Adrian Singer Entwicklung und Implementierung einer 3D-Visualisierungsbibliothek und der Graphischen Benutzerschnittstelle einer Anwendungssoftware für die Simulation und Demonstration der Kommunikation in drahtlosen Sensornetzwerken DIPLOMARBEIT HOCHSCHULE MITTWEIDA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Informationstechnik & Elektrotechnik Mittweida, 2010 Adrian Singer Entwicklung und Implementierung einer 3D-Visualisierungsbibliothek und der Graphischen Benutzerschnittstelle einer Anwendungssoftware für die Simulation und Demonstration der Kommunikation in drahtlosen Sensornetzwerken eingereicht als DIPLOMARBEIT an der HOCHSCHULE MITTWEIDA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Informationstechnik & Elektrotechnik Mittweida, 2010 Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. Volker Delport Zweitprüfer: Prof. Dr.-Ing. Wilfried Schubert Die vorliegende Arbeit wurde verteidigt am: Vorwort und Danksagung Die Anfertigung einer Diplomarbeit ist ein langwieriger Prozess, der nicht ohne Hilfe bewältigt werden kann. Hier möchte ich all jenen meinen Dank aussprechen, die mich auf diesem Weg begleitet und unterstützt haben. Darüber hinaus möchte ich betonen, dass es mir eine besondere Freude war, einen Beitrag zu diesem sehr interessanten und umfassenden Forschungsprojekt leisten zu können. An erster Stelle möchte ich mich bei meinem Erstbetreuer Herrn Prof. Dr.‐Ing. Volker Delport dafür bedanken, dass er mir dieses Thema anvertraute und mir somit die Möglichkeit bot, diese Arbeit anzufertigen. Ebenso dankbar bin ich für die Unterstützung durch meinen Zweitbetreuer Prof. Dr.‐Ing. Wilfried Schubert und seine zahlreichen Ratschläge. Für das gute Arbeitsklima in der Forschungsgruppe möchte ich mich bei all meinen Kollegen bedanken. Ein ganz besonderer Dank gilt meiner Familie, die mir stets den Freiraum für die Bearbeitung dieser Arbeit gegeben hat und mich auf dem Weg zu meinem Abschluss stets unterstützte. Vielen Dank. Bibliografische Beschreibung Singer, Adrian: Entwicklung und Implementierung einer 3D‐Visualisierungsbibliothek und der Graphischen Benutzerschnittstelle einer Anwendungssoftware für die Simulation und Demonstration der Kommunikation in drahtlosen Sensornetzwerken ‐ 2010 ‐ 90 S Mittweida, Hochschule Mittweida (FH), Fakultät Informationstechnik & Elektrotechnik, Diplomarbeit, 2010 Referat Im Rahmen eines Forschungsprojektes werden drahtlose Sensornetze untersucht. Parallel findet die Entwicklung einer Simulations‐ und Demonstrationssoftware für diese Netzwerke statt. Das erste Ziel der Diplomarbeit ist die Entwicklung und Realisierung der gesamten Anwendungsoberfläche des Simulators/Demon‐ strators. Des weiteren ist es das Ziel dieser Arbeit, eine Klassenbibliothek zu entwickeln, mit der es möglich ist, drahtlose Sensornetze in einer dreidimen‐ sionalen Umgebung darzustellen. Diese Visualisierungsbibliothek wird auf der Basis der .NET‐Programmiersprache C# und der Bibliothek OpenGL realisiert. Hinzu kommt die Implementierung der Klassenbibliothek in einer Anwendung. Die 3D‐Bibliothek bildet nicht den gesamten Funktionsumfang von OpenGL ab, da sie auf die Anforderungen der Simulationsanwendung angepasst ist. Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis .......................................................................................................... I Abbildungsverzeichnis ................................................................................................. IV Tabellenverzeichnis ...................................................................................................... VI Quellcodeverzeichnis .................................................................................................. VII Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................... VIII 1 Einleitung ............................................................................................................... 1 1.1 Hintergrund und Motivation ........................................................................... 1 1.2 Ziele der Arbeit ................................................................................................ 3 1.3 Kapitelaufbau .................................................................................................. 4 2 Grundlagen zur Programmiertechnologie ............................................................. 5 2.1 Programmierung mit C# .................................................................................. 5 2.2 Die graphische Benutzeroberfläche ................................................................. 6 2.3 Grafikprogrammierung .................................................................................... 7 2.4 Grundbegriffe der 3D‐Grafik Programmierung .............................................. 10 3 Die grafische Oberfläche der Simulationssoftware .............................................. 19 3.1 Konzept .......................................................................................................... 19 3.2 Anforderungsanalyse ..................................................................................... 20 3.2.1 Zweck und Umfang ................................................................................. 20 I Inhaltsverzeichnis 3.2.2 Funktionale Anforderung ........................................................................ 20 3.2.3 Nicht funktionale Anforderung ............................................................... 21 3.2.4 Anforderungen an Qualität und Performanz .......................................... 22 3.2.5 Besonderheiten für Entwickler ............................................................... 23 3.3 Design der Oberfläche ................................................................................... 23 3.3.1 Voraussetzungen .................................................................................... 23 3.3.2 Lösungsmöglichkeiten ............................................................................. 25 3.3.3 Implementierung der GUI ....................................................................... 31 3.3.4 Fazit zur Softwareoberfläche .................................................................. 34 3.4 Mehrsprachigkeit ........................................................................................... 36 3.4.1 Vorbetrachtungen ................................................................................... 36 3.4.2 Lösungsansätze ....................................................................................... 37 3.4.3 Entwicklung und Einsatz einer Sprachbibliothek .................................... 39 3.4.4 Fazit zur Mehrsprachigkeit ...................................................................... 41 4 Die 3D‐Visualisierungsbibliothek für drahtlose Sensornetze ............................... 43 4.1 Ausgangspunkt der Entwicklung .................................................................... 43 4.2 Einführung in OpenGL.................................................................................... 43 4.3 Anforderungsanalyse ..................................................................................... 48 4.4 weitere Lösungskonzepte .............................................................................. 53 4.5 Entwicklung der Visualisierungsbibliothek .................................................... 56 4.5.1 Strukturierung der Visualisierungsbibliothek .......................................... 56 4.5.2 Besonderheiten gegenüber nativem OpenGL ......................................... 62 4.5.3 Fazit ......................................................................................................... 64 II Inhaltsverzeichnis 4.6 Anwendung der Visualisierungsbibliothek .................................................... 64 4.7 Fazit ............................................................................................................... 81 5 Zusammenfassung und Ausblick .......................................................................... 83 5.1 Erreichte Ergebnisse ...................................................................................... 83 5.2 Ausblick auf die Simulationssoftware ............................................................ 87 5.3 Ausblick auf Erweiterungen der Visualisierungsbibliothek ............................ 88 Thesen der Arbeit ......................................................................................................... A A Anlagen .................................................................................................................. C A.1 Pflichtenheft Softwareoberfläche .................................................................... C A.2 Die MIT Lizenz .................................................................................................. E A.3 Implementierung DockPanel Bibliothek .......................................................... F A.4 OpenGL Rendermodus .................................................................................... G A.5 Funktion für Objektselektion ........................................................................... H Quellenverzeichnis ......................................................................................................... I Internetquellen .......................................................................................................... I verwendete Software ................................................................................................. J Literaturquellen .........................................................................................................