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InspirerHWR2020/App

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INSPIRER: Object Placement Demo

demo_video.mp4

Inhalt

  1. Backend
    1. Struktur
    2. API
    3. Installation
    4. Konfiguration
  2. Frontend
    1. Konfiguration
    2. Installation
    3. Skripte
    4. UI

Backend

Struktur

Das Backend besteht aus vier Docker Containern, die auf einem Hostserver laufen.

Abbildung

  • database
    • PostgreSQL-Datenbank
    • Speicherung der Daten der platzierbaren Objekte
    • Enthält Namen der Objekte und zusätzliche Informationen, die zum richtigen Abrufen und Platzieren benötigt werden.
  • pgadmin
    • pgAdmin 4
    • Administrationsoberfläche für die im database-Container laufende Datenbank
    • Dient dem manuellen Hinzufügen von Objekteinträgen.
    • Die Daten werden im Verzeichnis /data (Link) gespeichert
  • postgrest
    • RESTful API für die im database-Container laufende Datenbank
    • Dient dem Abrufen von Informationen von der Datenbank durch die AR-App
  • nginx
    • Webserver, Reverse Proxy
    • Wird mithilfe der Datei nginx.conf (Link) konfiguriert
    • Dient als universelle Schnittstelle für Anfragen aus der AR-App
    • Stellt die im Verzeichnis assetbundles (Link) abgelegten, zu den platzierbaren Objekten gehörigen AssetBundles, glTF-/GLB-Dateien und Texturen unter http://<server>:8080/bundles zur Verfügung
    • Leitet Anfragen an http://<server>:8080/database an den postgrest Container weiter

API

/database

Alle Anfragen an http://<server>:8080/database werden an die PostgREST API weitergeleitet. Weitere Informationen können in der entsprechenden Dokumentation gefunden werden.

http://<server>:8080/database/bundles

Als Ergebnis erhält man eine Liste aller platzierbaren Objekte in der Tabelle `bundles` inklusive der zugehörigen Informationen im JSON-Format: 

  [
      {
          "id": 1,
          "file_name": "streetlampone",
          "display_name": "Straßenlaterne (klein)",
          "asset_name": "StreetLamp1_Short (Concrete)",
          "gltf": false,
          "additional_files": null,
          "custom_rotation_x": 0,
          "custom_rotation_y": 0,
          "custom_rotation_z": 0
      },
      {
          "id": 2,
          "file_name": "streetlampbigdouble",
          "display_name": "Straßenlaterne (groß, doppelseitig)",
          "asset_name": "StreetLamp1_TallDouble (Concrete)",
          "gltf": false,
          "additional_files": null,
          "custom_rotation_x": 0,
          "custom_rotation_y": 0,
          "custom_rotation_z": 0
      },
      {
          "id": 4,
          "file_name": "Simple_Wooden_Dining_Chair.glb",
          "display_name": "Holzstuhl",
          "asset_name": null,
          "gltf": true,
          "additional_files": [
              "Poplar_4K_Roughness.jpg",
              "Poplar_4K_Albedo.jpg",
              "Poplar_4K_Normal.jpg"
          ],
          "custom_rotation_x": 0,
          "custom_rotation_y": 0,
          "custom_rotation_z": 0
      },
      {
          "id": 3,
          "file_name": "sink_mixer.gltf",
          "display_name": "Wasserhahn",
          "asset_name": null,
          "gltf": true,
          "additional_files": [
              "sink-mixer-ao.png"
          ],
          "custom_rotation_x": 90,
          "custom_rotation_y": 0,
          "custom_rotation_z": 0
      }
  ]

http://<server>:8080/database/bundles?id=eq.1

Als Ergebnis erhält man eine Liste aller platzierbaren Objekte in der Tabelle `bundles` mit der ID `1` inklusive der zugehörigen Informationen im JSON-Format: 

