Oliver Vornberger, Universität Osnabrück
VRML , sprich Wörmel, ist eine für das WWW entworfene Virtual Reality Modelling Language zur Beschreibung von 3-dimensionalen Szenen mit multimedialen Komponenten und Animation. Die gerenderte Projektion der Szene kann von jedem Web-Browser betrachtet werden, der über ein passendes Plugin verfügt. Dieser Artikel motiviert die Entwicklung von VRML und stellt beispielhaft die wichtigsten Sprachkonstrukte vor.
Abbildung 1: Screenshot vom Web-Browser mit VRML-Szene im Cosmo-Player
#VRML V2.0 utf8
Transform { # Plaziere
translation 0 0 0 # im Ursprung
children [
Shape { # eine Gestalt
geometry Sphere { # von der Form einer Kugel
radius 1.5 # mit Durchmesser 1.5
}
appearance Appearance { # in der Erscheinung
material Material { # mit Materialbeschaffenheit
diffuseColor 0 1 0 # gruene Farbe
shininess 0.9 # stark reflektierend
}
}
}
]
}
Abbildung 2: kugel.wrl: grüne, stark reflektierende Kugel mit Radius 1.5
#VRML V2.0 utf8
Shape {
geometry IndexedFaceSet {
coord Coordinate {
point [ # beteiligte Punkte
0 3 0 # 0. Pyramidenpunkt (Spitze)
0 0 -2 # 1. Pyramidenpunkt (Norden)
-2 0 0 # 2. Pyramidenpunkt (Westen)
0 0 2 # 3. Pyramidenpunkt (Sueden)
2 0 0 # 4. Pyramidenpunkt (Osten )
]
}
coordIndex [ # Polygone gegen Uhrzeiger, Ende: -1
4 3 2 1 -1 # 0. Face: Punkte 1 2 3 4 (Grundflaeche)
0 1 2 -1 # 1. Face: Punkte 0 1 2 (Nordwesten)
0 2 3 -1 # 2. Face: Punkte 0 2 3 (Suedwesten)
0 3 4 -1 # 3. Face: Punkte 0 3 4 (Suedosten)
0 4 1 # 4. Face: Punkte 0 4 1 (Nordosten)
]
colorPerVertex FALSE
color Color {
color [ # pro Face eine Farbe benennen
0 1 1 # 0. Face: Cyan
1 0 0 # 1. Face: Rot
1 1 0 # 2. Face: Gelb
0 1 0 # 3. Face: Gruen
0 0 1 # 4. Face: Blau
]
}
}
}
Abbildung 3: pyramide.wrl: selbstdefinierte 5-seitige Pyramide
#VRML V2.0 utf8
Transform{ # Plaziere
children[ # die folgenden Objekte:
Anchor { # Hyperlink
url "multimedia.wrl" # zur VRML-Datei multimedia.wrl
description "Next world" # Anzeige im Statusfenster
children[ # zugeordnet ist die Welt
Inline {url "kugel.wrl"} # aus Datei kugel.wrl
]
}
Transform {
translation 0 1 0 # hebe 1 Einheit nach oben
scale 1 0.5 1 # skaliere bzgl. y auf 50 %
rotation 1 0 0 -0.523333 # kippe um 30 Grad nach hinten
children[ # verwende Welt
Inline {url "pyramide.wrl"} # aus Datei pyramide.wrl
]
}
]
}
Abbildung 4: gruppe.wrl: Kugel mit Hyperlink unter gekippter Pyramide
#VRML V2.0 utf8
Shape { # ein Gestaltknoten
geometry Box {size 1 1 1} # ein Quader der Kantenlaenge 1
appearance Appearance { # mit dem Aussehen
texture ImageTexture { # einer Bild-Textur
url "posaune.jpg" # aus der JPEG-Datei posaune.jpg
}
}
}
Sound { # ein Soundknoten
source AudioClip { # gespeist von einem Audio-Clip
url "ragtime.mid" # aus der Midi-Datei ragtime.mid
loop TRUE # in einer Endlosschleife
}
location 0 0 0 # Schallquelle im Ursprung
direction 0 0 1 # dem Betrachter zugewandt
minFront 1 # Hoerbereichsanfang
maxFront 8 # Hoerbereichsende
}
Abbildung 5: multimedia.wrl: Quader mit Bild-Textur und Soundquelle
#VRML V2.0 utf8
Group { # plaziere Gruppenknoten
children [ # bestehend aus
