Informatik-Fachberichte 294 Herausgeber: W. Brauer im Auftrag der Gesellschaft fOr Informatik (GI) Reinhard MOiler (Hrsg.) 2. Workshop Sichtsysteme - Visualisierung in der Simulationstechnik Bremen, 18. / 19. November 1991 Proceedings Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest Herausgeber Reinhard MOiler Fachbereich Elektrotechnik Bergische UniversiUit, Gesamthochschule Wuppertal Fuhlrottstr. 10, W-5600 Wuppertal Tagungsveranstalter Gesellschaft fOr Informatik FG 4.1.4: Animation und Graphische Simulation ~ Krupp Atlas Elektronik GmbH, Bremen Bergische UniversiUit Gesamthochschule Wuppertal Lehrstuhl I fOr Automatisierungstechnik (Prof. Dr. Ing. J. Heidepriem) Fachgruppe Graphische Datenverarbeitung Tagungsleitung Hermann A. Hattermann Krupp Atlas Elektronik GmbH, Bremen CR Subject Classification (1991): B.2.1, C.1.1-C.1.3, C.3, 1.3.1-1.3.4, 1.3.7, J.7 ISBN-13:978-3-540-54902-4 e-ISBN-13:978-3-642-77147-7 001: 10.1007/978-3-642-77147-7 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Ta bellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder derVervielf41tigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, bei auch nur auszugsweiser Verwer tung, vorbehalten. Eine VervielUUtigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulllssig. Sie ist grunds4tzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Straf bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991 Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor 33/3140-543210 -Gedruckt auf s4urefreiem Papier Vorwort Der "2. Workshop Sichtsysteme - Visualisierung in der Simulationstechnik" findet am 18. und 19. November 1991 in Bremen statt. Er gehort zu einer Reihe von Veranstaltungen der Fachgruppe 4.1.4, Graphische Simulation und Animation, im FachausschuB 4.1, Graphische Datenverarbeitung, der Gesellschaft flir Informatik. Das Interesse dieser Fachgruppe gilt den Systemen und Verfahren der Bewegtbild-Erzeugung in allen Bereichen der graphischen Priisentation und Interaktion und damit besonders auch den Realzeit-Sichtsystemen und Simulatoren in der Luftfahrt-, Raumfahrt-und Verkehrstechnik. Eine gleichnamige Veranstaltung wurde bereits im November 1989 an der Universitat in Wuppertal mit Erfolg durchgeflihrt, und es entstand bei den Teilnehmern der Wunsch, diese Tagung regelmaBig zu wiederholen. Das Ziel des Workshops ist es, Wissenschaftlern sowie Anwendem und Entwicklem von Sichtsystemen ein gemeinsames Forum zu bieten. Hierdurch ist es moglich, den Anwendem sowohl die Problematiken als auch die Leistungsgrenzen heutiger Sichtsysteme zu verdeutlichen, den Wissenschaftlem und Entwicklem die Wtinsche aus Anwendersicht mitzuteilen und gemeinsam die technischen Moglichkeiten der niiheren Zukunft zu erortem. Die Vortragsinhalte veranschaulichen technische und konzeptionelle Probleme sowie LOsungsansatze flir Visualisierungsaufgaben in der Simulationstechnik. Sie stellen insbesondere den Stand der Technik heutiger Realzeit-Sichtsysteme flir den Einsatz in der Flug-und Fahrsimulation dar und zeigen Entwicklungstrends auf. Das Programmkomitee (H. Hattermann, Krupp Atlas Elektronik Bremen, E. Klement, FhG AGD Darmstadt, R. Moller, BUGH Wuppertal) wahlte die Beitrage nach den folgenden Themenschwerpunkten aus: Anforderungen an modeme Sichtsysteme, Technik heutiger und zukiinftiger Sichtsysteme, Datenbasiserzeugung! Modellierung. Aus dem vielfaItigen Gebiet der Anforderungen an moderne Sichtsysteme werden die Beispiele "Standardisierung von Datenbasen" und "Realitatsbezogene Visualisierung" behandelt. In einem Ubersichtsvortrag wird eine Abgrenzung zwischen realitatsbezogener Simulation und Animation prasentiert. VI Zur Technik heutiger und zukunjtiger Sichtsysteme werden in vier Beitriigen versehiedenene System-Architekturen vorgestellt. Hier werden sowohl grob granulare Multiprozessorkon zepte erfutert wie aueh die Mtlgliehkeiten fein granularer massiv-parallel-Konzepte. Die kontinuierliehe Entwieklung immer leistungsflihigerer Siehtsysteme fUr Forsehungs- und Trainingssimulatoren und aueh die damit verbundene Erweiterung der Aufgabengebiete fUr Siehtsimulation (frtiher: Flugsimulation - heute: Flug-, Fahr-, Feuerwehr-, Chirurgie- und andere Simulation) erfordern aueh stlindig verbesserte Datenbasen. Oem Thema Datenbasis erzeugung/ Modellierung sind deshalb drei Beitrage gewidmet. An dieser Stelle wird allen gedankt, ohne deren Mithilfe eine solehe Veranstaltung nieht mtlglieh ware. Besonderer Dank gilt der Firma Krupp Atlas Elektronik GmbH in Bremen und ihren beteiligten Mitatbeiterinnen und Mitarbeitern fUr die Durehfiihrung und Organisation der Tagung vor Ort. Wuppertal, im September 1991 Dr.