  [
      {
          "id": 1,
          "file_name": "streetlampone",
          "display_name": "Straßenlaterne (klein)",
          "asset_name": "StreetLamp1_Short (Concrete)",
          "gltf": false,
          "additional_files": null,
          "custom_rotation_x": 0,
          "custom_rotation_y": 0,
          "custom_rotation_z": 0
      }
  ]

/bundles

Die Anfragen an /bundles werden nicht weitergeleitet und stellen Dateien aus dem Verzeichnis assetbundles (Link) zur Verfügung. Wird keine Datei sondern ein Verzeichnis angefragt, wird als Antwort eine automatisch generierte HTML-Datei gesendet, die den Inhalt des Verzeichnisses darstellt.

http://<server>:8080/bundles/

Als Ergebnis erhält man eine HTML-Datei, die den Inhalt des angefragten Verzeichnisses enthält. 

  <html>
     <head>
        <title>Index of /bundles/</title>
     </head>
     <body>
        <h1>Index of /bundles/</h1>
        <hr>
        <pre><a href="../">../</a>
        <a href="Simple_Wooden_Dining_Chair/">Simple_Wooden_Dining_Chair/</a>                        02-Dec-2022 10:01                   -
        <a href="sink_mixer/">sink_mixer/</a>                                        02-Dec-2022 10:01                   -
        <a href="Simple_Wooden_Dining_Chair.glb">Simple_Wooden_Dining_Chair.glb</a>                     01-Dec-2022 16:35            17836224
        <a href="sink_mixer.gltf">sink_mixer.gltf</a>                                    30-Nov-2022 23:49            10915125
        <a href="streetlampbigdouble">streetlampbigdouble</a>                                28-Nov-2022 21:39             3630762
        <a href="streetlampone">streetlampone</a>                                      27-Nov-2022 23:49             3589969
        </pre>
        <hr>
     </body>
  </html>

http://<server>:8080/bundles/streetlampone

Als Ergebnis erhält man das AssetBundle streetlampone in Dateiform.

Installation

Zur Nutzung der Container müssen Docker und Docker Compose auf dem Host installiert sein. Außerdem werden folgende Docker Images benötigt:

  • dpage/pgadmin4 (getestet auf Version 6.17)
  • nginx (getestet auf Version 1.23.2)
  • postgres (getestet auf Version 15.1)
  • postgrest/postgrest (getestet auf Version 10.1.1)

Vor der Erstellung der Container müssen die beigelegten Dateien docker-compose.yaml (Link) und nginx.conf (Link) in einem Verzeichnis mit folgender Struktur abgelegt werden:

├─ assetbundles
│  └─ ...
├─ data
│  └─ ...
├─ docker-compose.yaml
└─ nginx.conf

Eine vorbefüllte Beispielstruktur ist im Verzeichnis Backend vorhanden. Die Nutzung der hier enthaltenen Dateien erleichtert die spätere Konfiguration.

Die Container können nun gebaut, erstellt und gestartet werden, indem der Befehl docker compose up im soeben erstellten Verzeichnis ausgeführt wird. (Dokumentation)

Getestet werden kann die Verbindung nun unter http://<host-ip>:8080/test. Bei erfolgreicher Einrichtung sollte 200 OK zurückgegeben werden. Die Administrationsseite der Datenbank (pgAdmin 4) sollte unter http://<host-ip>:8090 erreichbar sein.

Konfiguration

Bei Anpassung der Serveradressen und Ports bitte die Frontend-Konfiguration wie im entsprechenden Abschnitt beschrieben anpassen.

