Informazioni sull`applet - Dipartimento di Informatica

Università degli Studi di Bari
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
Corso di Laurea in Informatica Specialistica
Esame di
Informatica Grafica
IILLLLUUM
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3D
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Bruno Carla
Palmisano Grazia
Paternoster Maria Giuseppa
Prof.ssa Laura Caponetti
Anno Accademico 2006/2007
1
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2
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Lo scopo del sistema è quello di visualizzare un oggetto tridimensionale
evidenziando le interazioni tra le luci e la superficie tenendo conto della natura
di più radiazioni luminose incidenti.
Tutto il sistema è stato realizzato utilizzando Java3D e la possibilità che esso
offre di definire diversi tipi di luce.
In java3d esistono diversi tipi luci. L’Ambient Light fornisce luce della stessa
intensità in tutte le locazioni e in tutte le direzioni. Rappresenta un modello
della luce riflessa dagli altri oggetti dell’ambiente. La ambient light viene in
genere usata per illuminare gli oggetti visuali quando non ci sono altre luci o
nelle loro zone di ombra. La Diretional Light approssima fonti di luce distanti,
come il sole, con raggi che possiedono tutti la stessa direzione. Il vettore L
(luce) è costante. La Point Light è una sorgente di luce puntiforme che invia i
suoi raggi in tutte le direzioni. L’intensità della luce diminuisce con la distanza
e il punto di luce è collocato dello spazio.I vettori luce non sono paralleli. La
Spot Light (riflettore) è una sottoclasse di PointLight. Aggiunge una direzione e
una concentrazione alla posizione e all’attenuazione di un punto luce. La luce
viene irradiata all’interno di un certo angolo di diffusione. Un oggetto visuale
può risultare parzialmente illuminato da una Spot Light.
L’oggetto tridimensionale è stato realizzato con un file di formato OBJ che
viene caricato attraverso una classe loader. In java3D esistono diversi tipi di
classi loader. Di seguito riportiamo l’elenco dei loader tutt’oggi disponibili:
File
Format
3DS
COB
DEM
DXF
IOB
LWS
Description
3D-Studio
Caligari trueSpace
Digital Elevation Map
AutoCAD Drawing Interchange File
Imagine
Lightwave Scene Format
NFF
OBJ
PDB
PLAY
SLD
VRT
VTK
WRL
WorldToolKit NFF format
Wavefront
Protein Data Bank
PLAY
Solid Works (prt and asm files)
Superscape VRT
Visual Toolkit
Virtual Reality Modeling Language
Nel nostro progetto è stato utilizzato il formato obj di Wavefront.
In Java3d
FFOORRM
OO
ATTO
MA
OBBJJ
Il formato Obj definisce la geometria e altre proprietà per gli oggetti nel
Visualizzatore Avanzato di Wavefront. Il file Object può essere usato per
trasferire dati geometrici da un applicazione all’altra. E’ utilizzato per
memorizzare e scambiare dati 3D ed è uno standard utile per rappresentare
dati poligonali in formato ASCII (.obj) oppure in formato binario (.mod). Il
formato .obj supporta sia gli oggetti poligonali che gli oggetti free-form. La
geometria poligonale usa punti, linee, facce per definire oggetti, mentre la
geometri free-form usa curve e superfici.
Struttura del file
I seguenti tipi di dati con le loro rispettive parole chiave possono essere inclusi
all’interno di file .obj. Ne descriviamo alcuni utilizzati dal file obj caricato nel
progetto (dragon.obj):
1.
Vertex data
I vertici sono definiti da quattro coordinate di vertici:
a.
vertici geometrici (v);
Sintassi: v x y z w (istruzione per geometrie poligonali e free form)
x y z sono le coordinate x, y, and z per i vertici. Sono numeri floating point
che definiscono la posizione del vertice nelle tre dimensioni.
4
w è il peso richiesto per curve e superfici razionali. Se non è specificato
nessun valore per w, il default è 1.0.
b.
vertici della texture (vt);
Sintassi: vt u v w (istruzione per geometrie poligonali e free form).
