plik

Java 3D i Python

www.sdjournal.org

Software Developer’s Journal 6/2006

Listing 1.

Pierwsze kroki – Hello3D

import

java

applet

Applet

;

import

java

awt

BorderLayout

;

import

java

awt

event

import

java

awt

GraphicsConfiguration

;

import

com

sun

j3d

utils

applet

MainFrame

;

import

com

sun

j3d

utils

geometry

import

com

sun

j3d

utils

universe

import

javax

media

j3d

import

javax

vecmath

import

com

sun

j3d

utils

behaviors

mouse

import

com

sun

j3d

utils

behaviors

import

com

sun

j3d

loaders

objectfile

ObjectFile

;

import

com

sun

j3d

loaders

ParsingErrorException

;

import

com

sun

j3d

loaders

IncorrectFormatException

;

import

com

sun

j3d

loaders

Scene

;

import

java

public

class

Hello3D

extends

Applet

{

private

SimpleUniverse

universe

null

;

public

BranchGroup

createSceneGraph

()

{

BranchGroup

objRoot

new

BranchGroup

();

BoundingSphere

bounds

new

BoundingSphere

(

new

Point3d

(

)

100

);

Background

background

new

Background

();

background

setColor

(

new

Color3f

(

0.0f

1.0f

));

background

setApplicationBounds

(

bounds

);

objRoot

addChild

(

background

);

Color3f

lightColor1

new

Color3f

(

0.7f

);

Vector3f

lightDirection1

new

Vector3f

(

1.0f

, .

);

Color3f

ambientLightColor

new

Color3f

(

0.2f

);

AmbientLight

ambientLight

new

AmbientLight

(

ambientLightColor

);

ambientLight

setInfluencingBounds

(

bounds

);

DirectionalLight

dirLight

new

DirectionalLight

(

lightColor1

lightDirection1

);

dirLight

setInfluencingBounds

(

bounds

);

objRoot

addChild

(

ambientLight

);

objRoot

addChild

(

dirLight

);

Transform3D

sphereTransform

new

Transform3D

();

sphereTransform

set

(

new

Vector3f

(

0.5f

0.0f

0.25f

));

sphereTransform

setScale

(

0.5f

);

TransformGroup

objTransform1

new

TransformGroup

();

objTrans1

setTransform

(

sphereTransform

);

Transform3D

cubeTransform

new

Transform3D

();

cubeTransform

set

(

new

Vector3f

0.5f

0.25f

));

cubeTransform

setScale

(

0.5f

);

TransformGroup

objTransform2

new

TransformGroup

();

objTransform2

setTransform

(

cubeTransform

);

objTransform2

setCapability

(

TransformGroup

ALLOW_TRANSFORM_WRITE

);

objTransform2

setCapability

(

TransformGroup

ALLOW_TRANSFORM_READ

);

objRoot

addChild

(

objTransform1

);

objRoot

addChild

(

objTransform2

);

Sphere

sphere

new

Sphere

(

0.5f

);

ColorCube

cube

new

ColorCube

(

0.5f

);

Appearance

appearance

new

Appearance

();

Color3f

sphereColor

new

Color3f

(

1.0f

0.2f

0.4f

);

app

setMaterial

(

new

Material

(

sphereColor

new

Color3f

(

)

sphereColor

new

Color3f

(

)

));

sphere

setAppearance

(

appearance

);

objTransform1

addChild

(

sphere

);

objTransform2

addChild

(

cube

);

MouseRotate

rotate

new

MouseRotate

(

objTransform2

);

objRoot

addChild

(

rotate

);

rotate

setSchedulingBounds

(

bounds

);

MouseZoom

zoom

new

MouseZoom

(

objTransform2

);

objRoot

addChild

(

zoom

);

zoom

setSchedulingBounds

(

bounds

);

int

flags

ObjectFile

RESIZE

;

ObjectFile

file

new

ObjectFile

(

flags

);

Scene

model

null

;

model

file

load

(

"model.obj"

);

Transform3D

mdlTransform

new

Transform3D

();

mdlTransform

set

(

new

Vector3f

(

));

mdlTransform

setScale

(

0.5f

);