-Ing. Reinhard Mtlller Inhaltsverzeichnis 1. Anforderungen an modeme Sichtsysteme Simulation und Animation: Konvergenz oder Divergenz? P.Lorenz ....................................................................................................................... 1 Untersuchung des Beitrages zur Tiefenwahrnehmung bei digitalen AuBensichtsystemen D. Pfeffer, A. Christidis, E. Kliirner ............................................................................... 17 Fahrsimulation -Anforderungen an das Sichtsystem bei Daimler Benz V. Schill, H. Schmieder, E. Skurski ................................................................................ .33 Standardisierung von Datenbasen fUr Sensorsyteme in Ausbildungssimulatoren der Bundeswehr und das US-Projekt 2851 D. Steinkamp, H. Holthusen .......................................................................................... .34 2. Technik heutiger und zukiinftiger Sichtsysteme Einsatzmoglichkeit massiv-paralleler Rechner in der Sichtsimulation R. Moller ...................................................................................................................... .46 Sichtsimulation bei Volkswagen M. Goldapp .................................................................................................................... 57 Visualisierung mit dem i860-Mikroprozessor W.Kuss .......................................................................................................................... 64 Das Systemkonzept des ESIG 4000 -Bildgenerators J. Milliner ...................................................................................................................... 75 3. Datenbasiserzeugung/ Modellierung Konzept eines Modelliersystems fUr Simulatordatenbasen R.Last ........................................................................................................................... 83 Interaktive StraBenmodellierung fiir Fahrsimulatoren A. Schaar ..................................................................................................................... 100 Application Visualization System (A VS) M. Berger .................................................................................................................... 110 Simulation und Animation: Konvergenz oder Divergenz? P. Lorenz Institut fUr Simulation und Graphik Technische UnivelSWit Magdeburg Abstract: Simulation wird heute nur akzeptiert, wenn Modelle, Prozesse und Resultate graphisch und geometrisch ahnlich prasentiert werden. Andererseits gewinnt die Computeranimation an Realitl1tstreue und wird effektiv, wenn sie sich auf Modelle ihrer Aktoren stOtzt und deren Bewegung simulieren kann. Der \A:)rtrag sucht am Beispiel von Simulationsanwendungen nach Antworten auf die mit dem Thema formulierte Frage. 1. Geschichte und Begriffsentwicklung Simulation und Animation (S & A) sind Worter. deren Wurzeln man im Lateinischen findet. Fur beide hat sich in den letzten Jahrzehnten ein Bedeurungswandel vollzogen. 1.1. Geschichte der Wortbedeutungen In alteren Worterbtichem ist Simulation ein Begriff. der tiberwiegend mit negativen Werten belastet ist: Wort Sprache Bedeutung simulatio lateinisch Verstellung. Vorwand simulator Nachahmer. Heuchler simulate englisch vortiiuschen.vorgeben. ahneln. nachahmen simuler franzosisch heucheln. erdichten. tingieren. verstellen simulieren deutsch vortiiuschen. nachsinnen Simulation Vortiiuschung von Krankheit Demgegentiber ist Animation in der Welt des Guten angesiedelt. wie die folgenden Ausztige aus Worterbtichem belegen: anima lateinisch Atem. Seele. Leben animer franzosisch Seele einhauchen. beleben. Mut fassen. erroten animation Beseelung. Belebung animar spanisch beseelen. beleben. leben. wohnen animieren deutsch beleben. anregen Animator Puppenfiihrer bei der Trickfilmproduktion animate cnglisch breath life into. give appearence of movement by using quick succession of gradually varying drawings Wenn man der aktuellen Bedeutung dieser beiden Worte nachgeht. findet man im popuiarwissenschaftlichen Bereich mitunter tiberhaupt keine Differenzierung zwischen Simulation und Animation. Zwnindest im Rahmen dieser Publikation soli gelten: Animation ist synthetische oder ktinstliche Visualisierung dynamischer Systeme. Simulation ist Konstruktion und Nutzung von Modellen dyna mischer Systeme. Dynamisc/z heiBt hier zeitlich veranderlich. 