Specifica il vertice della texture e le sue coordinate. Una texture 1D richiede
solo una coordinata texture u, una texture 2D richiede sia la coordinata u
che v, una texture 3D richiede tutte e tre le coordinate:
u è il valore per la direzione orizzontale della texture;
v è un argomento opzionale ed è il valore della direzione verticale della
texture il cui default è 0;
w è un argomento opzionale ed è il valore della profondità della texture il
cui valore di default è 0.
c.
normali ai vertici (vn);
Sintassi:vn i j k (istruzione per geometrie poligonali e free form).
Specifica un vettore normale con componenti i,j,k. Le normali del vertice
influiscono sul smooth shading e sul rendering della geometria. Per i
poligonile normali del vertice vengono usate al posto delle normali delle
facce reali. Per le superfici, le normali del vertici sono interpolate sull’intera
superficie e sostituiscono la normale della superficie analitica reale. Quando
le normali del vertice sono presenti, esse sostituiscono i gruppi di
smoothing.
i, j e k sono le coordinate per la normale del vertice e sono numeri floating
point.
d.
vertici dello spazio parametrico (vp);
Sintassi: vp u v w (istruzione per geometrie free form).
Specifica un punto nello spazio parametrico di una curva o superficie. Punti
speciali per le curve richiede un punto di controllo 1D (solo u) nello spazio
parametrico della curva. Punti speciali per le superfici richiedono un punto
2D (u e v) nello spazio parametrico della superficie. Punti di controllo per
5
curve non razionali richiedono le coordinate u e v. punti di contrololo per
curve razionali richiedono le coordinate u, v e w (peso).
u è un punto nello spazio parametrico di una curva o la prima coordinata
nello spazio parametrico di una superficie;
v è la seconda coordinata nello spazio parametrico di una superficie;
w è il peso richiesto per le curve razionali e il suo valore di default è 1.0.
2.
Elementi
a. face (f);
Sintassi: f
v1/vt1/vn1
v2/vt2/vn2
v3/vt3/vn3 . . .(istruzione per la
geometria poligonale).
Specifica un elemento face e il suo numero di riferimento del vertice.
Opzionalmente si può includere il vertice di texture e i numeri di riferimento
della normale del vertice. I numeri di riferimento per i vertici, i vertici della
texture, e le normali dal vertice devono essere separate da slash (/). Non
c’è spazio tra il numero e lo slash.
v è il numero di riferimento per un vertice in un elemento face. Sono
richiesti minimo tre vertici,
vt è un argomento opzionale ed è un numero di riferimento per un vertice
della texture nell’elemento face. Segue sempre il primo slash,
vn è un argomento opzionale ed è il numero di riferimento per la normale di
un verticedell’elemento face. Esso deve semore seguire il secondo slash.
Gli elementi face usano le normali della superficie per indicare il loro
orientamento. Se i vertici sono ordinati in senso antiorario intorno al face,
sia il face che la normale punteranno all’osservatore. Se il vertice è ordinato
in senso orario, entrambi punteranno lontano dall’osservatore. Se vengono
assegnati le normali del vertice, essi punteranno nella direzione generale
della normale della superficie, altrimenti si otteranno risultati imprevedibili.
Se un face ha una texture map assegnato e non ci sono vertici di texture
assegnati nella istruzione f , la texture map è ignorata quando l’elemento è
visualizzato.
6
3.
Gruppi
a. group name (g);
Sintassi: g group_name1 group_name2 . . . (istruzione per geometrie
poligonali e free form)
Specifica il nome del gruppo per gli elementi che lo seguono.E’ possiblile
avere nomi di gruppi multipli. Se ci sono gruppi multipli su un'unica linea, i
dati che lo seguono appartengono a tutti i gruppi. L’informazione del gruppo
è opzionale.
group_name è il nome del gruppo. Lettere, numeri e combinazioni di lettere
e numeri sono accettati per il nome del gruppo. Il valore di default per il
nome del gruppo è “default”.
b. smoothing group (s);
Sinatssi s group_number (istruzione per geometrie poligonali e free form).
Imposta lo smoothing group per gli elementi che lo seguono. Se non si
vuole usare uno smoothing group, non sia specificato o venga avvalorato
con 0. Per visualizzare con lo smooth shading, si deve creare le normali del
vertice dopo che è stato assegnato gli smoothing groups. Si possono creare
le normali dei vertici con l’istruzione vn.