DEF Taste TouchSensor {} # einem Touch-Sensor
Inline { url "kugel.wrl" } # und einer Kugel
]
}
Sound { # plaziere Soundknoten
source DEF Tut AudioClip { # gespeist von Audio-Clip
url "tut.wav" # aus der Wave-Datei tut.wav
}
minFront 5 # Anfang des Schallbereichs
maxFront 50 # Ende des Schallbereichs
}
ROUTE Taste.touchTime # bei Beruehrung der Kugel
TO Tut.set_startTime # schicke Systemzeit an den Knoten Tut
Abbildung 6: interaktion.wrl: Kugel macht Geräusch bei Berührung
#VRML V2.0 utf8
DEF Schieber PlaneSensor {} # Sensor zum Melden einer Mausbewegung
DEF Timer TimeSensor { # Sensor zum Melden eines Zeitintervalls
cycleInterval 5 # Dauer 5 Sekunden
loop TRUE # Endlosschleife
}
DEF Rotierer OrientationInterpolator{ # Interpolator fuer Rotation
key [0 , 1] # bilde Schluessel 0 und 1 ab auf
keyValue [ 0 1 0 0 # 0 Grad Drehung bzgl. y
0 1 0 3.14] # 180 Grad Drehung bzgl. y
}
DEF Pyramide Transform { # plaziere Objekt mit Namen Pyramide
children [ # bestehend aus
Inline {url "pyramide.wrl"} # VRML-Datei pyramide.wrl
]
}
ROUTE Timer.fraction_changed # falls Zeitintervall sich aendert
TO Rotierer.set_fraction # schicke Bruchteil an Rotierer
ROUTE Rotierer.value_changed # falls Drehung sich aendert
TO Pyramide.set_rotation # schicke Drehwert an Pyramide
ROUTE Schieber.translation_changed # falls gedrueckter Mauszeiger bewegt wird
TO Pyramide.set_translation # schicke Translationswert an Pyramide
Abbildung 7: animation.wrl: selbständig sich drehende und interaktiv verschiebbare Pyramide
#VRML V2.0 utf8
Group { # gruppiere
children [ # folgende Objekte
DEF Taste TouchSensor{} # Beruehrungssensor Taste
DEF Pyramide Transform { # Objekt Pyramide
children[ # bestehend aus
Inline {url "pyramide.wrl"} # VRML-Welt pyramide.wrl
]
}
]
}
DEF Aktion Script { # Script mit Namen Aktion
eventIn SFBool isActive # Input-Parameter
eventOut SFRotation drehung # Output-Parameter
url [ # gespeist
"javascript: // von inline-Javascript
function isActive(eventValue) { // fuer den eventIn zustaendig
if (eventValue == true) { // falls isActive den Wert wahr hat
drehung[0] += 0.3; // drehe weiter bzgl. x-Achse
drehung[1] += 0.2; // drehe weiter bzgl. y-Achse
drehung[2] += 0.1; // drehe weiter bzgl. z-Achse
drehung[3] += 0.174444; // erhoehe Drehwinkel um 10 Grad
}
}"
]
}
ROUTE Taste.isActive # bei Beruehren der Pyramide
TO Aktion.isActive # sende Nachricht an das Script Aktion
ROUTE Aktion.drehung # vom Script Aktion erzeugter Dreh-Vektor
TO Pyramide.set_rotation # wird an die Pyramide geschickt
Abbildung 8: javascript.wrl: Rotation eines Objekts wird über Javascript manipuliert
Bei der Nutzung von Computer-Ressourcen läßt sich ein weiterer Paradigmenwechsel beobachten: Während in der EDV -Gründerzeit speziell ausgebildete Techniker am Mainframe-Computer Befehle eintippten, danach einige Jahrzehnte später Kopfarbeiter per Drag & Drop Fensterelemente manipulierten, surft inzwischen jedermann und -frau in einer weltweit vernetzten, multimedialen Landschaft. Der Kontext hat sich also von institutionell über persönlich zu sozial gewandelt.