2 Simulation und Animation (S & A) konnen den Computer als Werkzeug nutzen. Computerunterstiitzte S & A sind Gegenstand dieses Beitrages. 1m iibrigen ist im fo~geJhden generell die diskrete ereignisorientierte Simulation gemeint. 1.2. Geschichte von S & A Die Geschichte der Animation HiBt sich bis in die erste Halfte des vorigen Jahrhunderts zuruckverfolgen. Das Phantoskop oder Phanakistoskop soll nach [ThaI86] im Jahr 1831 von dem Franzosen Josephe Antoine Plateau erfunden worden sein. ~~inanftoffo~' (~f)antoitop, griecO., »~iiu" id}ungsicflauer«, au~ it roo 0 ff 0 P i i d) e S cf) ci b c, ~ un be rid} c i b c), optii djel' ~lppm:at, bel: pd} aUf bie :Dauer bcs£icbt~ einbt:ucfcs illt ~luge (llngefCifJr Eetunbe) 1/7 gt:iinbet. :!:laS~. bejrci)t aus cinct Unblll:d}ii~tigen 6d}eibe (trig. I), an beren 11m" fang cine ~{n3al)! £od}er ange. bra~t ;tnb. ~(llf bicfel: 6d}eioc iit cine 3lDeite, Uei~ ltere oerejtigt, aUf we!cf)er ir~ genb ein~orpel:, 5.58. ein ~ellbel, in jo nie! ltUfeil\~ anber ro!genben EteUungen, wie 2od}er l>Orl)all~ &ig. 1. 6 t rob 0 ff 0 l' if ~ c (5 ~ ti b e- ben iinb, barge~ item iit. Bild 1: Das Phantoskop (1831) Die Trickfilmproduktion wurde vor dem ersten Weltkrieg begonnen und Ende der zwanziger Jahre durch die Walt-Disney-Produktionen welt bekannt. Bis etwa 1960 war Animation eine Methode, die den Eindruck von Bewegung durch Fotos einer Folge gezeichneter Bilder erzeugt. Etwa seit 1960 beginnt "computerunterstiitzte Animation" Computer werden benutzt, 3 Entwicklung von Simulation und Animation - - 1831 Phantoskop - - 1910 Trickfilm - Monte-Carlo- f- 1950 Methode computerunter- erste - - 1960 Simulations- stOtzte Animation systeme Bewegte Bilder -- 1970 simulierter Prozesse Computerspiele "Modellierte" -f- 1975 Animation Animationskomp. von Animationssysteme Simulationssystemen: z.B. Story Board™ - - GPSS- PCl"M 1985 CINEMATM AutodeskAnimator™ TESSTM ALiASTM TAYLORTM SkyWriter™ (IRIS) -- 1991 "modellgetriebene" "scriptgetriebene" • Animation ~ Bild 2: Entwicklung von Simulation und Animation urn Zwischenbilder (inbetweens) zwischen handgezeichneten Schltisselbildem (key frames) zu generieren oder urn gezeichnete Flachen mit Farben oder Mustem zu fUllen. In den siebziger Jahren beginnt die 4 Nutzung von 3D-Objektmodellen und kinematischen ProzeBmodellen. Damit wird hahere Realitatstreue erreichbar und der Computer wird ein zentrales Werkzeug der Animation. Der Gesamtablauf, die Handlung des Films sind nach wie vor vom Autor im Script und im Drehbuch festgelegt Eine andere Klasse von ProzeBmodellen liefert seit Mitte der fUnfziger Jahre die diskrete ereignisorientierte Simulation. Ihre Modelle beschreiben das Zusammenwirken zeitlich parallel laufender Teilprozesse. Anfangs zustandsbeschreibung und Regeln fUr den Ablauf und die Interaktion von Prozessen werden mit Simulationssprachen beschrieben. Niemand kann den tatsachlichen Ablauf vorausbestimmen. Seine Beobachtung und Analyse ist Ziel der Simulation, mit der man neue Erkenntnisse fiber simulierte Prozesse gewinnt. Die Resultate werden protokolliert und in alphanumerischer Fonn ausgegeben. Ende der sechziger Jahre tauchen die ersten graphischen Resultatdarstellungen [DJA69] und bald danach auch erste Berichte fiber die Erzeugung beweglicher ProzeBbilder auf [Reit71]. I I::~f .7 fm.Tl1 LliJ 31L 31~ 23 RUNWAY ....N CUEHT RUNWAY ARiANCUEHT ",PGTHETICAL AlR'GRT HTPGTHETICAL AIRPORT (aJ (bJ Bild 3: Bewegte Bilder simulierter Prozesse: Flughafen (1970) Ebenfalls ohne Script und Drehbuch entstehen die beweglichen Bildfolgen von Computerspielen Mitte der siebziger Jahre treten sie zuerst als Tele spiele auf und finden schnell ein groBes Publikum. Die Interaktion des Spielers mit dem Spielprogramm fUhrt in jedem Spiel zur Erzeugung neuer Bildfolgen. Die Entwicklung scriptgesteuerter, programmgesteuerter und interaktiver Animation wird seit Mitte der siebziger Jahre immer deutlicher durch die Qualitat ihrer Objekt- und ProzeBmodelle bestimmt.