TransformGroup

objTransform3

new

TransformGroup

();

objTransform3

setTransform

(

mdlTransform

);

objTransform3

addChild

(

model

getSceneGroup

());

objRoot

addChild

(

objTransform3

);

objRoot

compile

();

return

objRoot

;

}

public

Hello3D

()

{

}

public

void

init

()

{

setLayout

(

new

BorderLayout

());

GraphicsConfiguration

config

SimpleUniverse

getPreferredConfiguration

();

Canvas3D

new

Canvas3D

(

config

);

add

(

"Center"

);

BranchGroup

scene

createSceneGraph

();

universe

new

SimpleUniverse

(

);

universe

getViewingPlatform

()

setNominalViewingTransform

();

universe

addBranchGraph

(

scene

);

}

public

void

destroy

()

{

cleanup

();

}

public

static

void

main

(

String

[]

args

)

{

new

MainFrame

(

new

Hello3D

()

256

);

}

Programowanie

grafiki

www.sdjournal.org

Software Developer’s Journal 6/2006

Pierwsze kroki

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

czej typowym dla tej biblioteki przykładzie zawierającym

kilka najczęściej spotykanych elementów (prymitywy, kom-

ponowanie sceny, wczytanie modelu z zewnętrznego pli-

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

ścian i (wczytany z pliku

.obj

) obiekt 3D. Kula i obiekt pozo-

staną nieruchome, a użytkownik może manipulować jedy-

nie sześcianem.

Na początek przyjrzyjmy się implementacji klasy

Hello-

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

ku z czym konieczne jest dziedziczenie po klasie

Applet

i implementacja metody

init()

. Do rysowania wykorzystuje-

my odpowiednio skonfigurowane okno klasy

Canvas3D

– kla-

Canvas3D

dziedziczy po

awt.Canvas

. Kluczowa dla zawar-

tości trójwymiarowej sceny jest stworzona przez nas metoda

createScene()

, zwracająca korzeń sceny (

scene

) klasy

Branch-

Group

(

javax.media.j3d.BranchGroup

). Chcąc stworzoną scenę

wyświetlić, w dalszej części metody musimy dołączyć korzeń

do naszego wszechświata (

universe

). W metodzie

createSce-

ne()

, na początek musimy zainicjować korzeń drzewa (

root

do którego będziemy dokładać kolejne elementy sceny. Ko-

lejno ustawiamy: tło (

background

), światło otoczenia (

ambien-

tLight

) i kierunkowe (

dirLight

). Granice sceny ustalamy two-

rząc instancję klasy

BoundingSphere

(

bounds

). Chcąc manipu-

lować jedynie sześcianem, musimy stworzyć dla niego osob-

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

dzielne instancje klasy

TransformGroup

(

objTransform1

dla ku-

li,

objTransform2

dla sześcianu i

objTransform3

dla sceny, któ-

rą wczytywać będziemy z pliku) – tylko

objTransform2

w koń-

cowym efekcie będzie posiadać mechanizm obsługi zda-

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

my używając metod

set(Vector3f x)

setScale(float scale)

klasy

Transform3D

. W przypadku kuli i modelu działamy od-

powiednio na instancjach

sphereTransform

oraz

mdlTransform

dla sześcianu natomiast na instancji

cubeTransform

(w gałęzi

objTransform2

). Dodatkowo, kula jest kolorowana (

sphere.se-

tAppearance(appearance)

). Do manipulowania sześcianem

myszką potrzebne są nam jeszcze instancje klasy

MouseZoom

(zoom)

MouseRotate (rotate)

. Obydwie przyjmują

objTrans-

form2

. Dla wczytania zewnętrznego modelu (sceny) kluczo-

wy jest następujący fragment

ObjectFile file = new ObjectFile(flags);
Scene model = null;
model = file.load("model.obj");

Tak wczytany model wystarczy tylko umieścić w przeznaczo-

nej dla niego gałęzi i dołączeniu jej do korzenia:

objTrans3.addChild(model.getSceneGroup());
objRoot.addChild(objTrans3);

Musimy jeszcze tylko pamiętać o bieżącym modyfikowaniu

treści drugiej grupy

objTransform2.setCapability(
TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_WRITE)
objTransform2.setCapability(
TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_READ);

dołączeniu wszystkich potrzebnych elementów do korzenia

i pierwsza aplikacja jest gotowa.