Freigelegte Ports

Die freigelegten Ports der NGINX- und des pgAdmin-Containers können angepasst werden, indem in der Datei docker-compose.yaml (Link) die erste Zahl des ports-Parameters geändert wird. Anschließend kann der Befehl docker-compose up -d ausgeführt werden, um die angepassten Container erneut zu erstellen.

pgAdmin 4

Standarduser erstetzen

Vor der Nutzung sollte der Standard-User für pgAdmin deaktiviert und ein neuer User erstellt werden. Dazu geht man folgendermaßen vor:

  1. Man ruft die pgAdmin-Seite des Containers auf und meldet sich mit den anfangs gesetzten Anmeldedaten an:

    • Username: test@mail.de
    • Passwort: banana

  2. Man öffnet das User-Menü durch klicken auf den Username in der rechten oberen Ecke (1.) und Auswahl von "Users" (2.):

    Bild

  3. Daraufhin muss eine Zeile hinzugefügt werden (1.) und dem User eine Email-Adresse (2.), die Adminrolle (3.) und ein Passwort (4.) zugewiesen werden. Schlussendlich werden die Änderungen gespeichert.

    Bild

  4. Anschließend muss man sich abmelden, Schritte 1 und 2 nun mit dem neuen Account durchführen und den Standardnutzer durch Anklicken des Mülltonnen-Icons auf der linken Seite des User-Menüs gelöscht werden.

Datenbank verbinden

Um die Datenbank mit der pgAdmin-Oberfläche zu verbinden, müssen folgende Schritte durchgeführt werden:

  1. In der Menüleiste am oberen Rand "Object" > "Register" > "Server..." anwählen.
  2. Einen beliebigen Servernamen eingeben.
  3. Die Registerkarte "Conncection" auswählen und folgende Standarddaten einfüllen:
    • Hostname: database
    • Port: 5432
    • Maintenance database: postgres
    • Username: postgres
    • Password: banana

nginx

Die Standardkonfiguration des Webservers im NGINX Container ist in der Datei nginx.conf (Link) festgelegt. Hier können die Unterverzeichnisse und der Port, unter denen die Assets und die Postgrest API erreichbar sind, geändert werden. Achtung: bei Änderung des Ports, muss der Port des Docker-Containers ebenfalls angepasst werden. Weitere Informationen zur Konfiguration sind in der NGINX-Dokumentation zu finden.

AssetBundles und glTF/GLB Dateien

Um weitere Objekte in der AR-App zur Verfügung stellen zu können, müssen die entsprechenden Ressourcen im richtigen Format im Ordner assetbundles abgelegt und zur Datenbank hinzugefügt werden. Dazu muss man bei AssetBundles und glTF- bzw. GLB-Dateien verschieden vorgehen.

Ablegen im assetbundles Ordner

AssetBundles müssen lediglich im Ordner assetbundles abgelegt werden. Im AssetBundle müssen ein Prefab für das Objekt und die dazugehörigen Assets vorhanden sein.

Zur Verwendung von glTF- und GLB-Dateien werden diese ebenfalls im Ordner assetbundles abgelegt. Zusätzlich müssen jedoch die zugehörigen Texturen in einem Ordner abgelegt werden, dessen Name dem der Datei ohne die Dateiendung entspricht.

Beispiel: Ordnerstruktur

Diese Ordnerstruktur enthält `streetlampone` als Beispiel für ein AssetBundle und `sink_mixer.gltf` mit der zugehörigen Textur als Beispiel für eine glTF-Datei. 

  ├─ assetbundles
  │  ├─ sink_mixer
  │  │  └─ sink-mixer-ao.png
  │  ├─ sink_mixer.gltf
  │  ├─ steetlampone
  │  └─ ...
  ├─ data
  │  └─ ...
  ├─ docker-compose.yaml
  └─ nginx.conf

Datenbankeintrag ergänzen

Die App greift nur auf Dateien zu, die auch in der Tabelle bundles der Datenbank eingetragen sind. Diese Tabelle muss gegebenenfalls noch erstellt werden, wenn nicht, wie im Abschnitt Installation beschrieben, die vorhandenen Daten übernommen wurden. Pro platzierbarem Objekt wird ein Eintrag benötigt. Dabei ist die Struktur der Tabelle folgende:

