PDF de programación - Tutor - Java 3D

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Modelado Gráfico - Java 3D

El API Java 3D es un interface para escribir programas que muestran e interactuan
con gráficos tridimensionales. Java 3D es una extensión estándard del JDK 2 de
Java. El API Java 3D proporciona una colección de constructores de alto-nivel para
crear y manipular geometrías 3D y estructuras para dibujar esta geometría. Java
3D proporciona las funciones para creación de imágenes, visualizaciones,
animaciones y programas de aplicaciones gráficas 3D interactivas.
¿Qué es el API 3D de Java?

El API 3D de Java es un árbol de clases Java que sirven como interface para
sistemas de renderizado de gráficos tridimensionales y un sistema de sonido. El
programador trabaja con constructores de alto nivel para crear y manipular objetos
geométricos en 3D. Estos objetos geométricos residen en un universo virtual, que
luego es renderizado. El API está diseñado con flexibilidad para crear universos
virtuales precisos de una ámplia variedad de tamaños, desde astronómicos a
subatómicos.

A pesar de toda esta funcionalidad, el API es sencillo de usar. Los detalles de
renderizado se manejan automáticamente. Aprovechándose de los Threads Java, el
renderizador Java 3D es capaz de renderizar en paralelo. El renderizador también
puede optimizarse automáticamente para mejorar el rendimiento del renderizado.

Un programa Java 3D crea ejemplares de objetos Java 3D y los sitúa en un
estructura de datos de escenario gráfico. Este escenario gráfico es una composición
de objetos 3D en una estructura de árbol que especifica completamente el
contenido de un universo virtual, y cómo va a ser renderizado.

Los programas Java 3D pueden escribirse para ser ejecutados como aplicaciones
solitarias o como applets en navegadores que hayan sido extendidos para soportar
Java 3D, o ámbos.
¿Qué Software se Necesita?

Te aconsejo que te des una vuelta por la Home Page de Java 3D en Sun:
http://java.sun.com/products/java-media/3d

Índice de Contenidos

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Empezar con Java 3D
Crear Geometrías en Java 3D
Crear Contenidos Sencillos en Java 3D
Interacción en Java 3D
Animación en Java 3D
Iluminación en Java 3D
Texturas en Java 3D

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Empezar con Java 3D

El API Java 3D

Todo programa Java 3D está, al menos, parcialmente ensamblado por objetos del
árbol de clases Java 3D. Esta colección de objetos describe un universo virtual, que
va a ser renderizado. El API define unas 100 clases presentadas en el paquete
javax.media.j3d.

Hay cientos de campos y métodos en las clases del API Java 3D. Sin embargo, un
sencillo universo virtual que incluya animación puede construirse con unas pocas
clases. Este capítulo describe un conjunto mínimo de objetos y sus interacciones
para renderizar un universo virtual.

Esta página incluye el desarrollo de un sencillo pero completo programa Java 3D,
llamado HelloJava3Dd.java, que muestra un cubo giratorio. El programa de ejemplo
se desarrolla de forma incremental, y se presenta en varias versiones, para
demostrar cada parte del proceso de programación Java 3D.

Además del paquete corazón de Java 3D, se usan otros paquetes para escribir
programas Java 3D. Uno de estos paques es com.sun.j3d.utils el que normalmente se
referiere como clases de utilidades de Java 3D. El paquete de las clases corazón
incluye sólo las clases de menor nivel necesarias en la programación Java 3D.

Las clases de utilidades son adiciones convenientes y poderosas al corazón. Estas
clases se dividen en cuatro categorías: cargadores de contenidos, ayudas a la
construcción del escenario gráfico, clases de geometría y utilidades de conveniencia.

Al utilizar las clases de utilidades se reduce significativamente el número de líneas de
código en un programa Java 3D. Además de las clases de los paquetes corazón y de
utilidades de Java 3D, todo programa 3D usa clases de los paquetes java.awt y
javax.vecmath. El paquete java.awt define el "Abstract Windowing Toolkit" (AWT). Las
clases AWT crean una ventana para mostrar el renderizado. El paquete javax.vecmath
define clases de vectores matemáticos para puntos, vectores, matrices y otros
objetos matemáticos.

En el resto del texto, el término objeto visual se utilizará para referirnos a un
"objeto del escenario gráfico" (por ejemplo, un cubo o una esfera). El término
objeto sólo se usará para referirse a un ejemplar de una clase. El término
contenido se usará para referirnos a objetos visuales en un escenario gráfico como
un todo.

Construir un Escenario Gráfico

Un universo virtual Java 3D se crea desde un escenario gráfico. Un escenario gráfico
se crea usando ejemplares de clases Java 3D. El escenario gráfico está ensamblado
desde objetos que definen la geometría, los sonidos, las luces, la localización, la
orientación y la apariencia de los objetos visuales y sonoros.