Rysunek 2.

Przykład importu do Java 3D powierzchni

wygenerowanej w Blenderze

Rysunek 3.

Przykład połączenia GUI z Java 3D – symulator

cząsteczek

Listing 2.

Przykład użycia obiektu Canvas3D ze Swing

class

Panel3D

extends

JPanel

{

public

Panel3D

()

{

this

add

(

new

Canvas3D

(

config

));

}

Listing 3.

Rysunkowa para JTabbedPane – Canvas3D

class

Tabbed

extends

JTabbedPane

{

public

Tabbed

()

{

// …

// Gotowe: Java 3D wewnątrz Swing

this

addPage

(

new

Panel3D

());

}

Java 3D i Python

www.sdjournal.org

Software Developer’s Journal 6/2006

Zwróćmy uwagę, że informacja o tworzywie wczyta-

nego modelu może znajdować się w zewnętrznej biblio-

tece materiałowej. W przypadku plików .obj jest to zwykle

tekstowy plik z rozszerzeniem

.mtl

generowany przy oka-

zji tworzenia samego modelu. Aby móc z niego skorzystać,

wystarczy w naszym modelu (w formacie

.obj

) umieścić

dwie instrukcje

mtllib model.mtl
usemtl 20

Pierwsza z nich określa zewnętrzną bibliotekę, z której mo-

żemy pobrać odpowiednie tworzywa, a druga indeks two-

rzywa, którym kolorujemy albo cały model albo wybra-

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

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

miętać, że większość istniejących w konwerter plików .obj,

a także .lwo zwykle nie obsługuje całości specyfikacji okre-

ślonego formatu. W ekstremalnych sytuacjach konieczna

jest edycja pliku i usunięcie kłopotliwych elementów. Z ist-

niejących modelerów open source dobre wyniki dają Blen-

der oraz Wings – zob. Rysunek 2.

Okienka

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

prawnie Java 3D pracuje jedynie ze starszymi kontenera-

Listing 4.

Java 3D w Jythonie

import

java

awt

GraphicsConfiguration

from

java

applet

import

Applet

from

java

awt

import

BorderLayout

from

java

awt

event

import

from

com

sun

j3d

utils

geometry

import

from

com

sun

j3d

utils

universe

import

from

javax

media

j3d

import

from

javax

vecmath

import

from

com

sun

j3d

utils

behaviors

mouse

import

from

com

sun

j3d

utils

behaviors

import

# Tworzymy applet…

class

Hello3D

(

Applet

def

init

(

self

setLayout

(

BorderLayout

())

self

_bounds

BoundingSphere

(

Point3d

(

0.0

)

100.0

)

config

SimpleUniverse

getPreferredConfiguration

()

Canvas3D

(

config

)

self

add

(

"Center"

)

self

_scene

self

createScene

()

self

_universe

SimpleUniverse

(

)

self

_viewingPlatform

self

_universe

getViewingPlatform

();

self

_viewingPlatform

setNominalViewingTransform

();

self

_universe

addBranchGraph

(

self

scene

)

# Kolej na tworzenie sceny…

def

createScene

(

self

# korzeń

objRoot

BranchGroup

()

background

Background

()

background

setColor

(

Color3f

(

))

background

setApplicationBounds

(

self

_bounds

)

objRoot

addChild

(

background

)

lightColor1

Color3f

(

0.7

)

lightDirection1

Vector3f

(

1.0

, .