Spalte Datentyp Not NULL Standardwert Beschreibung zu setzen für
id integer wahr laufende Zahl automatisch generierter Primärschlüssel alle
file_name text wahr null Name der direkt in assetbundles abgelegten Datei alle
display_name text falsch null Anzeigename für die UI alle
asset_name text falsch null Name des Prefabs innerhalb eines AssetBundles AssetBundles
gltf boolean wahr false Gibt an, ob es sich um eine glTF-/GLB-Datei oder ein AssetBundle handelt alle
additional_files text[] falsch null Liste der im zugehörigen Ordner abgelegten Texturen für glTF-/GLB-Dateien glTF/GLB
custom_rotation_x integer wahr 0 Rotation des Objektes in x-Richtung, um es richtig auszurichten. alle
custom_rotation_y integer wahr 0 Rotation des Objektes in y-Richtung, um es richtig auszurichten. alle
custom_rotation_z integer wahr 0 Rotation des Objektes in z-Richtung, um es richtig auszurichten. alle

Diese Datenbankeinträge enthalten analog zum Ordnerpfad Beispiel im Abschnitt Ablegen im assetbundles Ordner streetlampone als AssetBundle und sink_mixer.gltf als glTF-Datei.

id file_name display_name asset_name gltf additional_files custom_rotation_x custom_rotation_y custom_rotation_z
1 streetlampone Straßenlaterne (klein) StreetLamp1_Short (Concrete) false [null] 0 0 0
2 sink_mixer.gltf Wasserhahn [null] true {sink-mixer-ao.png} 90 0 0

Frontend

Das Frontend ist eine mithilfe von Unity entwickelte AR-App für Smartphones.

Konfiguration

Zur Anbindung an das Backend müssen die Serveradresse und der Basisphad für die PostgREST API und die Objekt-Dateien konfiguriert werden. Diese Konfigurationen befinden sich in der Datei Assets/Scripts/Settings.cs. Die Konfigurationen können wie folgt gesetzt werden:

public static class Settings
{
    public static readonly string backendDatabaseUrl = "http://<server>:<port>/database";
    public static readonly string backendAssetsUrl = "http://<server>:<port>/bundles";
}

Installation

Entwicklungsumgebung

  1. Zur Entwicklung wurde die Unity Version 2021.3.1f1 genutzt. Diese Version ist im Unity Download Archiv zu finden.
  2. Das Repository kann mithilfe von git mit dem Befehl git clone https://github.com/InspirerHWR2020/App.git oder mithilfe von GitHub Desktop geklont werden.
  3. Ist das Repository geklont, kann man es mithilfe von Unity öffnen.

Smartphone

Es gibt zwei Wege, die App auf einem Smartphone zu installieren:

  • Installation auf einem Android-Gerät mithilfe der APK-Datei
    • APK-Datei auf das Smartphone laden.
    • Installation von Apps mithilfe von lokalen APK-Dateien erlauben.
    • APK-Datei öffnen und die App installieren.
  • Die App selbst mit Unity bauen und auf dein Smartphone laden.
    • Entwicklermodus auf dem Smartphone aktivieren
    • USB-Debugging auf dem Smartphone aktivieren.
    • Das Smartphone per USB mit dem Enwicklung-PC verbinden und dem USB-Debugging über diesen PC zustimmen.
    • In Unity File und Build and Run auswählen.

Skripte

Die bedeutendsten Skripte sind MainScene.cs und BackendConnection.cs. Die Methoden und Variablen dieser Klassen sind im Code ausführlich kommentiert, sodass hier nicht sehr stark darauf eingegangen wird.

MainScene.cs

Die gleichnamige Klasse erbt von MonoBehaviour und wird als eine Art Hauptskript der Szene (MainScene) genutzt. Sie ermöglicht das Setzen von Objekten, die Anzeige des "Fadenkreuzes" und das Suchen von Objekten mithilfe der Suchleiste. Außerdem nutzt sie Methoden aus BackendConnection.cs, um platzierbare Objekte zu laden.

