Entwicklungsunterstützung für interaktive 3D-Anwendungen. Ein modellgetriebener Ansatz.

253 Pages·2008·5.77 MB·German

by  Arnd Vitzthum

Entwicklungsunterstützung für
interaktive 3D-Anwendungen
Ein modellgetriebener Ansatz
Arnd Vitzthum
München 2008

Entwicklungsunterstützung für
interaktive 3D-Anwendungen
Ein modellgetriebener Ansatz
Arnd Vitzthum
Dissertation
an der Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
der Ludwig–Maximilians–Universität
München
vorgelegt von
Arnd Vitzthum
aus Dresden
am 2. Juni 2008
Erstgutachter: Prof. Dr. Heinrich Hußmann
Zweitgutachter: Prof. Dr. Morten Fjeld (TU Chalmers, Schweden)
Tag der mündlichen Prüfung: 7. Juli 2008
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung xv
Summary xvii
1 Einführung 1
1.1 Zielstellungen der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Interaktive 3D-Anwendungen 5
2.1 Begriffsfestlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Anwendungsdomänen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Fachliche Domänen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Fachübergreifende Domänen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Interaktivität in 3D-Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Einbindung von 3D-Inhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Standard-3D-Formate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 Entwicklung von 3D-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.1 Rollen im 3D-Entwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7 Integration von Programmcode und 3D-Inhalten . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Modellgetriebene Entwicklung 23
3.1 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Visuelle Modellierungssprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Metamodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1 Die vier Ebenen der Metamodell-Hierarchie nach der OMG . . . . . 25
3.4 Technical Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5 Domänenspezifische Sprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5.1 Abstrakte und konkrete Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5.2 Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 Modell-zu-Code-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.7 Domänenspezifische Entwicklung von Software . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.8 Initiativen und Werkzeuge zur MDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.8.1 Model Driven Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
v
vi INHALTSVERZEICHNIS
3.8.2 Software Factories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.9 MDD im Kontext der vorliegenden Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Der Ansatz SSIML im Überblick 35
4.1 Komponenten der SSIML-Sprachfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Abbildung von SSIML-Modellen auf Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Designkriterien für Sprachen der SSIML-Familie . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Werkzeugunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 SSIML 41
5.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1.1 Entwurfszeit und Laufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1.2 Komponenten eines SSIML-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Szenenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.1 Einfaches Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.2 Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.3 Notation von Szenenmodellelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 Interrelationenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.1 Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.2 Notation von Interrelationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4 Kommentare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.1 Szenenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.5.2 Interrelationenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.6 Modell-Code-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6.1 Abbildung von Szenenmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6.2 Abbildung von Interrelationenmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.7 Verwandte Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6 SSIML/Tasks 97
6.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.1 Taskflow-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.2 Task-Constrained Edges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4 Modell-Code-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5 Verwandte Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 SSIML/Behaviour 105
7.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.1 Verhalten graphischer Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
INHALTSVERZEICHNIS vii
7.1.2 UML 2-Zustandsautomaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2 Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.1 Verhalten und Verhaltensdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.2 Behaviour-Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.3 Funktionen, Prozeduren und Ereignisse . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.2.4 Animationen in SSIML/Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2.5 Verknüpfung von Animationszuständen und Attributen . . . . . . . 119
7.2.6 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.3 Modell-Code-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.3.1 Abbildung eines Behaviour-Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.3.2 Abbildung einer Verhaltensdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.4 Verwandte Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8 SSIML/Components 135
8.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.2 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.3 Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.3.1 Einfache und komplexe Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.3.2 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.3.3 Interrelationenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.4 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.5 Modell-Code-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.5.1 Abbildung von SSIML-Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.5.2 Abbildung von SSIML-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.6 Verwandte Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9 SSIML/AR 165
9.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.1.1 Anwendungsbereiche von AR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.1.2 Hardware und Technologien zur Realisierung von AR . . . . . . . . 168
9.1.3 Konzepte zur Beschreibung von Elementen eines AR-UIs . . . . . . 170
9.2 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9.3 AR-Szenenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.4 AR-Interrelationenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.5 Modell-Code-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
9.5.1 Abbildung von AR-Szenenmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.5.2 Abbildung von AR-Interrelationenmodellen . . . . . . . . . . . . . . 179
9.6 Verwandte Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