)

ambientColor

Color3f

(

0.2

)

ambientLight

AmbientLight

(

alColor

)

ambientLight

setInfluencingBounds

(

self

_bounds

)

dirLight

DirectionalLight

(

lightColor1

lightDir1

)

dirLight

setInfluencingBounds

(

self

_bounds

)

objRoot

addChild

(

ambientLight

)

objRoot

addChild

(

dirLight

)

sphereTransform

Transform3D

()

sphereTransform

set

(

Vector3f

(

0.5

0.25

))

sphereTransform

setScale

(

0.5

)

objTransform1

TransformGroup

()

objTransform1

setTransform

(

sphereTransform

)

cubeTransform

Transform3D

()

cubeTransform

set

(

Vector3f

(

0.5

0.25

))

cubeTransform

setScale

(

0.5

)

objTransform2

TransformGroup

()

objTransform2

setCapability

(

TransformGroup

ALLOW_TRANSFORM_WRITE

)

objTransform2

setCapability

(

TransformGroup

ALLOW_TRANSFORM_READ

)

objTransform2

setTransform

(

cubeTransform

)

objRoot

addChild

(

objTransform1

)

objRoot

addChild

(

objTransform2

)

sphere

Sphere

(

0.5

)

cube

ColorCube

(

0.5

)

appearance

Appearance

()

objColor

Color3f

(

1.0

0.2

0.4

)

appearance

setMaterial

(

Material

(

objColor

Color3f

(

)

objColor

Color3f

(

)

))

sphere

setAppearance

(

appearance

)

objTransform1

addChild

(

sphere

)

objTransform2

addChild

(

cube

)

rotate

MouseRotate

(

objTransform2

)

objRoot

addChild

(

rotate

)

rotate

setSchedulingBounds

(

self

_bounds

)

zoom

MouseZoom

(

objTransform2

)

objRoot

addChild

(

zoom

)

zoom

setSchedulingBounds

(

self

_bounds

)

objRoot

compile

()

return

objRoot

# koniec metody createScene

# Testujemy applet…

__name__

__main__

import

pawt

test

(

Hello3D

())

# Koniec

Programowanie

grafiki

www.sdjournal.org

Software Developer’s Journal 6/2006

mi AWT. Powszechnym problem jest przerysowywanie i za-

krywanie kontrolek Swingowych przez Javę 3D (

Canvas3D

co powoduje, że użycie większości kontrolek Swingowych

jest praktycznie niemożliwe. Najlepsze wyniki, jak pokaże-

my na przykładzie, daje para

JTabbedPane

–

Canvas3D

i dzie-

dziczenie po klasie

JPanel

, np. w sposób pokazany w Listin-

gu 2 i 3.

Teraz wystarczy już tylko Rysunkowa para

JTabbedPane

–

Canvas3D

, przedstawiona na Listigu 3.

Dzięki takiemu rozwiązaniu można w łatwy sposób two-

rzyć rozbudowane aplikacje z typowym dla Swingowych

aplikacji interfejsem użytkownika, jak np. ta zilustrowana na

Rysunku 3 przedstawiając symulator cząsteczek.

Java 3D a Jython

Ciekawą alternatywą dla programistów używających obiek-

towe języki skryptowe wysokiego poziomu (np. Python) jest

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

plementacją Pythona o nazwie Jython na maszynę wirtual-

ną Javy. Zalet tworzenia aplikacji przy użyciu języków skryp-

towych w rodzaju Pythona jest wiele – np. obecność typów

danych wysokiego poziomu (listy, słowniki) przyspiesza-

jąca tworzenie aplikacji, dynamiczne typowanie, oszczęd-

ność kodu, interpretowanie zamiast kompilacji. Jython

w wersji 2.1 jest zgodny z J2SE, dzięki czemu korzystanie

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

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

daje możliwość importowania klas Javy do tworzonych przez

nas skryptów. Dla porównania z poprzednim kodem, poni-

żej przykład skryptu/appletu stworzonego w Pythonie. Apli-

kacja jest identyczna z opisaną na wstępie aplikacją

Hello-

poza fragmentem dotyczącym wczytania elementu sceny

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

my, używając typowej konstrukcji Pythona

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

Listing 5.

