Blenderexporter: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 22. Juni 2006, 23:35 Uhr

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Vorwort

Hier werde ich einige Codeschnipsel zeigen, mit denen man sich einen eigenen Blenderexporter bauen kann. Der Schwerpunkt liegt dabei darauf, die Daten so vorzubereiten, dass sie direkt als VertexBufferObjekt in die Grafikkarte hochgeladen werden können.

Dieses Tutorial, soll kein festes Format beschreiben. Es ist sowohl möglich die Daten sauber in XML zu kapseln, als auch ganz dirty mal eben ein Includierbares C oder Pascalfile zu erzeugen. Der Compiler wird einen dafür aber mit erheblich längeren compelierungszeiten bestrafen.

Prinzipell bin ich der Meinung, das eine eigene Engine nicht zwangshaft mit einem Universalformat wie Collada verwendet werden muss. Auch beliebte Formate wie 3DS haben gewaltige Nachteile, da sie nicht alle Daten speichern können, die beim Arbeiten mit Shadern benötigt werden. 3DS ist eine gut wahl, solang man nicht viel mehr als Vertices, Normals und UV Coordinaten benötigt. Sobald Bones Vertexgruppen, TBN Matrizen und möglicherweise weitere eigene Daten gespeichert werden müssen gibt es große Probleme.

Aufbau eines Exporters

Jeder Blenderexporter verfügt über einen Header, in dem Daten stehen, wie er in die Menüstruktur eingefügt wird. Anschließen folgt der Python code. Näheres dazu steht in den Wikibooks. <python>

1. !BPY

""" Name: 'DGL Wiki' Blender: 241 Group: 'Export' Tooltip: 'DGL Wiki Exporter' """ import Blender

1. Hier werden zusätzliche Funktionen eingefügt, die zum schreiben benötigt werden

def write(filename):

 out = file(filename, 'w')
 obj = Blender.Object.GetSelected()[0]
 msh = obj.getData()

 #hier wird Code eingefügt, der die zu exportierende Daten schreibt

 out.close()

Blender.Window.FileSelector(write, "Export") </python> code getestet

Wichtig ist, das man bei Python die Einrückungen beachtet. Als erstes wird eine Funktion definiert, die vom Fileexportdialog aus aufgerufen wird. Dabei wird der Filename als Argument übergeben. Die folgenden Zeilen öffnen ein File zum schreiben und hohlen sich die Meshdaten des erstem selektiertem Objektes. Starten tut das Script eigendlich erst in der letzten Zeile, die den Exportdialog aufruft.

Vorbereiten der Daten

Da OpenGL nicht gut auf die gemischten Quads und Triangles klar kommt ist es sehr Sinnvoll sie gleich am Anfang vor dem Exportieren umzuwandeln: <python> def quad2tri(msh):

 flist=[]
 for face in msh.faces:
   if (len(face.v)==3):
     flist += [face]
   else:
     d1 =(msh.verts[face.v[0].index].co.x - msh.verts[face.v[2].index].co.x) ** 2 
     d1+=(msh.verts[face.v[0].index].co.y - msh.verts[face.v[2].index].co.y) ** 2 
     d1+=(msh.verts[face.v[0].index].co.z - msh.verts[face.v[2].index].co.z) ** 2 
     d2 =(msh.verts[face.v[1].index].co.x - msh.verts[face.v[3].index].co.x) ** 2 
     d2+=(msh.verts[face.v[1].index].co.y - msh.verts[face.v[3].index].co.y) ** 2 
     d2+=(msh.verts[face.v[1].index].co.z - msh.verts[face.v[3].index].co.z) ** 2 
     if (d1<d2):
       flist += [Blender.NMesh.Face([face.v[0],face.v[1],face.v[2]])]

flist[len(flist)-1].uv=[face.uv[0],face.uv[1],face.uv[2]] flist[len(flist)-1].col=[face.col[0],face.col[1],face.col[2]]

       flist[len(flist)-1].smooth=face.smooth

flist += [Blender.NMesh.Face([face.v[0],face.v[2],face.v[3]])]

       flist[len(flist)-1].uv=[face.uv[0],face.uv[2],face.uv[3]]

flist[len(flist)-1].col=[face.col[0],face.col[1],face.col[2]] flist[len(flist)-1].smooth=face.smooth