Aus diesem Zeitgeist heraus diskutierten im April 1994 auf der 1st International WWW Conference in Genf Tim Berners-Lee, einer der Väter des WWW , mit den beiden Autoren des Systems Labyrinth, Mark Pesce und Tony Parisi, über die Möglichkeit, 3-dimensionale begehbare Welten im Internet verfügbar zu machen. Ziel sollte es sein, jedem Web-Surfer nach dem Download einer kompakten Szenenbeschreibung eine fortwährende fotorealistische Projektion zu verschaffen, wie sie sich aus seinem interaktiv wählbaren Betrachterstandpunkt ergeben würde. Als Anwendungen kommen damit alle Visualisierungsvorhaben im Bereich Architektur, Medizin und Tourismus in Frage, wo Anbieter und Nutzer räumlich getrennt sind und nun per Internet über eine standardisierte Schnittstelle das Eintauchen in virtuelle Welten möglich wird.
Es wurde eine Mailing List aufgesetzt, die schon nach wenigen Wochen mit mehr als 1000 Teilnehmern über Syntax für Strukturen, Verhalten und Kommunikation debattierte. Bereits im Oktober 1994 wurde auf der 2nd International WWW Conference in Chicago VRML 1.0 vorgestellt, ein Entwurf, der wesentlich vom Silicon Graphics System Open Inventor inspiriert war. VRML 1.0 konnte bereits geometrische Grundkörper und Polygone in einem Koordinatensystem plazieren und ihre Farbe und Materialeigenschaften spezifizieren. Auch ließen sich durch Hyperlinks Objekte beliebig im Web referieren. Abgesehen von dieser Möglichkeit der Interaktion handelte es sich allerdings um rein statische Szenen.
Diesem Manko sollte eine schnellstens eingerichtete VRML Architecture Group (VAG) abhelfen, welche Überlegungen zur Animation und zur Integration multimedialer Komponenten wie Sound und Video koordinierte. Zur 1st International VRML Conference im Dez. 1995 war es dann soweit: Als Sieger einer Ausschreibung für VRML 97 ging Moving Worlds von Silicon Graphics nach einer On-Line-Wahl mit 70 % der abgegebenen Stimmen durchs Ziel. Eine überarbeitete Syntax sorgte für die Beschreibung statischer Szenen mit multimedialen Bestandteilen, und ein neues Event-Handling-Konzept erlaubte Animation dieser Szenen sowie Interaktion mit dem Benutzer.
VRML -Szenen werden beschrieben in ASCII -Dateien mit der Endung *.wrl, welche innerhalb einer HTML -Seite mit dem EMBED-Kommando referiert werden, z.B.
<EMBED SRC="kugel.wrl" WIDTH=400 HEIGTH=300>
Ein entsprechend konfigurierter Web-Server schickt dem anfordernden Klienten als Vorspann dieser Daten den Mime-Typ VRML , worauf das zur Betrachtung installierte Plugin, z.B. Cosmo Player 2.0 von Silicon Graphics, die eingehenden Daten in eine interne Datenstruktur einliest, von wo sie zur Berechnung einer fotorealistischen Projektion immer wieder ausgelesen werden. Abbildung 1 zeigt einen Screenshot.
In welcher Weise Blickwinkel und Orientierung in der Szene modifiziert werden können, bleibt dem Plugin überlassen: Mit Mauszeiger und Keyboard-Shortcuts wandert der Benutzer durch eine virtuelle Welt, verkörpert im wahrsten Sinne des Wortes durch einen Avatar, seiner geometrischen Repräsentation, beschränkt in seiner Beweglichkeit durch physikalische Restriktionen und durch eine simulierte Schwerkraft.