Wykorzystanie klasy PythonInterpreter

// Import klas Java 3D…

import

org

python

core

PyObject

;

// Jython

import

org

python

util

PythonInterpreter

;

// interpreter

// Klasa dziedziczy po JFrame - Swing

public

class

embDemo

extends

JFrame

{

// pola prywatne, etc.

public

embDemo

(

String

source

)

{

// …

// Dodajemy do ramki nasz panel 3D

this

getContentPane

()

add

(

new

Tabbed

(

source

));

// …

}

// Panel dziedziczy po klasie JPanel

class

Panel3D

extends

JPanel

{

public

Panel3D

(

String

source

)

{

// …

// Scena i wirtualny wszechświat

BranchGroup

scene

;

SimpleUniverse

sUniverse

new

SimpleUniverse

(

can

vas3D

);

scene

createSceneGraph

(

source

);

sUniverse

addBranchGraph

(

scene

);

//…

this

setLayout

(

new

BorderLayout

());

this

setOpaque

(

false

);

this

add

(

"Center"

canvas3D

);

}

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

private

BranchGroup

createSceneGraph

(

String

source

)

{

BranchGroup

objRoot

new

BranchGroup

();

TransformGroup

mainGroup

new

TransformGroup

();

// …

// Python: uruchamiamy interpreter

// Tutaj embeddedWorld zwraca wczytaną

// z zewnątrz scenę

BranchGroup

embedded

embeddedWorld

(

source

);

mainGroup

addChild

(

embedded

);

// Python: KONIEC

objRoot

addChild

(

mainGroup

);

return

objRoot

;

}

private

BranchGroup

embeddedWorld

(

String

source

)

{

Object

input

null

;

BranchGroup

root

new

BranchGroup

();

// Inicjujemy interpreter…

PythonInterpreter

interp

new

PythonInterpreter

();

// ...i wczytujemy do niego treść skryptu

try

{

DataInputStream

new

DataInputStream

(

new

FileInputStream

(

source

));

interp

execfile

(

);

// Pobieramy określony obiekt - scene

input

interp

get

(

"scene"

BranchGroup

class

);

}

catch

(

FileNotFoundException

)

{

printStackTrace

(

System

err

);

}

// Rzutujemy - input jest instancją klasy Object

return

(

BranchGroup

)

input

;

}

// Dziedziczymy po klasie JTabbedPane

class

Tabbed

extends

JTabbedPane

{

// source to nazwa skryptu Pythona

public

Tabbed

(

String

source

)

{

// Zakładka z panelem 3D

this

addTab

(

"View"

new

Panel3D

(

source

));

}

public

static

void

main

(

String

[]

args

)

{

new

embDemo

(

args

[

]);

}

Java 3D i Python

www.sdjournal.org

Software Developer’s Journal 6/2006

Struktura appletu (w Pythonie !) jest w zasadzie identycz-

na z pierwszym przykładem (Java). Do naszego przykła-

du stosują się, oczywiście wszystkie charakterystycz-

ne cechy Pythona, a więc oszczędność kodu, typowanie,

etc.

Wskazówka dla osób nie mających styczności z Pytho-

nem: słowo

self

jest odpowiednikiem

this

Javy, ale w Pytho-

nie

self

musi być użyte jawnie w treści klasy.

W aspekcie korzystania z Pythona, pojawia się też moż-

liwość rozszerzania funkcjonalności naszej aplikacji skryp-

tami Pythona (Jythona), co w wielu przypadkach jest rze-

czą nie do pogardzenia. Ogólnie rzecz ujmując, para Ja-

va-Jython daje dwie możliwości: kompilacja kodu Pythona

do postaci klasy Javy i wywołanie go w tworzonej aplikacji

w postaci klasy lub wykorzystanie interpretera poleceń Py-

thona (klasa

PythonInterpreter

) do wywołania zewnętrzne-

go skryptu generującego np. geometrię. Jak sprawdziliśmy

w praktyce, pierwsze rozwiązanie nie zawsze działa, nato-

miast korzystanie z interpretera jest o wiele bardziej nieza-

wodne i czytelne.