Öffentliche Variablen

  • objectToPlace
    • GameObject, das mithilfe der Methode PlaceObject platziert werden kann
  • placementIndicator
    • GameObject, welches als "Fadenkreuz" genutzt wird, um anzuzeigen, wo das nächste Objekt platziert wird
  • listObjectPrefab
    • GameObject, das ein Objekt in der Auswahlliste darstellt

BackendConnection.cs

Die gleichnamige Klasse dient als Verbindung zum Backend und ermöglicht die Abfrage aller Informationen zu platzierbaren Objekten aus dem Backend von der Datenbank sowie aller zu einem Objekt gehörigen Dateien. Außerdem stellt sie mit BundleInfo eine Klasse zur Verfügung, die dem Speichern eines Eintrages in die Tabelle bundles und dem dazugehörigen GameObject dient.

UI

Jegliche Objekte und Elemente des User Interface werden per Hirarchiestruktur angeordnet. Um in Unity ein Interface erstellen zu können, gilt es zuerst einen Hauptcanvas zu erstellen, der die restlichen UI Elemente beinhaltet und als Hauptbildschirm für die Applikation fungiert. Der Hauptcanvas, User InterfaceCanvas genannt, ist hierbei der oberste Knotenpunkt in der Hirarchie des User Interface. Da bei der Applikation das Bild hauptsächlich von der Kamera durch AR Session bezogen wird, wird der Hauptcanvas bis auf die nötigen interagierbaren Elemente leer gelassen. Für das User Interface sind bisher 4 weitere Ansichten implementiert worden, wovon 3 zur Laufzeit in Benutzung sind.

  • MenuButtons
    • Buttons zur Navigation durch die Applikation
  • ObjectMenuCanvas
    • Menü zur Auswahl eines zu platzierenden Objektes
  • SideMenu
    • Seitenmenü für weitere mögliche Interaktionsmöglichkeiten / Einstellungen
  • PlacedObjectInfo
    • Fenster zum Anzeigen der Informationen eines platzierten Objekts
    • bisher nicht in Verwendung

MenuButtons

In diesem Bereich befinden sich die Buttons, die zur Navigations in die verschiedenen Fenster der Applikation von Nöten sind. Gemäß des Entwurfs gibt es in diesem Bereich 3 Buttons die zum einen in das Seitenmenü führen sollen, das Fenster zur Objektauswahl ausklappen sollen und ein weiterer Button der für verschiedene Zwecke benutzt werden kann. Die verschiedenen Buttons funktionieren hierbei mit Eventhandlern, die eine entsprechende Animation abspielen sobald einer der Buttons geklickt wird. So spielt der SideMenuButton eine entsprechende [Animation] die das Seitenmenü ausfährt, wenn Dieser angeklickt wird. Nach dem gleichen Prinzip spielt der AddButton eine Animation ab, die das Objektmenü ausfährt.

ObjectMenuCanvas

In diesem Fenster befindet sich die Ansicht zum Auswählen von zu platzierenden Objekten. Hierfür wurde ein Canvas benutzt, da beim Ausblenden eines Canvas die Inhalte nicht extra geladen werden, was zu einer besseren Performance führt. In diesem Fenster befindet sich zuerst ein Bereich CloseArea der zur Schließung des Fensters als Button fungiert und die Animation zum ausfahren des Objektmenüs rückwärts abspielt, wodurch sich das Fenster wieder schließt. Unterhalb des CloseArea Bereichs befindet sich eine Suchleiste SearchImageInput mit der man gelistete Objekte filtern kann. Desweiteren befindet sich ein Bereich zur Auswahl einer Kategorie, zur weiteren Filterung der gelisteten Ergebnisse, namens CategoriesButtons. Ziel hierbei ist es, Kategorien dynamisch aus der Datenbank zu laden, und mittels Prefabs in den Bereich hinzuzufügen. Dieser Abschnitt ist bisher jedoch noch nicht implementiert. Zuletzt gibt es noch einen weiteren Bereich ObjectsCanvas, der zum Anzeigen der platzierbaren Objekte benutzt wird. In diesem Bereich werden die Objekte, je nach Filterung, dynamisch aus der Datenbank geladen und mittels Prefab in die Bereich hinzugefügt. Die Prefabs die dem Bereich hierbei hinzugefügt werden, fungieren dabei als Button. Diese haben per Script einen Eventhandler implementiert, der das jeweilige ausgewählte Model eines Objekts lädt, und das Objektmenü schließt.