     else:

flist += [Blender.NMesh.Face([face.v[0],face.v[1],face.v[3]])]

       flist[len(flist)-1].uv=[face.uv[0],face.uv[1],face.uv[3]]

flist[len(flist)-1].col=[face.col[0],face.col[1],face.col[3]] flist[len(flist)-1].smooth=face.smooth

flist += [Blender.NMesh.Face([face.v[1],face.v[2],face.v[3]])]

       flist[len(flist)-1].uv=[face.uv[1],face.uv[2],face.uv[3]]

flist[len(flist)-1].col=[face.col[1],face.col[2],face.col[3]] flist[len(flist)-1].smooth=face.smooth

 msh.faces=flist
 return msh

</python> Das Prinzip ist Relativ leicht zu verstehen. "flist" ist eine Liste in der die neuen Dreiecke zwischengespeichert werden. Dreiecke werden einfach kopiert. Bei Quads wird die kürzere Diagonale zum Teilen gesucht und aus den Daten des Quads zwei neue Triangles erzeugt. Zum Schluss wird noch die temporäre Liste im Mesh gespeichert und as ganze zurückgegeben.

Exportieren der Daten

hier beschreiben ich wie man die wichtigsten Daten exportieren kann. Um ein anderes Format zu erhalten, müssen die Stings entsprechend angepasst werden. Eine neue Zeile erhält man durch "\n" In den Beispielen werde ich mich weitgehend an Werten gekapselt in einem XMLformat halten. Durch simple Modifikationen sind auch andere Formate kein problem.

Es gibt zwei Möglichkeiten die Vertexdaten zu speichern: Interleaved oder getrennte Blöcke. Beim interleaved Format verliert man die Flexibilität und die Daten werden noch unübersichtlicher. Ein Geschwindigkeitsgewinn ist auch nicht zu erwarten.

In einigen Codestücken wird auffallen, das die Convertierung von Quads nach Triangles immer wieder vorgenommen wird. In einem komplettem Exporten macht es durchaus Sinn, alle Daten erst zu sammel, dann zu sortieren, umwandeln und erst zum Schluss zu schreiben. Dabei wäre es allerdings nicht mehr möglich einzelne Beispiele zu liefern.

Eine besonder Problematik ist, dass Blender Quads beforzugt, jedoch Quads und Triangles gemischt vorliegen können. Um diese Mischung zu vermeiden sollte man entweder den Exporter so schreiben, dass er die Quads in 3 Triangles zerlegt oder vor dem Exportieren alle Quads in Triangles umwandelt und Speichert (Intern bleiben die Daten sonst anscheined immer noch Quads)

Einfachen Text, der keine zu exportierenden Daten enhält lässt sich so in die Datei schreiben. Hier ein möglicher begin der XML Datei:

<python>

 out.write('<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="yes"?>\n')

</python>

Wichtig ist hier wieder die Einrückung. Sie muss genauso weit eingerück sein wie die vorige Zeile, oder weiter eingerück werden wenn es sich um eine Schleife handelt.

Eine kleines Problem kann entstehen, wenn die letzte Zeile eines Datensatzes kein Komma enthalten darf. Der einfachste Weg ist eine Dummyzeile mit Nullwerten anzuhängen.

Name des Objektes und Anzahl der Vertices

In einem XML format ist es nicht alzuwichtig den Objektnamen aus Blender zu behalten. Jedoch kann es sehr nützlich sein wenn man andere Formate schreibt oder mehrere Objekte in einer Datei speichert. Wir bringen diese Daten einfach im VBO Tag unter, welches alle unsere Vertexdaten kapseln wird:

<python>

out.write('<vbo name="%s" verts="%i" type="GL_TRIANGLE">\n' % (msh.name, len(msh.faces)*3))

</python>

Zum Schluss sollte noch folgende Zeile angehängt werden um den VBO tag wieder zu schließen: <python>

 out.write('</vbo>') 

</python>

Vertices

Da man den Index eines Vertexarray nicht in einem VBO verpacken kann. Ist es besser die Triangles nicht indiziert in einem VBO zu speichern. Der Speicherbedarf ist hier allerdings höher. Trotz der erhöten Datenmenge scheint diese Variante schneller zu sein, da hier keine Arrays vom Prozessor abgearbeitet werden müssen. Unter der Annahme, das nur Triangles vorhanden sind, reicht dieser Code:

<python>

out.write('<vertices comp="3">\n')
 for face in msh.faces:
   for vert in face.v:
     out.write( ' %f %f %f' % (msh.verts[vert.index].co.x, msh.verts[vert.index].co.y, msh.verts[vert.index].co.z))
   out.write('\n')
 out.write('</vertices>\n')

</python>

Textur-Koordinaten

Kaum schwerer als die Vertexdaten sind die Texturkoordinaten zu exportieren. Da die Texturkoordinaten innerhalb der Faces gespeichert werden. Sinvollerweise überprüfen wir voher noch ob überhaupt Texturdaten vorhanden sind:

<python>

 if (msh.hasFaceUV()==1):
   out.write('<texturecoords comp="2">\n')
   for face in msh.faces:
     for vert in face.v:
       out.write( ' %f %f %f %f %f %f\n' % (face.uv[0][0],face.uv[0][1],face.uv[1][0],face.uv[1][1],face.uv[2][0],face.uv[2][1]) )
   out.write('</texturecoords>\n')

</python>

Normals

Normalvektoren sind in Blender sowohl per Vertex als auch per Face abgespeichert. Abhängig, davon ob eine Fläche als Smooth (per Vertex) oder Solid (per Face) dargestellt wird, werden die die entsprechenden Normalvektoren ausgewählt. Damit auch Klötze mit Kanten dargestellt werden können müssen beide Fälle berücksichtigt werden. Im Fall Solid müssen für alle Vertices der Fläche der Normalvektor der Fläche verwendet werden. Im Fall Smooth muss hier der Normalvektor der Vertices benutz werden. Auf keinen Fall sollte man nun die Vervielfachung der Vertices als Problem ansehen, da die verschiedenen Normalvektoren, diesen Nachteil wieder volkommen ausgleichen.

Tip: Da ganze Flächen als Solid keinerlei Optische Rundungen zulassen, ist der einzige Weg, echte Kanten an runden Objekten zu erzeugen in dem man das Mesch an der Stelle splittet. Leider muss man zum Splitten einen vollständigen Edgeloop auswählen. An Stellen die nicht kantig sein sollen muss man dann beide Vertices Makieren und mit "remove doubles" vereinen.

Auch hier ersst einmal ein einfaches Beispiel was haufig schon genügen sollte:

<python>

 out.write('<normals>\n')
 for face in msh.faces:
    for vert in face.v:
       out.write( ' %f, %f, %f,' % (msh.verts[vert.index].no.x, msh.verts[vert.index].no.y, msh.verts[vert.index].no.z) )
    out.write('\n')
 out.write('</normals>\n')

</python>

Besser wird es, wenn Smooth/Solid berücksichtigt wird. <python>

 out.write('<normals>\n')
 for face in msh.faces:
   if (face.smooth==1):
     for vert in face.v:
       out.write( ' %f %f %f' % (msh.verts[vert.index].no.x, msh.verts[vert.index].no.y, msh.verts[vert.index].no.z))
     out.write('\n')
   else:
     for vert in range(0,3):
       out.write( ' %f, %f, %f,' % (face.no.x, face.no.y, face.no.z))
     out.write('\n')
 out.write('</normals>\n')

</python>

Vertuxgruppen / Bones

Ohne Vertexgruppen und Bones lassen sich keine Animationen mit Hilfe des Vertexshaders realisieren. Diesen Teil können alle überspringen, die keine Vertexshader zum Animieren benutzen wollen. Die Daten liegen in Blender in einer für Vertexshader leicht unbrauchbaren Form vor und müssen etwas aufbereitet werden. In jeder Vertexgruppe, auf die man auch noch über Ihren Namen zugreifen muss, liegt eine Liste mit der Vertexnummer und der Gewichtung. Für einen Vertexshader benötigen wir pro Vertex einen Index, der die Vertexgruppe/Bone beschreibt und die Gewichtung. Außerdem müssen wir uns voher entscheiden, wie viele Bones wir maximal pro Vertex berücksichtigen.

Bei Mangel an "attribute" Variablen macht es Sinn, die Gewichtung (muss kleiner als 1 sein) mit den Indizies zu addieren. Im Shader könnte man die dann wieder herausrechnen.

