COM6503: 3D Computer Graphics: Assignment 1 (40%)

Deadline: 3pm, Wednesday 11 December

1. Introduction

The assignment will involve using modern OpenGL to render a scene. Scene graphs are required in the modelling process and animation controls are required for hierarchical models.

2. Learning outcomes

After completing this assignment, you will be able to:

•     Use data structures and mathematics in representing and manipulating 3D objects

•     Produce interactive software that makes use of a graphics API

Figure 1. The scene – a room on a spaceship with a view of space out of the window. The dashed blue arrows show the rotation of the spotlight on top of the small robot (robot 2) and the rotation of the globe.

3. Requirements

Figure 1 shows a scene set in a room on a spaceship. The whole scene should be  modelled using transformed flat planes, cubes and spheres. The view through the window is space (i.e. stars, etc).

You must satisfy all the following requirements.

3.1 The room

•  In Figure 1, the room is made of three walls and a floor. The wall nearest to the viewer is not modelled. The room size is your choice.

• The left wall has a window in it.

• The back wall has a texture added to it.  This texture includes a large shiny text message of a name. You should use part of your name for this, e.g. forme, I would choose ‘Steve’ . A diffuse and a  specular  map  will  be  required.  The  specular map will  make  the  name  part  appear  shiny  in contrast to the rest of the wall. You must create the diffuse and specular maps.   These textures should be stored in files called diffuse_name.jpg and  specular_name.jpg  in  the   assets/textures folder, where your chosen name part is used in the filename so they are easy to find and check, e.g. diffuse_steve.jpg and specular_steve.jpg.

• The right wall has a repeating texture added to it. Here, a picture of a bug is used (as illustrated in Figure 2, which repeats four times in one direction and three times in the other).  You should make your own choice of texture. It must repeat over the wall, i.e. the wall is not a single texture image containing multiple pictures.

Figure 2. A bug texture in a repeating pattern.

• The  floor  should  be  textured.  You  choose  a texture. However, it should also feature a series of  thick  lines  in  any  colour  you  choose.  This sequence of lines is the path a robot  needs to follow.

• A ceiling is not shown but should be added to make  the  scene  look  better.  This  should  be textured too. You choose the texture.

3.2 The window and the view

• The left wall in the room is a large window.

• An outside scene of space (i.e. stars, etc) can be seen  through  the  window.  Consider  how  you might do this: Should the scene be a texture map pasted onto the wall to look like a fake window and a scene? Or should there be a hole in the wall for the window and a texture map is pasted onto a  plane  that  is  a  certain  distance  outside  the window (as illustrated in  Figure  1)? Should the window have a frame? Or should the window be the size of the whole wall with a simple small frame.   around   the   edges?   Should   a   box   of textures  be  added  outside  the   window  so  a texture can be seen at all angles when looking out of the window? Or should a skybox be used that  is  outside  the  whole  room  rather  than  a separate plane with a texture map on it?

•  Depending  on  the  approach  you  choose,  how does it look when the camera moves position in the room when looking out of the window? (Is it possible to stand in the room and always see a view of space outside through the window?)

• The  scene  outside  the  window  should  change overtime whilst the program is running,e.g. the stars and planets move.

• The quality of what you produce for this part of the  scene  will   be  part  of  the   marking.  Some alternatives indicated above are more advanced than others. You must choose what to try.

3.3 The robots

• There are two  robots,  both  modelled as scene graph    hierarchies.    Both    are    made    up    of transformed spheres and/or cubes.

•  Robot 1, the dancing robot, is at the back left of the room in Figure 1.

•  Robot 2, the small robot, is on the track on the floor at the right side of the room in Figure 1.

•  Robot 1 should feature a base, three parts that form the leg and body, two arms and a head, as illustrated  in  Figure  1.  Each  of  the   parts  can

Figure 3. Some poses of robot 1, the dancing robot.

articulate to make the robot dance, as illustrated in Figure 3, which shows three poses.