viii Inhaltsverzeichnis
10 SSIML-Entwicklungsprozess 187
10.1 Reverse- und Roundtrip-Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
11 Evaluierung 191
11.1 Experteninterviews . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
11.1.1 Ablauf der Befragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
11.1.2 Ergebnisse der Befragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
11.1.3 Zusammenfassung der Interviews und resultierende Arbeiten . . . . 196
11.2 Einzelfallstudien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11.3 Projektfallstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
11.3.1 Praktikumsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
11.3.2 Projektergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
11.3.3 Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12 Zusammenfassung und Ausblick 207
12.1 Kapitelzusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
12.2 Beiträge der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
12.2.1 Wichtige Vorteile des Ansatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
12.3 Offene Fragestellungen und zukünftige Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . 211
Literaturverzeichnis 231
Danksagung 233
Lebenslauf 235
Abbildungsverzeichnis
2.1 Screenshots interaktiver 3D-Anwendungen (I) . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Screenshots interaktiver 3D-Anwendungen (II) . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Screenshots interaktiver 3D-Anwendungen (III) . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Screenshots interaktiver 3D-Anwendungen (IV) . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Screenshots interaktiver 3D-Anwendungen (V) . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Der grundlegende 3D-Entwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Kommunikationsbeziehungen zwischen Rahmenanwendung und Szene . . . 21
3.1 Zusammenhänge zwischen (Meta-)Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Die vier Ebenen der Metamodell-Hierarchie nach der OMG . . . . . . . . . 25
3.3 Technical Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 Komponenten der SSIML-Sprachfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1 Entwicklungsunterstützung für 3D-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Komponenten eines SSIML-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Zusammenhang zwischen SSIML-Modellen und Modell-Instanzen . . . . . 45
5.4 Einfaches Szenenmodell eines Fahrrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.5 Farbliche Kennzeichnungen von SSIML- und UML-Meta-Klassen . . . . . . 46
5.6 Typen von Elementen des Szenenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.7 Vererbungshierarchie der Knoten-Meta-Klassen . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.8 Beziehungen zwischen Knoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.9 Variante des Fahrradbeispiels mit Primär- und Sekundärkanten . . . . . . . 48
5.10 Die Metamodellklasse ContentTypeDefinition . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.11 Zusammenhang zwischen ComposedNode und SubgraphDefinition . . . . 51
5.12 Variante des Fahrradbeispiels mit einem Kompositionsknoten . . . . . . . . 51
5.13 Beispiel einer Kompositionshierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.14 Zusammenhang zwischen ComposedNode und CNChildRelationship . . . . 53
5.15 CNChildRelationship und abgeleitete Meta-Klassen . . . . . . . . . . . . 53
5.16 Knoteninstanzbezogene Attribute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.17 Fahrradbeispiel: Angabe von Multiplizitäten und Instanznamen . . . . . . 56
5.19 Knotenattribute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.18 Fahrradbeispiel: Objektknoten mit Transformationsattribut . . . . . . . . . 56
ix
x ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.20 Vererbungshierarchie von Attributtypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.21 Attribute von Scene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.22 Attribute von atomaren Knoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.23 Listenattribute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.24 Attribute von Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.25 Beispiel eines Szenenmodells und einer Instanz des Modells . . . . . . . . . 62
5.26 Bestandteile des Interrelationenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.27 Die Meta-Klasse InterRelationshipElement und ihre Unterklassen . . . . 71
5.28 Aktionsbeziehungen zwischen Klassen und Knoten . . . . . . . . . . . . . . 73
5.29 Aktionsbeziehungen zwischen Klassen und Attributen . . . . . . . . . . . . 73
5.30 Ein einfaches Beispiel für Interrelationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.31 Ereignisbeziehungen zwischen Sensoren und Klassen . . . . . . . . . . . . . 74
5.32 Repräsentationsbeziehungen zwischen Klassen und Knoten . . . . . . . . . 75
5.33 Notation von Interrelationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.34 Kommentierung von Modellelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.35 Benutzungsschnittstelle des Fahrzeugkonfigurators . . . . . . . . . . . . . . 78
5.36 Ausschnitt aus dem Klassendiagramm des Fahrzeugkonfigurators . . . . . . 79
5.37 Die Subgraphendefinition BodyComposite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.38 Das SSIML-Szenenmodell des Fahrzeugkonfigurators . . . . . . . . . . . . . 81
5.39 SSIML-Interelationenmodell des Fahrzeugkonfigurators . . . . . . . . . . . 82
5.40 Integrator3D-Framework und generierte Klassen . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.1 Ausschnitt aus dem SSIML/Tasks-Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Beispiel eines Taskflow-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.1 Behaviour, BehaviourDefinition und BehaviourRelationship . . . . . 110
7.2 Beziehung zwischen ApplicationClass und Behaviour . . . . . . . . . . . 110
7.3 Beziehung zwischen Sensor und Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.4 Interrelationenmodell mit Verhaltensobjekt . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.5 Behaviour-Engine im Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.6 Behaviour-Engine-Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.7 Signale als Bestandteile eines SSIML/Behaviour-Modells . . . . . . . . . . 113
7.8 Hierarchie der AnimationState-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.9 Beispiel einer Behaviour-Engine mit RBAnimationState-Zuständen . . . . 118
7.10 Beispiel für parallele Animationsabläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.11 Abbildung der Verhaltensdefinition HoodBehaviour auf Code . . . . . . . . 124
8.1 Benutzungsschnittstelle der Motorroller-Produktvisualisierung . . . . . . . 137
8.2 Containment-Hierarchie der Elemente des SSIML/Components-Metamodells 138
8.3 Einfache und komplexe Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.4 ComplexType und in Beziehung stehende Elemente des Metamodells . . . . 139
8.5 Die komplexen Typen Hue, Brightness und HSBColour . . . . . . . . . . . 140
8.6 Component und ComponentInstance im Metamodell . . . . . . . . . . . . 143