Als erstes den Codeblock zum aufbereiten der Daten. Es ist wichtig, dass die Variable num_of_vertexgroups.val die erwünschte Anzahl von Vertexgruppen enthällt: <python>

 vertGroupData = []
 groups = msh.getVertGroupNames()
 for vert in msh.verts:
   list = []
   count = 1
   for group in groups:
     if (len(msh.getVertsFromGroup(group,0,[vert.index]))==1):
       list += [(msh.getVertsFromGroup(group,1,[vert.index])[0][1],count)]
     count += 1
     list.sort()
     list.reverse()
     for i in range(0,num_of_vertexgroups.val):
       list += [(0.0, 0)]
     vertGroupData += [(list[0:num_of_vertexgroups.val])]

</python> Hinweis: Es gibt noch mit getVertexInfluences() eine bessere Methode zum ermitteln welche Vertexgruppe zu einem Vertex gehöhrt. Dann wäre jedoch der einsatz eines Dictonarys nötig.

Nun noch der Code zum schreiben: <python>

 out.write('<vertexgroups comp="%i">\n<weight>\n' % num_of_vertexgroups.val)
 for face in msh.faces:
   for vert in face.v:
     for group in vertGroupData[vert.index]:
       out.write( ' %f' % (group[0]))
   out.write('\n')
 out.write('</weight>\n<index>\n')
 for face in msh.faces:
   for vert in face.v:
     for group in vertGroupData[vert.index]:
       out.write( ' %i' % (group[1]))
   out.write('\n')
 out.write('</index>\n</vertexgroups>\n')

</python>

Tangenvektor / TBN Matrix

Ohne die TBN Matrix lässt sich in den shadern kein sinvolles Bumpmapping durchführen. Dummerweise Sind die meisten vorhandenen oder mir bekannten Methoden zum berechnen der TBN Matrix aufgrund von Normalisierungen gerade einma noch für Dotprodukt Normalmapping zu gebrauchen. Paralaxmapping oder Reliefmapping sind mit solchen Matrix nicht mehr richtig darstellbar. Eine TBN Matrix besteht aus drei Vektoren, die den Texturespace aufspannen:

Normal Er steht immer Senkrecht zur Oberfläche. Eigendlich entspricht er genau dem Normalvektor wie wir ihn kennen. Allerdings gibt es eine Ausnahme: Beim Paralax und Reliefmapping repräsentiert seine Länge den Masstab für die dritte Texturkoordinate (Im Editor wäre sie W, auch wenn die Texturkoordinaten in OpenGL s, t, p und q sind), Wenn der Normalvektor eh im Pixelshader normalisiert wird, dann entspricht dieser Normalvektor dem schon bekanntem. Tangent Er liegt tangential auf der Textur und ist dort zur U Achse ausgerichtet. Wieder einmal kann man überlegen ob es nun beteutet Senktrecht zum Normal oder Parallel zu Fläche des Dreieckes. Wer keine Kopfschmerzen hat macht sich welche. Bitangent Häufig wird er auch Binormal genannt, jedoch beschreibt Bitangent die Funktion besser. Er ist wie der Tangent tangential zur V Achse der Textur ausgerichtet. Wer meint Bitangent lässt sich durch das Kreutzprodukt von Normal und Tangend berechnen, hat nur recht wenn die Textur keine Scherung enthällt.

Wenn ich es schaffen sollte einen brauchbaren Code zum erzeugen einer Brauchbaren TBN Matrix zu schreiben kommt er hier rein

Code zum erzeugen der Tangent und Bitangent Vektoren pro Face: <python> def createFaceTan(msh):

 ftan = []
 for face in msh.faces:
   tan = msh.verts[face.v[2].index]-msh.verts[face.v[0].index]
   if (face.uv[2][1] != face.uv[1][1]):
     m = (face.uv[2][1]-face.uv[0][1])/(face.uv[2][1]-face.uv[1][1])
     tan += msh.verts[face.v[1].index]-msh.verts[face.v[2].index] * m
   tan.normalize()
   ftan += [tan]
 return ftan

def createFaceBit(msh):

 fbit = []
 for face in msh.faces:
   bit = msh.verts[face.v[1].index]-msh.verts[face.v[0].index]
   if (face.uv[1][0] != face.uv[2][0]):
     m = (face.uv[1][0]-face.uv[0][0])/(face.uv[1][0]-face.uv[2][0])
     bit += msh.verts[face.v[2].index]-msh.verts[face.v[1].index] * m
   bit.normalize()
   fbit += [bit]
 return fbit