4.
Attributi di display/render
a. Material name (usemtl);
Sintassi: usemtl material_name (istruzione per geometrie poligonali e freeform).
Specifica il nome del materiale per l’elemento che lo segue. Una volta che il
materiale viene assegnato esso non può essere cancellato ma può essere
solo cambiato.
Material name è il nome del materiale. Se il nome non è specificato viene
usato un materiale di colore bianco.
b. Material library (mtllib);
7
Sintassi:
mtllib filename1 filename2 . . . (istruzione per geometrie
poligonali e free-form).
Specifica il file di libreria per la definizione dei materiali impostati con
l’istruzione usemtl. Si possono specificare filename multipli con mtllib. Se
filename multipli sono specificati il primo file elencato viene cercato prima
della definizione del materiale, il secondo file viene cercato di seguito e così
via. Non c’è nessun defaults.
SSCCEENNEE G
GRRAAPPHH
SceneGraph è la struttura dati, utilizzata per memorizzare, organizzare e
render l‘informazione di una scena (oggetti, materiali, luci...).
Un grafo è una struttura dati composta da nodi ed archi:i nodi in uno scene
graph sono oggetti Java3D mentre gli archi rappresentano due diversi tipi di
relazione tra oggetti, la relazione parent–child e la relazione reference.
In una relazione parent-child un nodo può avere più successori, ma un solo
predecessore e la loro relazione costituisce lo scene graph tree.
Nella relazione reference c’è una reference che associa un node component con
uno scene graph node.
I nodi più importanti di uno scene graph sono: Virtual Universe, Locale,
Groups, Leaf, NodeComponents.
Una istanza della classe VirtualUniverse serve come radice dello scene graph, il
cui termine si riferisce ad uno spazio virtuale tridimensionale popolato di
oggetti 3D. Un oggetto SimpleUniverse crea uno scene graph contenente un
oggetto VirtualUniverse, un oggetto Locale ed un completo view branch graph
che definisce un sistema di coordinate nel mondo virtuale.
BranchGroup e TransformGroup sono sottoclassi della classe Group. Group è la
superclasse usata per specificare posizioni ed orientamenti degli oggetti
nell'universo virtuale. Nella rappresentazione grafica dello scene graph,i
simboli di Group (cerchi) sono indicati con BG per BranchGroup e TG per
TransformGroup.
Un nodo Shape3D definisce un oggetto visuale. Esso e' una sottoclasse di Leaf,
quindi può essere solo una foglia in uno scene graph. Non contiene
8
informazioni su forma o colore di un oggetto, ma contiene solo informazioni
sugli oggetti NodeComponent collegati ad esso. Un nodo Shape3D può riferirsi
ad un componente Geometry ed ad un componente Appearance.
Shape3D, Light, Behavior e Sound Leaf
sono sottoclassi di Leaf. Leaf è la
superclasse usata per specificare forme, aspetti, suoni e comportamenti. Un
nodo Leaf non può avere successori, ma reference ad oggetti NodeComponent.
La classe Node Component class è usata per specificare una varietà di
proprietà di un nodo Shape3D, quali Geometria, Texture,Trasparenza e Colore.
Un NodeComponent può essere collegato a più di un nodo Shape3D.
Nel progetto realizzato, è stato creato un BranchGroup objRoot che ha un nodo
figlio di tipo TransformGroup objScale.
//Crea la radice del branch graph
BranchGroup objRoot = new BranchGroup();
//Crea un Transformgroup per scalare tutti gli oggetti
//così che essi appaiano sulla scena
TransformGroup objScale = new TransformGroup();
Transform3D t3d = new Transform3D();
t3d.rotY(0.7);
t3d.rotX(0.2);
t3d.setScale(0.45);
objScale.setTransform(t3d);
objRoot.addChild(objScale);
Al TransformGroup objScale è applicato un Transform3d t3d che definisce gli la
scala di rappresentazione e l’inclinazione rispetto all’asse X e Y di tutti i figli di
objScale.
Il TransformGroup objScale ha cinque nodi figli: due di tipo leaf e tre di tipo
group. I nodi di tipo Leaf sono: Background, Light mentre i nodi di tipo group
sono due di tipo TransformGroup e uno di tipo SceneGroup.
