Conceptual free-form styling in virtual environments [Elektronische Ressource] / von Gerold Wesche

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• Publié par: universitat_des_saarlandes
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 18
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Conceptual Free-Form Styling in Virtual
Environments
Dissertation zur Erlangung des Grades des
Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)
der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakult˜at I
der Universitat˜ des Saarlandes
eingereicht im Marz˜ 2004
von
Gerold WescheDekan: Prof. Dr. J˜org Eschmeier
Vorsitzender des Prufungsaussc˜ husses: Prof. Dr. Joachim Weickert
Akademischer Mitarbeiter: Dr. Marcus Magnor
1. Gutachter: Prof. Dr. Hans-Peter Seidel
2. Gutachter: Prof. Dr. Heinrich Muller˜
Tag des Kolloquiums: 20. August 2004Kurzfassung
DieseDissertationbeschreibtWerkzeugezumEntwurfkomplettervirtuellerModelle
von Grund auf. Dies geschieht direkt in einer tischartigen, virtuellen Arbeitsumge-
bung mit Hilfe von Trackingder H˜ande und der Kopfposition. Die Modelle sind aus
Freiform ˜achen aufgebaut und werden als Netz von Kurven mit Hilfe eines getrack-
ten, stiftartigen Eingabeger˜ates direkt im Raum gezeichnet. Es werden interaktive
Deformationswerkzeuge fur˜ Kurven und Flac˜ hen vorgestellt, die auf Methoden des
Variational Modeling basieren. Durch das Ausrichten des Modells mit der linken
Hand wird das Editieren mit der rechten Hand erleichtert. Dies entspricht einer
naturlic˜ hen Aufteilung von Aufgaben auf beide H˜ande. Zusatzlic˜ h stellt diese Ar-
beitneueTechnikenfurdie3D-Interaktioninvirtuellen Umgebungen,insbesondere˜
imBereichAnwendungskontrolle,vor,diedieAufgabederWerkzeugauswahlinden
Arbeitsablauf der Formgestaltung integrieren.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, besser geeignete Schnittstellen fur den computer-˜
unterstutzten, konzeptionellen Formentwurf zur Verfugung zu stellen; ein Gebiet,˜ ˜
fur das Standard-Desktop-Systeme wenig geeignete Unterstutzung bieten.˜ ˜
Abstract
This dissertation introduces the tools for designing complete models from scratch
directly in a head-tracked, table-like virtual work environment. The models consist
of free-form surfaces, and are constructed by drawing a network of curves directly
in space. This is accomplished by using a tracked pen-like input device. Interactive
deformation tools for curves and surfaces are proposed and are based on variational
methods. By aligning the model with the left hand, editing is made possible with
the right hand, corresponding to a natural distribution of tasks using both hands.
Furthermore, in the emerging fleld of 3D interaction in virtual environments, par-
ticularly with regard to system control, this work uses novel methods to integrate
system control tasks, such as selecting tools, and work ow of shape design.
The aim of this work is to propose more suitable user interfaces to computer-
supported conceptual shape design applications. This would be beneflcial since it
is a fleld that lacks adequate support from standard desktop systems.
iiZusammenfassung
Diese Dissertation stellt neue dreidimensionale Interaktionstechniken in virtuellen
Umgebungen zur Unterstutzung der konzeptionellen Phase des Formentwurfs vor.˜
Komplette virtuelle Modelle aus Freiform achen konnen direkt in einer virtuellen˜ ˜
UmgebungvonGrundauferstelltundverformtwerden.HierbeiwerdenbeideHande˜
benutzt.