SideMenu

In dem Seitenmenü sind bisher noch keine weiteren Funktionen implementiert, bis auf den Button SideMenuButton der das Fenster wieder schließt. Es sind lediglich Platzhalter für Menüoptionen vorhanden, die in der Theorie auch dynamisch in den Bereich geladen werden können. Hierfür ist jedoch noch keine weitere Vorarbeit geleistet worden.

PlacedObjectInfo

Da dieses Fenster bisher noch nicht in Nutzung zur Laufzeit ist, sind in diesem Fenster bisher nur Elemente ohne Funktion implementiert.

Animation

Die Animationen die zum ausfahren der jeweiligen Fenster benutzt werden, werden in einer weiteren Datei gespeichert, die die Keyframes der Animation beinhaltet. Anhand der Keyframes wird dann eine Animation erstellt. Diese Datei kann dann im Anschluss z.B. einem Eventhandler übergeben werden, wodurch die Animation abgespielt wird, sollte der Fall des Eventhandlers eintreten.

Layout und Responsiveness

Um die Applikation auf möglichst vielen Geräten mit unterschiedlichen Auflösungen benutzbar zu machen, gilt es die verschiedenen UI-Elemente demenstprechend anzupassen. Hierbei kommen Anker und Layouts zum Einsatz. Ein Anker ist hierbei der Punkt an dem ein Objekt sich an sein Vaterobjekt orientiert. So wird zum Beispiel der Bereich MenuButtons an die untere Seite des Hauptcanvas User InterfaceCanvas geankert, wodurch der Bereich auch bei unterschiedlichen Auflösungen immer unten am Bildschirm dargestellt wird. Des weiteren können Anker auch mit der Größe einer Seite skalieren. So wird z.B. das SideMenu der Höhe des Hauptcanvas angepasst und füllt dementsprechend auch bei unterschiedlichen Auflösungen die Höhe des Bildschirms. Ähnlich ist dem der Fall auch ObjectMenuCanvas, bloß dass hier der Anker sich an die untere Seite des Hauptcanvas anpasst und somit mit die in die Breite skaliert. Damit Objekte konstant mit gleichen Abständen angezeigt werden, kommen Layouts zum Einsatz. Layouts sind eine automatische Anpassung der Objekte innerhalb eines Bereiches, der ein entsprechendes Layout verwendet. So verwenden zum Beispiel die Fenster SideMenu und MenuButton beide ein Layout, um die Objekte innerhalb richtig darzustellen. SideMenu verwendet ein Vertical Layout, wodurch die Objekte innerhalb des Fensters vertikal angeordnet werden. MenuButton hingegen verwendet hingegen ein Horizontal Layout. Auch die Unterbereiche von ObjectMenuCanvas verwenden teilweise Layouts, um das dynamische Laden der Objekte möglichst problemfrei zu gestalten. CategoriesButtons verwendet hierbei ein Horizontal Layout und ObjectsCanvas ein Vertical Layout. Trotz der umgesetzen Technicken gibt es bei manchen Auflösung dennoch Probleme, da Unity's Responsiveness Möglichkeiten teilweise sehr unintuitiv sind.

Mitwirkende

@KuroKurama01 @Luc1412 @nbethmann @paulchen63 @Hutmensch

Und jetzt... Affengeräusche. 🐒

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Dec 15, 2022

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