</python>

http://wiki.delphigl.com/index.php/TBN_Matrix

Optimierung der Daten

Bisher haben wir uns Hauptsachlich damit beschäftig wie wir die Daten aus der Blenderstruktur auszulesen und in ein Vertexbufferobjekt kompatible daten unzuformen. Wen die Modelle größer werden oder komplette Level in Blender realisiert werden sollen macht es Sinn die Daten so umzusortieren, das Triangles mit ähnlichen Eigenschaften wie Ort oder Ausrichtung nah im Vertexbufferobjekt beieinander liegen.

Octree

Beim Octree werden nur die Teile gerender, bei denen voher bekannt ist, dass sie sichtbar sind, leider ist die Baumstruktur eines Octtrees auf dem erstem Blick völlig inkompatibel zu dem linearem Verlauf des Vertexbuffersobjektes.

Um die Faces in den Octree einzusortieren muss von jedem der Schwerpunkt berechnet werden. Die Position im Octree wird mit einer art Hashfunktion berechnet, die erst aus den X Y und Z Koordinaten Integerwerte von 0 bis 1023 bildet und deren Bits so zusammensortiert, dass ein einziger Wert von 0 bis 2^30-1 ensteht. Nach dem die Faces sortiert werden:

<python> def octree(msh):

 # Boundingbox for Octree. 
 # Warnung: bei mehreren VBOs sollte die gleiche Boundingbox verwendet werden,
 # damit nur einmal auf sichbarkeit überprüft werden muss
 mini = msh.verts[0].co * 1.0
 maxi = msh.verts[0].co * 1.0
 for vert in msh.verts:
   mini.x = minimum (mini.x,vert.co.x)
   mini.y = minimum (mini.y,vert.co.y)
   mini.z = minimum (mini.z,vert.co.z)
   maxi.x = maximum (maxi.x,vert.co.x)
   maxi.y = maximum (maxi.y,vert.co.y)
   maxi.z = maximum (maxi.z,vert.co.z)
 size = max (maxi.x-mini.x,maxi.y-mini.y,maxi.z-mini.z)
 #Hashberechnung
 optindex = []
 count = 0
 for face in msh.faces:
   center = msh.verts[0].co * 0.0
   for vert in face.v:
      center += msh.verts[vert.index].co
   #range 0.0 ... 1.0
   center *= 1.0 /( len(face.v) * size * 2.0)
   center.x += 0.5
   center.y += 0.5
   center.z += 0.5
   ix = int (center.x * 1023)
   iy = int (center.y * 1023)
   iz = int (center.z * 1023)
   sortby  = (ix&512)<<18 | (ix&256)<<16 |(ix&128)<<14 | (ix&64)<<12 |(ix&32)<<10 | (ix&16)<<8 |(ix&8)<<6 | (ix&4)<<4 |(ix&2)<<2 | (ix&1)<<0
   sortby |= (iy&512)<<19 | (iy&256)<<17 |(iy&128)<<15 | (iy&64)<<13 |(iy&32)<<11 | (iy&16)<<9 |(iy&8)<<7 | (iy&4)<<5 |(iy&2)<<3 | (iy&1)<<1
   sortby |= (iz&512)<<20 | (iz&256)<<18 |(iz&128)<<16 | (iz&64)<<14 |(iz&32)<<12 | (iz&16)<<10|(iz&8)<<8 | (iz&4)<<6 |(iz&2)<<4 | (iz&1)<<2
   optindex += [(sortby,count)]
   count += 1
 #Umsortierung der Daten
 optindex.sort()
 flist=[]
 for i in optindex:
   flist += [msh.faces[i[1]]]
 msh.faces=flist
 #Hier sollten noch die Verwaltungsdaten für den Octree geschrieben werden
 #Diese Code fehl allderings noch

 return msh

</python> Diese Funktion sollte dierekt nach dem umwandeln der Quads in Triangles aufgerufen werden, da die Reihfolge der Triangles geändert wird.

