Improving Usability in Procedural Modeling

Abstract

This work presents new approaches and algorithms for procedural modeling geared towards user convenience and improving usability, in order to increase artists’ productivity. Procedural models create geometry for 3D models from sets of rules. Existing approaches that allow to model trees, buildings, and terrain are reviewed and possible improvements are discussed. A new visual programming language for procedural modeling is discussed, where the user connects operators to visual programs called model graphs. These operators create geometry with textures, assign or evaluate variables or control the sequence of operations. When the user moves control points using the mouse in 3D space, the model graph is executed to change the geometry interactively. Thus, model graphs combine the creativity of freehand modeling with the power of programmed modeling while displaying the program structure more clearly than textbased approaches. Usability is increased as a result of these advantages.<br /> Also, an interactive editor for botanical trees is demonstrated. In contrast to previous tree modeling systems, we propose linking rules, parameters and geometry to semantic entities. This has the advantage that problems of associating parameters and instances are completely avoided. When an entity is clicked in the viewport, its parameters are displayed immediately, changes are applied to selected entities, and viewport editing operations are reflected in the parameter set. Furthermore, we store the entities in a hierarchical data structure and allow the user to activate recursive traversal via selection options for all editing operations. The user may choose to apply viewport or parameter changes to a single entity or many entities at once, and only the geometry for the affected entities needs to be updated. The proposed user interface simplifies the modeling process and increases productivity.<br /> Interactive editing approaches for 3D models often allow more precise control over a model than a global set of parameters that is used to generate a shape. However, usually scripted procedural modeling generates shapes directly from a fixed set of parameters, and interactive editing mostly uses a fixed set of tools. We propose to use scripts not only to generate models, but also for manipulating the models. A base script would set up the state of an object, and tool scripts would modify that state. The base script and the tool scripts generate geometry when necessary. Together, such a collection of scripts forms a template, and templates can be created for various types of objects. We examine how templates simplify the procedural modeling workflow by allowing for editing operations that are context-sensitive, flexible and powerful at the same time.<br /> Many algorithms have been published that produce geometry for fictional landscapes. There are algorithms which produce terrain with minimal setup time, allowing to adapt the level of detail as the user zooms into the landscape. However, these approaches lack plausible river networks, and algorithms that create eroded terrain with river networks require a user to supervise creation and minutes or hours of computation. In contrast to that, this work demonstrates an algorithm that creates terrain with plausible river networks and adaptive level of detail with no more than a few seconds of preprocessing. While the system can be configured using parameters, this text focuses on the algorithm that produces the rivers. However, integrating more tools for user-controlled editing of terrain would be possible.

<strong>Verbesserung der Usability bei prozeduraler Modellierung</strong><br /> Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, prozedurale Modellierung durch neue neue Ansätze und Algorithmen einfacher, bequemer und anwendungsfreundlicher zu machen, und damit die Produktivität der Künstler zu erhöhen. Diese Anforderungen werden häufig unter dem Stichwort Usability zusammengefasst. Prozedurale Modelle spezifizieren 3D-Modelle über Regeln. Existierende Ansätze für Bäume, Gebäude und Terrain werden untersucht und es werden mögliche Verbesserungen diskutiert. Eine neue visuelle Programmiersprache für prozedurale Modelle wird vorgestellt, bei der Operatoren zu Modellgraphen verschaltet werden. Die Operatoren erzeugen texturierte Geometrie, weisen Variablen zu und werten sie aus, oder sie steuern den Ablauf der Operationen. Wenn der Benutzer Kontrollpunkte im Viewport mit der Maus verschiebt, wird der Modellgraph ausgeführt, um interaktiv neue Geometrie für das Modell zu erzeugen. Modellgraphen kombinieren die kreativen Möglichkeiten des freihändigen Editierens mit der Mächtigkeit der prozeduralen Modellierung. Darüber hinaus sind Modellgraphen eine visuelle Programmiersprache und stellen die Struktur der Algorithmen deutlicher dar als textbasierte Programmiersprachen. Als Resultat dieser Verbesserungen erhöht sich die Usability.<br /> Ein interaktiver Editor für botanische Bäume wird ebenfalls vorgestellt. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen schlagen wir vor, Regeln, Parameter und Geometrie zu semantischen Entitäten zu verschmelzen. Auf diese Weise werden Zuordnungsprobleme zwischen Parametern und deren Instanzen komplett vermieden. Wenn im Viewport eine Instanz angeklickt wird, werden sofort ihre Parameter angezeigt, alle Änderungen wirken sich direkt auf die betroffenen Instanzen aus, und Änderungen im Viewport werden sofort in den Parametern reflektiert. Darüber hinaus werden die Entitäten in einer hierarchischen Datenstruktur gespeichert und alle Änderungen können rekursiv auf der Hierarchie ausgeführt werden. Dem Benutzer werden Selektionsoptionen zur Verfügung gestellt, über die er Änderungen an den Parametern oder Änderungen im Viewport an einzelnen oder vielen Instanzen gleichzeitig vornehmen kann. Anschließend muss das System nur die Geometrie der betroffenen Instanzen aktualisieren. Auch hier ist das Ziel, das User Interface möglichst an den Bedürfnissen des Benutzers auszurichten, um Vereinfachungen und eine Erhöhung der Produktivität zu erreichen.<br /> Interaktive Editieransätze für 3D-Modelle erlauben häufig eine präzisere Kontrolle über ein Modell als ein globaler Parametersatz, der für die Erzeugung des Modells genutzt wird. Trotzdem erzeugen prozedurale Modellierskripte ihre Modelle meist direkt aus einem festen Parametersatz, während interaktive Tools meist mit hartkodierten Operationen arbeiten. Wir schlagen vor, Skripte nicht nur zur Erzeugung der Modelle zu verwenden, sondern auch um die erzeugten Modelle zu editieren. Ein Basisskript soll die Statusinformationen eines Objekts anlegen, während weitere Skripte diesen Status verändern und passende Geometrie erzeugen. Diese Skripte bilden dann ein Template zum Erzeugen einer Klasse von Objekten. Verschiedene Objekttypen können jeweils ihr eigenes Template haben. Wir zeigen, wie Templates den Workflow mit prozeduralen Modellen vereinfachen können, indem Operationen geschaffen werden, die gleichzeitig kontext-sensitiv, mächtig und flexibel sind. <br /> Es existiert eine Reihe von Verfahren, um Geometrie für synthetische Landschaften zu erzeugen. Ein Teil der Algorithmen erzeugt Geometrie mit minimaler Vorberechnung und erlaubt es, den Detailgrad der Landschaft interaktiv an die Perspektive anzupassen. Leider fehlen den so erzeugten Landschaften plausible Flussnetze. Algorithmen, die erodiertes Terrain mit Flussnetzen erzeugen, müssen aufwendig vom Benutzer überwacht werden und brauchen Minuten oder Stunden Rechenzeit. Im Gegensatz dazu stellen wir einen Algorithmus vor, der plausible Flussnetze erzeugt, während sich der Betrachter interaktiv durch die Szene bewegt. Das System kann über Parameter gesteuert werden, aber der Fokus liegt auf dem Algorithmus zur Erzeugung der Flüsse. Dennoch wäre es möglich, Tools zum benutzergesteuerten Editieren von Terrain zu integrieren.