VRML -Szenen sind hierarchisch aufgebaut und durch Klammerpaare strukturiert. Wichtigster Bestandteil ist der sogenannte Knoten (meistens mit großem Anfangsbuchstaben geschrieben), der ähnlich dem Record einer Programmiersprache aus Feldern verschiedenen Typs besteht (meistens klein geschrieben). Diese Felder verweisen entweder auf nicht weiter strukturierte Objektknoten oder andere Gruppenknoten, die wiederum mittels ihrer Felder verzweigen können.
Abbildung 2 zeigt den Aufbau einer Szene, in der eine Kugel mit Radius 1.5 im Ursprung des Weltkoordinatensystems plaziert wird. Die x-Richtung entspricht der horizontalen Bewegung, y beschreibt die vertikale Richtung, und z wächst auf den Betrachter zu. Der Sphere-Knoten hat dabei als einziges (optionales) Feld den Radius. Diese Kugel wird referiert über das geometry-Feld des Shape-Knotens, zuständig für die Gestaltung eines Objekts. Über das appearance-Feld wird die Materialbeschaffenheit in Form einer RGB -Farbe und eines Transparenz-Koeffizienten spezifiziert. Der Shape-Knoten wiederum ist als eins der Kinder im Transform-Knoten eingetragen, der über das translation-Feld für die Verschiebung der Kugel sorgt.
Neben den Grundbausteinen Sphere (Kugel), Box (Quader), Cone (Kegel) und Cylinder (Zylinder) lassen sich eigene geometrische Gebilde konstruieren. Bei einem IndexedFaceSet werden zunächst alle Ecken als Punkte mit 3D-Koordinaten definiert (coord in Abbildung 3). Die Oberfläche des Körpers wird dann als Menge von Seiten beschrieben, die als Polygone mit diesen Punkten angegeben werden (coordIndex). Abbildung 3 zeigt die Definition einer 5-farbigen Pyramide mit quadratischer Grundfläche.
Zur Reduktion der Dateigrößen und zur besseren Lesbarkeit lassen sich einmal spezifizierte Welten wiederverwenden. Abbildung 4 zeigt die Kombination der beiden graphischen Objekte Kugel und Pyramide, wobei die Pyramide leicht nach hinten gekippt oberhalb der Kugel positioniert wird. Ferner wurde ein Hyperlink eingerichtet, der zu einer weiteren VRML -Welt führt, sobald der Mauszeiger auf der Kugel gedrückt wird.
Bilder, Sound und Video sind wichtige Bestandteile von VRML -Welten. Mit wenigen Vokabeln lassen sich solche multimedialen Komponenten in die Szene integrieren. Dabei bieten sich zum Einfärben von Oberflächen 2-dimensionale Pixel-Bilder im JPEG -Format an oder auch Quicktime-Filme und MPEG -Dateien. Sound-Knoten werden gespeist von Wave-Dateien oder auch Midi-Files, welche wegen ihres kompakten Speicherformats besonders zum Verschicken im WWW geeignet sind. Abbildung 5 zeigt einen Quader, dessen 6 Flächen mit Texture-Mapping perspektivisch gerendert werden. In seinem Zentrum wurde eine Schallquelle positioniert, welche bei Annäherung durch den Benutzer von vorne schrittweise lauter zu hören ist.
VRML 97 bietet zahlreiche Möglichkeiten, mit denen einer Szene Dynamik und Interaktion verliehen werden kann. Die zentralen Bausteine für die hierzu erforderliche Ereignisbehandlung sind die EventIn- bzw. EventOut-Felder von Knoten, mit denen Meldungen empfangen und Zustandsänderungen weitergeschickt werden können. Es gibt Time-, Proximity-, Visibility-, Collision- und Touch-Sensoren, welche das Verstreichen einer Zeitspanne, das Annähern des Benutzers, die Sichtbarkeit von Objekten, das Zusammentreffen des Avatars mit einem Objekt und die Berührung mit dem Mauszeiger signalisieren. Verständlicherweise müssen Typ des verschickenden Ereignisfeldes und Typ des empfangenden Ereignisfeldes übereinstimmen.