Die traditionelle Sichtweise virtueller Umgebungen hebt in erster Linie ihre
Fahigk˜ eit zur Simulation eines intensiven Pr˜asenzeindrucks in einer virtuellen Sze-
ne hervor und das Gefuhl,˜ in ihr eingebettet zu sein. Benutzerinteraktion wird oft
lediglich als Navigation durch eine virtuelle Welt verstanden. In letzter Zeit wer-
den virtuelle Umgebungen zunehmend als Benutzerschnittstelle zu Computeran-
wendungen wie dreidimensionale Simulation und Visualisierung eingesetzt. Hierbei
stehen jedoch nur eingeschrankte˜ Moglic˜ hkeiten zur Interaktion mit den Daten zur
Verfugung.˜
In dieser Arbeit wird herausgestellt, dass virtuelle Umgebungen ein gro…es Nut-
zungspotentialauchfur˜ kreativeAnwendungenhaben,dasiedieF˜ahigkeitdesMen-
schenzurBenutzungderH˜andeunterstutzen˜ konnen.˜ DiesistnichtaufdieNachah-
˜mung manueller Ablaufe˜ beschrankt.˜ Abgesehen davon, dass die Ubertragung von
Prozessen aus der realen Welt in eine virtuelle Umgebung nicht immer moglic˜ h ist,
ist sie oftmals auch nicht angebracht. Demgegenub˜ er konnen˜ kunstlic˜ he Konzepte
fur manuelle Interaktion sich die Moglichkeit zur freien Bewegung der Hande in˜ ˜ ˜
virtuellen Umgebungen zu Nutze machen.
Ein Anwendungsfeld, das besonders auf manuellen Fertigkeiten beruht, ist die
FormgestaltungvonProdukten.DieAnfangsphasenimDesignsindbesonderskrea-
tive Prozesse, in denen eine Form in erster Linie durch eine gekonnte Benutzung
der Hande bestimmt wird. Der konzeptionelle Designprozess wird auch heute noch˜
von traditionellen Arbeitsmethoden dominiert, wie dem Skizzieren auf Papier und
dem Modellbau.
Ab einer gewissen Phase des Entwurfsprozesses wird jedoch ein digitales Modell
˜benotigt. Die Ubertragung eines realen Modells oder einer Zeichnung in ein digi-˜
tales Modell ist ein sehr aufwendiger und zudem fehleranf˜alliger Vorgang. Daher
gibt es einen Bedarf fur˜ Computerunterstutzung˜ auch in den fruhen˜ Entwurfspha-
sen; jedoch werden traditionelle Methoden bevorzugt, trotz des Nutzens digitaler
Modelle. Der Grund hierfur˜ liegt in der unzureichenden Unterstutzung˜ kreativer
Prozesse durch derzeitige Computer-Aided-Design-Systeme (CAD-Systeme).
In dieser Arbeit wird die Nutzbarmachung von CAD-Funktionalit˜at durch vir-
tuelle Umgebungen als Schnittstellen vorgeschlagen, um diese Einschrankungen˜ zu
ub˜ erwinden. Darub˜ er hinaus sind neue Designprozesse denkbar, die auf dem Ent-
wurf virtueller Modelle basieren, aber die Notwendigkeit realer Modelle durch Nut-
zung neuartiger dreidimensionaler Printing-Technologien einbeziehen.
Das Design der Ober ac˜ he vieler Industrieprodukte basiert auf der Verwendung
glatter Freiform ac˜ hen. Der Entwurf einer Form mit Freiform ac˜ hen ist eine be-
sonders herausfordernde Aufgabe, da eine sehr hohe Anzahl an freien Form ge-
benden Parametern existiert, die von Hand oder mit Hilfe von Algorithmen vom
Designer festgelegt werden mussen. Fur eine efiektive Unterstutzung des Entwurfs˜ ˜ ˜
von Freiform-Modellen sollte ein Flachenansatz gewahlt werden, der sowohl den˜ ˜
technischen als auch den methodischen Anforderungen des Entwerfens in virtuellen
Umgebungen Genuge tut, und fur den Entwurfsmethoden zur Verfugung stehen,˜ ˜ ˜
die die Konstruktion kompletter virtueller Modelle erlauben.