Il nodo Background definisce il background della scena:
public Background bg = new Background(bgColor);
bg.setCapability(bg.ALLOW_COLOR_WRITE);
bg.setCapability(bg.ALLOW_COLOR_READ);
bg.setApplicationBounds(bounds);
objScale.addChild(bg);
9
il nodo Light definisce la luce ambientale della scena:
public AmbientLight aLgt = new AmbientLight(alColor);
aLgt.setCapability(aLgt.ALLOW_COLOR_WRITE);
aLgt.setCapability(aLgt.ALLOW_COLOR_READ);
objScale.addChild(aLgt);
Alla luce ambientale sono impostate le proprietà di lettura e scrittura per
poterla modificare a runtime. I nodi di tipo group sono i TransformGroup
l1RotTrans e l2RotTrans.
TransformGroup l1RotTrans = new TransformGroup();
l1RotTrans.setCapability(TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_WRITE);
objScale.addChild(l1RotTrans);
TransformGroup l2RotTrans = new TransformGroup();
l2RotTrans.setCapability(TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_WRITE);
objScale.addChild(l2RotTrans);
Ad ognuno di essi viene impostata la proprietà di scrittura sulla trasformazione
dell’oggetto appartenente al gruppo. L’altro nodo di tipo group, figlio di
objScale, è un oggetto (file in formato obj) importato all’interno della scena.
ObjectFile f=new ObjectFile(ObjectFile.RESIZE);
try
{
//Carica il file
Scene s=f.load("dragon.obj");
//Inserisce il drago nello SceneGraph
objScale.addChild(s.getSceneGroup());
}catch (Exception e) {System.out.println(e);}
Il nodo di tipo TransformGroup l1RotTrans ha un nodo figlio di tipo
TransformGroup
l1Trans
e
un
nodo
figlio
di
tipo
Leaf
(Behavior)
RotationInterpolator rotator1.
// Crea un Behavior object che fa ruotare la sfera intorno all'oggetto
Transform3D yAxis = new Transform3D();
Alpha rotor1Alpha =
new Alpha(-1, Alpha.INCREASING_ENABLE, 0, 0, 4000, 0, 0, 0, 0, 0);
RotationInterpolator rotator1 =
new RotationInterpolator(rotor1Alpha, l1RotTrans,yAxis, 0.0f, (float)
Math.PI*2.0f);
rotator1.setSchedulingBounds(bounds);
l1RotTrans.addChild(rotator1);
10
Questo behavior applica una rotazione a tutti gli oggetti contenuti all’interno
del transformgroup l1RotTrans. Questa classe definisce un behavior che
modifica
la
componente
rotazionale
del
suo
target
TransformGroup
interpolando linearmente tra una coppia di angoli specifici (usando il valore
generato da un oggetto specifico Alpha). L’angolo interpolato è usato per
generare una rotazione intorno all’asse Y locale di questo interpolatore. Il nodo
TransformGroup l1Trans ha due nodi figli di tipo Leaf: Light e Shape3D. Light è
un oggetto di tipo PointLight lgt1. un oggetto PointLight specifica una sorgente
di luce attenuata in un unto fissato nello spazio che irradia luce equalmente in
tutte le direzioni partendo dalla sorgente di luce. PointLight estende il nodo
Light e in aggiunta ha i parametri di locazione e attenuazione. PointLight
consente la riflessione diffusa e speculare che dipende di volta in volta dalla
rotazione e posizione della superficie. Non contribuisce alla riflessione
ambientale.