Abbildung 6 zeigt die Kugel, versehen mit einem Touch-Sensor, welcher bei Mausdruck eine Nachricht an den Sound-Knoten schickt, der auf diese Weise seinen Spielbeginnzeitpunkt erhält und die zugeordnete Wave-Datei startet. Mit der Vokabel DEF werden Namen für Objekte hinterlegt, auf die dann Event-Verbindungen mit ROUTE Bezug nehmen können.
Objekte können sich in VRML bewegen, entweder selbständig oder weil der Benutzer dies zum Beispiel mit der Maus veranlaßt. Organisiert werden solche Bewegungen wiederum mit Hilfe der Ereignisbehandlung. In Abbildung 7 kann man ein Objekt mit der Maus verschieben, welches sich außerdem selbständig dreht. Genauer: Die Ziehbewegung des gedrückten Mauszeigers wird zur Manipulation der lokalen Translation eines Objekts verwendet, und das regelmäßige Verstreichen eines Zeitintervalls löst eine Nachricht an denselben geometrischen Knoten aus, der hierdurch seinen aktuellen Rotationsvektor erhält. Eine solche Konstruktion verlangt einen Orientation-Interpolator, welcher beliebige Bruchzahlen zwischen 0 und 1 auf die zugeordneten Werte seines Schlüsselintervalls abbildet, hier bestehend aus allen Drehwinkeln zwischen 0 und 3.14 (= 180 Grad beschrieben in Bogenmaß), bezogen auf die y-Achse.
Manchmal reichen die in VRML angebotenen Funktionen wie Sensoren und Interpolatoren nicht aus, um ein spezielles situationsbedingtes Interaktionsverhalten zu erzeugen. Abhilfe schafft hier der sogenannte Script-Knoten, welcher Input empfangen, Daten verarbeiten und Output verschicken kann. Beispielsweise kann eine vom Touch-Sensor geschickte Nachricht eine Berechnung anstoßen, deren Ergebnis in Form einer Translations-Nachricht an ein bestimmtes Objekt geschickt und dort zur Neupositionierung genutzt wird.
Die Formulierung des Berechnungsalgorithmus geschieht entweder durch ein Javascript-Programm, inline gelistet im Script-Knoten, oder durch eine assoziierte Java-Klasse, welche in übersetzter Form mit Dateiendung *.class lokal im Verzeichnis oder entfernt im Netz liegt. Zum Übersetzen der Java-Quelle ist das External Authoring Interface (EAI) erforderlich, welches in Form einiger Packages aus dem Verzeichnis importiert wird, in welches sie das VRML -Plugin bei der Installation deponiert hatte.
Abbildung 8 zeigt die Pyramide, zusammen mit einer JavaScript-Funktion, die bei jedem Aufruf den Drehwinkel bzgl. der y-Achse um weitere 10 Grad erhöht.
Eines der ursprünglichen Entwicklungsziele von VRML bleibt auch bei VRML 97 offen: Es gibt noch keinen Standard für Multiuser-Welten. Hiermit sind Szenen gemeint, in denen mehrere Benutzer gleichzeitig herumwandern und interagieren können. Da jedes ausgelöste Ereignis von allen Beteiligten wahrgenommen werden soll, muß ein zentraler Server den jeweiligen Zustand der Welt verwalten und den anfragenden Klienten fortwährend Updates schicken. In diesem Zusammenhang erhält der Avatar eine aufgewertete Rolle: Zusätzlich zu seiner geometrischen Räumlichkeit, die schon zur Kollisionsdetektion in einer Single-User-Szenerie benötigt wurde, muß nun auch sein visuelles Äußeres spezifiziert werden, sicherlich ein weiterer wichtiger Schritt zur Verschmelzung eines real existierenden Benutzers mit der von ihm gespielten Rolle. Spätestens hier wird klar, daß Navigation in einer VRML -Welt weit mehr bedeutet als 3D im Internet.