbor uloží je uložený ako ďalšia informácia v požiadavke. Táto informácia sa používa pri vytváraní zložky, ak sa jedná o nový model, ktorá ešte neexistuje. Posledný údaj, ktorý požiadavka obsahuje, je zložitosť v percentuálnej forme. Podľa tohto údaju sú nazvané ukladané súbory. 31

40 <?php if (isset($_post['list']){ $list_path = "obj_data/list.txt"; $listfile = fopen($list_path, "a+") or die("unable to open list!"); fwrite($listfile, $_POST['list']); fclose($listfile); echo "Success!!! -> List"; } else echo "Failed!! -> List "; Kód 4.9: Aktualizácia listu uložených modelov Pri písaní kódu pre aktualizovanie listu uložených modelov na serveri (Kód 4.9), sme využili rovnakú funkcionalitu ako pri ukladaní údajov o modeli. Rozdiel v tomto procese je ten, že nevytvárame nový súbor, len aktualizujeme už existujúci textový súbor. Preto pri otváraní tohto súboru sme pri funkcii fopen() (Kód 4.9) ako druhý parameter zvolili a+, ktorý ponechá existujúce dáta a doplní údaj, ktorý obsahuje názov modelu s deliminátorom bodkočiarkou, kvôli spracovaniu údajov do zoznamu v aplikácii. V obidvoch častiach spracovania požiadavky sme implementovali odozvy, ktoré aplikácia spracováva. V PHP[11] kóde sú to príkazy na výpis zvolenej hodnoty na obrazovku resp. do prehliadača. Ale pre aplikáciu sme to využili na úspešné uloženie, alebo problém, ktorý môže nastať pri zle odoslanej požiadavke, napr. chýbajúce informácie o modeli, chyba pri otváraní existujúceho súboru alebo chyba pri vytváraní nových súborov. Pri implementácií vznikli problémy s otváraním nových súborov. Po dôkladnom prechádzaní kódu sme zistili, že problém sa nenachádzal priamo v kóde, ale na serveri. Problém bol vyriešený nastavením práv pre čítanie a zapisovanie hlavnej zložky. 32

41 5. Výsledky V tejto kategórií popíšeme dosiahnuté výsledky, ktoré boli získané počas testovania aplikácie. Bolo aplikovaných niekoľko variant algoritmov pre získanie najlepšej efektivity a taktiež boli vykonané rôzne typy testovacích scenárov. 5.1 Edge collapse Prvé testovanie sme vykonávali na algoritme edge collapse. Dôležitou úlohou tejto funkcie je čo najpresnejšie zjednodušovať model, aby aj po výraznom zredukovaní polygónov model ostal nadaľej rozoznateľný. Proces, ktorý toto zabezpečuje, vykonáva výpočty pre hľadanie hrany pre samotný collapse. Tento výpočet môže byť navrhnutý tromi spôsobmi. Pre tento test som použil model zajaca, ktorého počet trojuholníkov je 890 trojuholníkov. Prvý spôsob bol porovnávanie vrcholov na základe len ich vzdialenosti. Druhý, kde porovnávanie vrcholov prebiehalo na základe skalárneho súčinu, a tretí kombináciou prvých dvoch metód, ktorý z vymenovaných dvoch priniesol najlepšie výsledky. Obr. 5.1:Testovanie Na obrázku (Obr. 5.1) môžeme vidieť porovnávanie metód porovnávania vrcholov na základe ich vzdialenosti s metódou (vľavo), ktorá vykazovala najlepšie výsledky (v pravo). Obidva modely boli zjednodušené na 30-percentnú zložitosť. Môžeme vidieť, že model na ľavo má výrazne horšiu štruktúru ako model na pravo. Hrany majú ostrejšie 33

42 a niektoré časti modela už nemôžeme resp. ťažšie rozoznávame od pôvodného stopercentného modelu. Obr. 5.2: Porovnávanie skalárnym súčinom Pri porovnávaní výsledkov metód hľadania vrcholu pre collapse na základe skalárneho súčinu a metód, ktorý kombinuje vyššie spomenuté metódy, sa vyskytli zaujímavé výsledky. Na obrázku (Obr. 5.2) je vidno značný rozdiel medzi výsledkami. Modely boli, ako aj v predošlom teste, zjednodušené na 30-percentnú zložitosť a môžeme vidieť, že model, na ktorom bola aplikovaná metóda hľadania vrcholu pre collapse na základe skalárneho súčinu, je vidno, že model má výrazne horšiu štruktúru oproti predošlému testu. Taktiež je vidieť, že niektoré časti modelu boli zjednodušené lepšie ako v predošlom teste. Na základe týchto testov môžeme usúdiť, že kombinácia testovaných dvoch metód je pre zjednodušenie modelu najlepšia, nakoľko z obrázkov môžeme vidieť, že model má lepšiu štruktúru a že model vieme rozoznať od pôvodného stopercentného modela. 5.2 Načítavanie modelov s rôznym počtom vrcholov a zložitosťou Ďalším predmetom na testovanie bola efektivita samotného algoritmu. Časy načítavania modelu sa odlišovali od toho, koľko mal model trojuholníkov a v akej zložitosti bol načítavaný. Samozrejme, logicky môžeme usúdiť, že čím je menej trojuholníkov alebo čím je menšia zložitosť, tým je doba načítania menšia. Avšak, bolo nutné otestovať, koľko bude aplikácii trvať vykonať tento proces. 34