Point3f lPoint = new Point3f(0.0f, 0.0f, 0.0f);
Point3f atten = new Point3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);
lgt1 = new PointLight(lColor1, lPoint, atten);
Al nodo Shape3d di tipo Sphere sono applicati due riferimenti: Apperance
(appL1) e Geometry (new Sphere(0.15f, appL1)):
Appearance appL1 = new Appearance();
appL1.setColoringAttributes(caL1);
l1Trans.addChild(new Sphere(0.15f, appL1));
Il TransformGroup l2RotTrans ha un sottoalbero identico al sottoalbero del
TransformGroup l1RotTrans ad eccezione del behavior RotationInterpolator che
non è presente. Tutte le luci della scena (AmbientLight e le due PointLight)
hanno un BoundingSphere bound. bound definisce una regione sferica che è
definita da un punto centrale e il raggio:
BoundingSphere bounds = new BoundingSphere(new Point3d(0.0,0.0,0.0), 100.0);
// Imposta influencing bounds delle luci
aLgt.setInfluencingBounds(bounds);
lgt1.setInfluencingBounds(bounds);
lgt2.setInfluencingBounds(bounds);
11
Per ragioni di spazio ContentBranch graph e ViewBranch graph dello scene
graph sono riportati separatamente. Di seguito riportiamo il content branch
graph dello scene graph del progetto.
12
ContentBranch Graph
Locale
BG
View Branch Graph
TG
SG
OBJ FILE
Background
L
TG
TG
B
TG
S
TG
L
L
S
BOUNDING
SPHERE
appearence
geometry
appearence
geometry
13
Di seguito riportiamo il view branch graph dello scene graph del progetto.
ViewBranch Graph
Locale
BG
Content Branch
Graph
TG
Viewer
VP
Phisical
Body
Canvas 3D
Screen 3D
Phisical
Environment
ViewPlatform (VP) è un nodo foglia che crea una vista all’interno di uno scene
graph. Il genitore di ViewPlatform specifica la sua locazione, il suo
orientamento, e la sua scala all’interno del virtual universe.
Viewer contiene le componenti fisiche e virtuali dell’universo Java3D.
Canvas3D è la vesione 3D dell’oggetto Canvas dell’Abstract Windowing Toolkit
(AWT). Rappresenta una finestra in cui Java 3D disegnerà le immagini.
Contiene un riferimento all’oggetto Screen3D e informazioni che descrivono
dimensione, forma e posizione dell’oggetto all’interno dell’oggetto Screen3D.
Screen3D è un oggetto che contiene informazioni che descrivono proprietà
fisiche dello schermo. Java3D inserisce le informazioni sul display in un oggetto
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separato per evitare la duplicazione delle informazioni sullo schermo all’interno
di ogni oggetto Canvas3D che condividono uno schermo comune.
PhysicalBody contiene le specifiche principali dell’utente. Gli attributi di questo
oggetto sono espressi nel sistema di coordinate di riferimento. L’origine è
definito a metà strada tra l’occhio sinistro e destro sul piano della faccia.
PhysicalEnvironment contiene le specifiche fisiche tecniche dell’ambiente in cui
l’oggetto verrà visualizzato come i dispositivi fisici di output.
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Il progetto è stato sviluppato all’interno dell’IDE (Integrated Development
Environment) Eclipse 3.2 utilizzando la versione 6 di Java e la versione 1.5 di
Java3D. La classe realizzata estende una JApplet e consente al progetto di
poter essere eseguito sia come applicazione che come applet.
La classe principale che è stata realizzata si chiama LightsOnObj3D.java ed
estende la classe JApplet. Il main di questa classe è il seguente:
public static void main(String[] args) {
JApplet applet=new LightsOnObj3D();
JFrame frame=new JFrame("Illuminazione di un oggetto 3D");
frame.getContentPane().add(applet);
frame.addWindowListener(new killAdapter());
frame.setVisible(true);
frame.setSize(900, 700);
applet.init();
applet.start();
}
Nel main viene istanziato un oggetto di tipo JFrame frame e un oggetto di tipo
JApplet applet chiamando il costruttore della classe LightsOnObj3D al cui
content pane è aggiunto l’oggetto applet. Il costruttore della classe contiene la
chiamata
al
metodo
init().
Questo
metodo,
necessario
per
eseguire
un’applicazione come applet crea il contenuto della finestra dell’applet
costruendo due pannelli principali: il pannello di sinistra contiene dei pulsanti
che consentono di modificare a runtime i colori di sfondo e delle luci mentre, il
pannello di destra contiene un oggetto Canvas3D. Infine, il costruttore chiama
la funzione crea createSceneGraph che restituisce un oggetto di tipo
15
BranchGroup successivamente aggiunto al SimpleUniverse u per mezzo del
metodo addBranchGraph:
public Canvas3D c = new Canvas3D(config);
public SimpleUniverse u = new SimpleUniverse(c);
finestra.add(c);
finestra.add(impostacolori, BorderLayout.WEST);
BranchGroup scene = createSceneGraph(u);
u.addBranchGraph(scene);
Il metodo
createSceneGraph crea il BranchGroup descritto all’interno del
paragrafo precedente “Scene Graph”.