Integrację Java (i Java 3D) z Python’em (Jython’em) po-

każemy na przykładzie nieskomplikowanej aplikacji okien-

kowej (zob. Rysunek 4), skonstruowanej w opisany w Li-

stingach 2 i 3 sposób. Tym razem jednak zamiast skazywać

się tylko i wyłącznie na towarzystwo Javy w treści meto-

createSceneGraph()

pojawi się wywołanie skryptu Jytho-

na o określonej zawartości (Listingi 5 i 6). W Listingu 5 brak

części powtarzających się fragmentów kodu. Najważniej-

sza zmiana w treści klasy to nowa metoda o nazwie

eme-

beddedWorld(String source)

, której parametrem jest nazwa

zewnętrznego skryptu Jythona

source

– aplikację wywołu-

jemy z parametrem w postaci nazwy skryptu. Do zinterpre-

towania treści skryptu w sposób zrozumiały dla naszej apli-

kacji konieczne jest utworzenie obiektu klasy

PythonInter-

preter

(Klasa ta posiada metodę

execfile()

, przyjmującą in-

stancję klasy

FileInputStream

(skrypt), której wykonanie po-

woduje przetworzenie treści skryptu oraz metodę

get()

, któ-

rej pierwszym parametrem jest nazwa pobieranego obiek-

tu Pythona (

scene

), a drugim odpowiednia klasa Java 3D.

W naszym przypadku jest to klasa

BranchGroup

– konieczne

jest rzutowanie do klasy

BranchGroup

Oprogramowanie

Wszystkie omówione w niniejszym artykule przykłady po-

wstały przy użyciu Java 3D w wersji 1.3.1, Java 2 SE, Jy-

thon 2.1 oraz środowiska Eclipse w wersji 3.1 z wtyczką Py-

Dev (Python/Jython). Wykorzystany w pierwszym przykła-

dzie model jest częścią dystrybucji Java 3D. Minimalne za-

soby potrzebne do utworzenia opisanych aplikacji są jed-

nak znacznie mniejsze i mogą ograniczać się do koniecz-

ności zainstalowania Javy (J2SE) wraz z Java 3D oraz Jy-

thona i tworzeniu opisanych aplikacji przy pomocy dowol-

nego edytora tekstowego.

Podsumowanie

Java 3D jest, pomimo pewnych swoich niedociągnięć (kiepska

współpraca ze Swing, brak bezpośredniego dostępu do funk-

cji OpenGL, prosty model oświetlenia) i wieku, stosunkowo

atrakcyjnym rozwiązaniem dla programistów WWW i gier Ja-

va. W dalszym ciągu posiada duży potencjał i możliwości po-

zwalające programistom na umieszczanie niewielkim nakła-

dem pracy elementów grafiki 3D w appletach i aplikacjach Ja-

va, choć obecnie popularniejszym rozwiązaniem, np. w sferze

gier Java, wydają się być dedykowane rozwiązania, np. oparta

na JOGL biblioteka Xijth3D. Java 3D chyba jednak najbardziej

wpasowuje się w model przeznaczony dla średnio-wymagają-

cego użytkownika. n

W Sieci

• niezależne forum developerów Java 3D, JOGL

http://www.j3d.org

• strona domowa Javy

http://www.javasoft.com

• strona domowa Eclipse IDE

http://www.eclipse.org

• strona domowa programu Blender

http://www.blender.org

Rysunek 4.

Jython zanurzony

Listing 6.

Fragment importowanego skryptu Jython’a

(brak listy modułów Java 3D)

# Lista modułów Java 3D…
# funkcja createScene()

def

createScene

():

# Tradycyjnie, korzen

objRoot

BranchGroup

()

bounds

BoundingSphere

(

Point3d

(

0.0

)

100.0

)

background

Background

()

background

setColor

(

Color3f

(

))

background

setApplicationBounds

(

bounds

)

objRoot

addChild

(

background

)

objTransform

TransformGroup

()

objTransform

setCapability

(

TransformGroup

ALLOW_

TRANSFORM_READ

)

objRoot

addChild

(

objTransform

)

objTransform

addChild

(

ColorCube

(

0.4

))

return

objRoot

# koniec funkcji
# Wywołujemy createScene() i wynik przypisujemy
# do zwracanej zmiennej scene

scene

createScene

()

# Koniec