Der Modellierer, der im Zusammenhang mit dieser Arbeit implementiert wur-
de, wurde unter Berucksichtigung dieser Aspekte entwickelt. Er basiert auf dem˜
Zeichnen der Konturen eines Modells als Netzwerk von Kurven (kubische B-Spline-
Kurven), das die Form des gesamten Modells darstellt. Diese Kurven werden direkt
iiiiv
in einer tischartigen virtuellen Umgebung gezeichnet, genannt Responsive Work-
bench. Die Responsive Workbench ist ein projektionsbasiertes Displaysystem mit
Tracking des Kopfes und der Hande des Benutzers, das Objekte so dargestellt, dass˜
sie uber dem Tisch erscheinen.˜
Das Kurvennetz wird mit Flachen ausgefullt, die den vom Netzwerk angedeute-˜ ˜
tenFormverlaufwiderspiegeln.ZweiFlachenansatzewerdenunterstutzt,dieFlachen˜ ˜ ˜ ˜
von Kuriyama und Catmull-Clark-Flachen, welche direkt deformierbar sind.˜
FurKurvenstelltdieseDissertationinteraktiveDeformationswerkzeugevor.Bei-˜
spielsweise wird eine Kurve durch das Entlangfuhren eines virtuellen Cursors an˜
der Cursorposition allmahlich geglattet oder gescharft. Die Genauigkeit dieses Vor-˜ ˜ ˜
gangs kann durch das indirekte Einwirkenlassen der Deformation wirksam kontrol-
liert werden. Hierfur˜ werden Methoden des Variational Modeling verwendet. Durch
die Kombination von Energiefunktionalen mit Funktionen zur Gewichtsverteilung
wird ein dynamisch positionierbarer Maximalefiekt der Glattung˜ bzw. Scharfung˜
erzielt. Die Deformationswerkzeuge fur˜ Fl˜achen benutzen ebenfalls Methoden des
Variational Modeling und erlauben interaktives Ausformen.
Ein zweihandiges˜ Interaktionsschema, das auf Arbeitsteilung fur˜ beide Hande˜
beruht, unterstutzt˜ den Modellierungsprozess. Die linke Hand richtet das Modell so
aus, dass die rechte Hand Teile des Modells zum Editieren leicht erreichen kann.
Im Gegensatz zu Desktop-Systemen, bei denen sich Benutzerschnittstellen weit-
gehend ahneln,˜ wird allein aus der Funktionalit˜at des Modellierers noch nicht sei-
ne eigentliche Arbeitsweise klar. Fur˜ virtuelle Umgebungen sind efiektive Inter-
aktionstechniken zum Zugrifi auf die zur Verfugung˜ stehenden Funktionen keines-
˜wegsofiensichtlich.DaseinfacheUbertragenvonbekanntenTechnikenderDesktop-
InteraktionfuhrtindenmeistenFallenzuSchnittstellen,diehinderlichstattforder-˜ ˜ ˜
lich sind. Dies gilt besonders fur die Komponenten zur System-/Anwendungssteue-˜
rung. Leider unterschatzen viele Entwickler die Bedeutung, die die Benutzbarkeit˜
dieser Komponenten fur die E–zienz des Gesamtsystems hat.˜
Interaktion im Bereich Systemsteuerung in virtuellen Umgebungen beinhaltet
den Zugrifi des Benutzers auf ein Werkzeug oder eine Funktion. Als Beispiel hierfur˜
kann eine komplexe Modellierungsaufgabe dienen, die es erfordert, wiederholt das
Werkzeug zu wechseln. Hierfur sind Methoden zu flnden, die die notwendigen Ak-˜
tionen des Benutzers auf elegante Art in den eigentlichen Arbeitsablauf der Form-
gebung integrieren. Daher werden in dieser Dissertation zwei Ans˜atze zur Un-
terstutzung˜ der Funktionsauswahl vorgesch