• The head of robot 1 should be your own design. It  must  have  a  minimum  of  4  pieces.  Figure  4 gives  a  few   possible  designs.  Again,  this   is  a chance to show some creativity.

Figure 4. Some possible head designs for robot 1.

•  Robot 2, the small robot,  has a body, two eyes and  an  antenna.  The  antenna  has  a  spotlight attached to it which is made of two transformed spheres,  one  for  a  small  bulb  and  one  for  its casing (alternatively called its holder) – these are shaded as white and grey, respectively, in Figure

1.  You  can  choose  to  vary  the  look  of  the spotlight, but it must feature a bulb and a casing for the  bulb. The  two together  indicate  which direction  the  spotlight  is  pointing  in  and  thus where the pool of light from the spotlight should appear in the scene.

•  Robot 2, the small robot, continually follows the path of grey lines on the floor, with its two eyes showing the forward direction.

• When  robot  2  reaches  a  corner  in the  path,  it changes direction to follow the new line.

• The  hierarchy  and  associated  transformations are  more  important  than  the  quality  of  the individual pieces in each of the robot hierarchies. Transformed spheres and cubes must be used. I want you to demonstrate that you understand transformations and a scene graph hierarchy.

• You  must  texture-map  both  robots.  You  must decide on which textures to use. You cannot use the same texture(s) on each robot.

•  I’ll   be   looking   for   a   little   creativity   in   the animation  for   each  robot.  For  example,  how should robot 1 perform. its dance? How should its parts move with respect to each other? Perhaps some cartoon effects could  be  used, e.g.  head parts appearing to enlarge or move position for parts of the dance? For robot 2, when it reaches a corner,  how  should  it  turn? Should  it  lean  a little to one side? Or spin in some way?

3.4 Spotlight

•  Robot 2 has a bright white spotlight attached to the top of its antenna. The dashed lines in Figure

1 are to illustrate where this spotlight is. These dashed  lines  would  not  be  seen  in  the  real effect!!

• The  spotlight  continuously  rotates  around  the top of the antenna whilst robot 2 moves. Thus, different parts of the scene will be illuminated by the  spotlight  as  robot  2  moves.  (The  spotlight stops rotating when robot 2 stops moving.)

• This  is  an  advanced  requirement  as  you   are responsible for working out how to implement a spotlight effect.

3.5 The globe

• This is made of transformed spheres (one for the globe   and   one   for   the   central   axis)   and   a transformed cube (for the pedestal).

• The globe continually rotates about the central axis.

• The  texture  map  for  the  globe  must  look  like planet Earth or a cartoon version of it. You will need to find a texture to show this or draw a cartoon version of it yourself.

• The stand for the globe also needs to be texture mapped. Try to be creative with this.

3.6 General illumination

• The scene should be illuminated with a general world light which can be positioned anywhere in the scene.

• This general world light will illuminate all parts of the scene.

• When you switch off the general light (using an interface  option  –  see  the   next  section),  the effects of the spotlight will be much clearer.

•  (You can include more than one general light if you wish.)

• You do NOT have to do shadows. Do not worry about shadow effects. (The general world light will   illuminate   all    polygons   with   a   normal pointing   towards    it   and   the   spotlight   will illuminate all objects in the direction it is pointing in which are inside its spotlight area as there are no  shadow  effects  to  show  light  not  reaching particular points.)

3.7 User interface

• A user-controlled camera should be positioned in the scene. Use the camera that was given in the tutorial  material  –  the  mouse  can  be  used  to change the direction the camera is pointing in, and the keys can be used to move about. Do not change the key mappings from the ones in the tutorial. If you change the key mappings, it will make it difficult to mark. It doesn’t matter that the camera can move and see outside the room.

•  It should be possible to turn the general light on and off (or, more creatively, dim it, i.e. reduce the intensity) from the interface.

•  It should be possible to turn the spotlight (lamp bulb) on and off (or, more creatively, dim it, i.e. reduce the intensity) from the interface.