Prinzipiell gibt es für jedes würfelförmige Volumen nur eine Start und Stopindexnummer die beim Rendern übergeben werden muss:

glDrawArrays( GL_TRIANGLES, start, stop - start);

Grundsätz sollte beachtet werden, dass es bei der Verwendung von VBOs möglichst viele Triangles auf einmal gerendert werden sollen. Wo die untergrenze Pro volumen liegt lässt sich schwer sagen, es mach aber Sinn, diese jenseits der 1000-10000 anzusetzten.

Vorsortierung nach Vertexgruppen/Bones

Es ist zwar noch kein Algoritmus zum sortieren vorhanden, jedoch ist es bei animierten Modellen sinnvoll möglichst ganze Bones auf einmal abzuarbeiten, da ein Bone ganze 12 Uniform Floats im Vertexshader verbraucht (9 für eine Rotationsmatrix und 3 für das Gelenk). Laut GLSL Spezifikation soll man minimal 512 davon haben, was maximal 40 Bones entspricht. Dummerweise scheint es so als wenn einige Grafikkarten nur 256 Uniform Floats zur Verfügung stellen, was zur Folge hat, das nur noch 20 Bones möglich wären. Eine primitive Optimierung wäre nur einen halbes Model zu speichen. und für die zweite hälfte das gleiche Mesh gespiegelt mit neuen Bones zu verwenden.

Die Sinvollste Variante ist die schon erzeugten Vertexgruppendaten zum Sortieren zu benutzen: Die Gruppe mit der höchsten Gewichtung wird zum einsortieren benutzt. Alle Vertices die nicht in einer Gruppe sind, landen in einer extra gruppe. Diese Gruppen werde nun so umsortiert, dass Gruppen mit gegenseitigem Einfluss na beieinander landen. und Vertexgruppen die sih nicht beeinflussen weit von einander im VBO entfernt liegen.

Zusätzliche Optionen Abfragen

Ein Exporter ist schön, etwas unschön ist es bis jetzt, das die Ausgabe immer statisch nach dem gleichem Schema erfolgt. Um bestimmte Optionen aktivirbar und deaktivirbar zu machen, ist es nötig einen Dialog zu öffene, dessen eingaben in globalen Variablen abgelegt werden. Aus codetechnischer sicht ist es einfacher die Optionen vor dem Filedialog abzufragen. Damit ein Dialog verwendet werden kann sind ein paar Änderungen am Code nötig.

Folgende Funktionen und globale Variablen müssen eingefügt werden:

<python> num_of_vertexgroups = Create(4) TMenu = Create(1) EVENT_NOEVENT = 1 EVENT_EXPORT = 2 EVENT_CANCEL = 3

def draw():

 global num_of_vertexgroups,TMenu
 global EVENT_NOEVENT,EVENT_EXPORT
 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
 glRasterPos2d(10, 125)
 Text("DGL Exporter Options")
 
 TMemu = Menu("Normal|Normal+Tangent|TBN-Matrix",EVENT_NOEVENT,10,75,210,18,  1)
 num_of_vertexgroups= Number("No of Vertgroups: ", EVENT_NOEVENT, 10, 55, 210, 18,num_of_vertexgroups.val, 0, 10, "Number of Vertgroups per Vertex");
 Button("Export",EVENT_EXPORT, 140, 10, 80, 18)
 Button("Cancel",EVENT_CANCEL, 10, 10, 80, 18)
 

def event(evt, val):

  if (evt == QKEY and not val): 
     Exit()

def bevent(evt):

 global EVENT_NOEVENT,EVENT_EXPORT
 if (evt== EVENT_EXPORT): 
   Blender.Window.FileSelector(write, "Export")
 elif (evt == EVENT_CANCEL):
   Exit()

</python> Code noch nicht fertig

Die letzte Zeile, welche den Filedialog geöffnet hat, wird durch folgende ersetzt: <python> Register(draw, event, bevent) </python>

Damit die write funktion keine Endloschleife verursacht, sollte sie noch um Exit() ergänst werden.

Externe Links

http://en.wikibooks.org/wiki/Blender_3D:_Noob_to_Pro/Advanced_Tutorials/Python_Scripting/Export_scripts