Una definición común de un escenario gráfico es una estructura de datos compuesta
de nodos y arcos. Un nodo es un elemento dato y un arco es una relación entre
elementos datos. Los nodos en un escenario gráfico son los ejemplares de las clases
Java 3D. Los arcos representan dos tipos de relaciones entre ejemplares Java 3D.

La relación más común es padre-hijo. Un nodo Group puede tener cualquier número
de hijos, pero sólo un padre. Un nodo hoja sólo puede tener un padre y no puede
tener hijos. La otra relación es una referencia. Una referencia asocia un objeto
NodeComponent con un nodo del escenario gráfico. Los objetos NodeComponent
definen la geometría y los atributos de apariencia usados para renderizar los objetos
visuales.

Un escenario gráfico Java 3D está construido de objetos nodos con relaciones
padre-hijo formando una estructura de árbol. En una estructura de árbol, un nodo es
el raíz. Se peude acceder a otros nodos siguiendo los arcos desde el raíz. Los nodos
de un árbol no forman bucles. Un escenario gráfico está formado desde los árboles
con raíces en los objetos Locale. Los NodeComponents y las referencias a arcos
no forman parte del escenario gráfico.

Sólo existe un camino desde la raíz de un árbol a cada una de las hojas; por lo tanto,
sólo hay un camino desde la raíz hasta el escenario gráfico de cada nodo hoja. El
camino desde la raíz de un escenario gráfico hasta una hoja especificada es el
camino al escenario gráfico del nodo hoja. Como un camino de un escenario gráfico
trata exactamente con un sola hoja, hay un camino de escenario gráfico para cada
hoja en el escenario.

Todo camino de escenario gráfico en un escenario gráfico Java 3D especifica
completamente la información de estado de su hoja. Esta información incluye, la
localización, la orientación y el tamaño del objeto visual. Consecuentemente, los
atributos visuales de cada objeto visual dependen sólo de su camino de escenario
gráfico. El renderizador Java 3D se aprovecha de este echo y renderiza las hojas en
el orden que él determina más eficiente. El programador Java 3D normalmente no
tiene control sobre el orden de renderizado de los objetos.

Las representaciones gráficas de un escenario gráfico pueden servir como
herramienta de diseño y/o documentación para los programas Java 3D. Los
escenarios gráficos se dibujan usando símbolos gráficos estándards como se ve en la
Figura 1-1. Los programas Java 3D podrían tener más objetos que los que hay en su
escenerio gráfico.

Para diseñar un universo virtual Java 3D se dibuja un escenario gráfico usando un

conjunto de símbolos estándard. Después de completar el diseño, este escenerio
gráfico es la especificación para el programa. Después de completar el programa, el
mismo escenario gráfico es una representación concisa del programa (asumiendo
que se siguió la especificación).

Figura 1-1. Símbolos que Representan Objetos en un Escenario Gráfico

Cada uno de los símbolos mostrados al lado izquierdo de la Figura 1.1 representa un
sólo objeto cuando se usa en un escenario gráfico. Los dos primeros símbolos
representan objetos de clases específicas: VirtualUniverse y Locale. Lo siguientes
tres símbolos de la izquierda representan objetos de las clases Group, Leaf, y
NodeComponent. Estos tres símbolos normalmente tienen anotaciones para indicar
la subclase del objeto específico. El último símbolo se usa para representar otras
clases de objetos.

El símbolo de la flecha sólida representa una relación padre-hijo entre dos objetos.
La flecha punteada es una referencia a otro objeto. Los objetos referenciados pueden
ser compartidos entre diferentes ramas de una escenario gráfico. En la Figura 1-2,
podemos ver un sencillo escenerio gráfico:

Figura 1-2. Primer Ejemplo de Escenario Gráfico

Es posible crear un escenario gráfico ilegal. Podemos ver uno en la Figura 1-3. Este
escenario es ilegal porque viola las propiedades de un DAG. El problema son los dos
objetos TransformGroup que tienen al mismo objeto Shape3D como hijo.
Recuerda que una hoja sólo puede tener un padre. En otras palabras, sólo puede
haber un camino desde el objeto Locale hasta la hoja (o un camino desde la hoja
hasta el objeto Loale).

Podríamos pensar que la estructura mostrada en la figura 1-3 define tres objetos
visuales en un universo virtual. Pero el escenario gráfico define dos objetos visuales
que re-usan el objeto visual (Shape3D) del lado derecho de la figura.
Conceptualmente, cada objeto TransformGroup que apadrina al ejemplar
compartido de Shape3D podría situar una imagen en el objeto visual en diferentes
localizaciones. Sin embargo, es un escenario gráfico ilegal porque el arco padre-hijo
no forma un árbol. En este ejemplo, el resultado es que el objeto Shape3D tiene
más de un padre.

Las explicaciones del árbol y de las estructuras DAG son correctas. Sin embargo, el
sistema de ejecución Java 3D reporta el error en términos de la relación hijo-padre.
Un resultado de la limitación de la estructura de árbol es que cada objeto Shape3D
está limitado a un sólo padre. Para el ejemplo de la Figura 1-3, se lanz