•  Robot 1’s dancing animation should start when robot 2 is ‘near’ to it and stop when robot 2 is not ‘near’ to it. You decide how near it needs to be. You  will  need  to  implement  a  proximity  test (based on distance) to do this.

• You should also add buttons on the interface, so you   can   start   and   stop    robot   1’s   dancing animation whenever you want to, irrespective of the proximity test. This will be useful for testing purposes  rather  than   waiting  for   robot   2  to traverse all the way round the room!!

•  It should be possible to stop and start robot 2’s movement - the spotlight stops  rotating when robot 2 stops  moving. You  need to  implement interface controls to do this.

• There  is  no  need  to  stop  and  start the  globe rotation. This just continually rotates.

3.8 Animation

• Some of the animations are not straightforward and you  may decide  not to do them, although that would affect your marks for animation.

•  Use   Euler  angles  for  the  animation.   Do   not consider using quaternions, as this is beyond the requirements for this assignment.

4. Deliverables

• You should submit a zip file containing a copy of your  program  code  (and  any  other   necessary resources,e.g. imagefiles for the textures and a readme.txt  file  that   describes  everything)  via Blackboard – this can be done via the link to the assignment handout.

• You  should  submit  whatever  you   have  done, even    if   you    have    not    completed   all   the requirements  –  for  example,  you   might  have produced a model of the scene but not done the animation.  If  you  submit  nothing,  you  cannot receive any marks.

• The program MUST compile and run from the command  window on  a Windows   PC  or  the terminal window on a Mac. You should assume that   the   jogl   environment    (and   paths)   has already been set up (on my machine), so you do not have to include this as part of what you hand in. I won’t install ‘YetAnotherIDE’ to make your program work;  I  want  to  compile  and  run  the program from a command (or terminal) window using the standard javac and java commands.

• You   must   include   appropriate   comments   to identify  parts of the code that you wrote, e.g. /*  I  declare  that  this  code  is  my  own  work  */ /* Author */. This could be done around major chunks of code and/or at the start of a class to identify the main changes you made.

• You can make use of all the code that I have given you in the tutorial material. However, use your comments to state which  bits/chunks/files  are new.

• The body of the Blackboard submission message should state that the work you have handed in is your  own  in  addition  to  the  code  that  was supplied in the tutorial material.

• The  name  of  the  main  class  in  your  program should be Spacecraft. That way it is easy for me to  compile  and  run  the  program.  (In  previous years,  where  this   has   been   ignored,   I   have wasted time for some handins trying to workout which was the main class to use.)

• Optional: You might like to make a short video of your animation. If you do so, DO NOT include this in the handin as it will be too big for Blackboard to handle – we tried using Blackboard for this in the past and it crashed the system!! Instead, put the  animation  on  YouTube  or  your  personal website and give the URL of the animation in a readme.txt file. Indeed, if you are thinking of a career in the graphics/games industry, then you should be adding such animation pieces to your personal website (your digital portfolio) to show off what you are capable of.

5. Marking

I    will    check    that    the     program    meets    the requirements   listed   above.  The   program must compile and do some part of the work requested even if it is not complete. Your program will be run and exercised thoroughly.

In considering the requirements, four aspects will be considered (including the quality of the work for each aspect):

•  (29 marks) Modelling the scene: Each robot must be  a  hierarchical  model.  Is  there   a  spotlight model attached to robot 2’s antenna? Is there a globe?  How  is  the  room  modelled?  (Consider drawing  scene  graphs  for  the   scene   before starting to program.)

•  (28 marks) Texturing: Use of texture mapping in the  scene,  e.g.  basic  texture  mapping,  use  of diffuse  and  specular  textures,  extra  texturing effects,  e.g.  the  changing  view  through  the window.

•  (15  marks)  Lighting  and  interface  controls:  all lights  should  behave  correctly  such  that  their effect   is   seen   on   the   scene.   All    necessary interface  controls,  as  described   in  the   above specification, should be included.

•  (28 marks) Robot 1 and 2 animations. Spotlight animation.  Animation  for  the  globe.  Is  all  the animation smooth rather than jerky?