Di seguito riportiamo uno screenshot dell’applicazione:
Quando viene azionato un qualunque pulsante contenuto nel pannello di
sinistra viene creato un oggetto di tipo JColorChooser che consente di scegliere
il colore che si desidera applicare al punto luce fermo oppure al punto luce in
16
movimento oppure alla luce ambientale o infine allo sfondo, in base a quale
pulsante è stato azionato. Ciò è mostrato nella figura che segue.
Ciò è stato realizzato all’interno del seguente frammento di codice in cui è
riportata l’azione associata a ciascun pulsante:
sferaferma.addActionListener(new ActionListener(){
public void actionPerformed(ActionEvent arg0) {
String title=arg0.getActionCommand();
Color colorsphere = JColorChooser.showDialog(new LightsOnObj3D(),
"Scegli il colore - "+title, getBackground());
Color3f c1=new Color3f();
c1.set(colorsphere);
lgt2.setColor(c1);
caL2.setColor(c1);
}
}
);
17
sferainmovimento.addActionListener(new ActionListener(){
public void actionPerformed(ActionEvent arg0) {
String title=arg0.getActionCommand();
Color colorsphere = JColorChooser.showDialog(new LightsOnObj3D(),
"Scegli il colore - "+title, getBackground());
Color3f c1=new Color3f();
c1.set(colorsphere);
lgt1.setColor(c1);
caL1.setColor(c1);
}
}
);
sfondo.addActionListener(new ActionListener(){
public void actionPerformed(ActionEvent arg0) {
String title=arg0.getActionCommand();
Color colorsphere = JColorChooser.showDialog(new LightsOnObj3D(),
"Scegli il colore - "+title, getBackground());
Color3f c1=new Color3f();
c1.set(colorsphere);
bg.setColor(c1);
}
}
);
luceambientale.addActionListener(new ActionListener(){
public void actionPerformed(ActionEvent arg0) {
String title=arg0.getActionCommand();
Color colorsphere = JColorChooser.showDialog(new LightsOnObj3D(),
"Scegli il colore - "+title, getBackground());
Color3f c1=new Color3f();
c1.set(colorsphere);
aLgt.setColor(c1);
}
});
Il nucleo centrale dell’applicazione realizzata è nel metodo createSceneGraph
che crea il BranchGroup aggiunto all’interno dell’area canvas3D contenuta
all’interno del SimpleUniverse. Questa funzione implementa i BranchGroup, i
TransformGroup e in particolar modo le luci utilizzate all’interno della scena. Le
luci che sono state realizzate sono una di tipo AmbientLight e due di tipo
PointLight. In particolar modo ciascun oggetto PointLight appartiene a un
diverso TransformGroup che contiene anche un oggetto di tipo Sphere. I due
oggetti (Sphere e PointLight), appartenendo allo stesso TransformGroup
ereditano lo stesso behavior e ciò fa si che l’oggetto di tipo Sphere sembri un
punto luce.
18
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Il sistema realizzato può essere esteso consentendo all’utente di poter
selezionare file object diversi per mezzo di un pulsante “Sfoglia”. Il limite
riscontrato nella realizzazione del sistema riguarda fondamentalmente la
potenza degli strumenti a nostra disposizione. File object di dimensioni
abbastanza elevate hanno reso impossibile poter testare qualsiasi tipo di
oggetto 3D trovato. Ciononostante i contenuti acquisiti si sono rivelati positivi e
interessanti.
R
RIIFFEER
RIIM
MEEN
NT
TII
•
FOLEY J.D. VAN DAM A. FEINER S
COMPUTER GRAPHICS PRINCIPLES AND PRACTICE
•
http://www.di.uniba.it/~ig
•
http://isg.cs.tcd.ie/spheretree/models/
19