Введение в OpenGL Лекция 9 Алексей Игнатенко

Введение в OpenGL
Лекция 9
Алексей Игнатенко
На лекции
Что такое OpenGL
Архитектура OpenGL
Работа с библиотекой
Команды OpenGL
• Определение геометрии
• Преобразование геометрии
• Проекции
Фотореализм vs. Скорость
Фотореализм
• трассировка лучей
• излучательность
Скорость
• Метод преобразований
Что такое OpenGL?
OpenGL – кросс-платформенная библиотека
функций для создания интерактивных 2D и
3D приложений
Является отраслевым стандартом с 1992 года
• Основой стандарта стала библиотека IRIS GL,
разработанная фирмой Silicon Graphics Inc.
Основная функция: интерактивная
визуализация трехмерных моделей
Возможности
Вывод цветных изображений высокого качества,
составленных из геометрических и других
примитивов
Расчет освещения от нескольких источников света
Различные виды текстурирования
Удаление невидимых поверхностей
Анимация, трехмерные преобразования
Почему OpenGL?
Аналогичные библиотеки:
DirectX (Direct3D), Java 3D
OpenGL
• Стабильность (с 1992 г.)
• Переносимость
– Независимость от оконной и операционной системы
• Легкость применения
– Простой интерфейс, реализации для различных ЯП
– Низкие затраты на обучение
• Подходит для обучения студентов!
Литература
Ю.М. Баяковский,
А.В. Игнатенко,
А.И. Фролов.
Графическая библиотека
OpenGL.
Есть в библиотеке!
Литература (2)
Ю. Тихомиров. OpenGL. Программирование трехмерной
графики, БХВ – Петербург, 2002
Эдвард Энджел. Интерактивная компьютерная графика.
Вводный курс на базе OpenGL, 2-е изд., Вильямс, 2001
Литература (3)
Ву Мейсон, Нейдер Джеки, Девис Том, Шрайнер Дейв.
OpenGL. Руководство по программиста. Диа-Софт, 2002.
Френсис Хилл. OpenGL. Программирование компьютерной
графики. Для профессионалов. Питер. 2002
Организация OpenGL
Состоит из набора библиотек
• пример для Win32
GLU
Прикладная
программа
Буфер кадра
GL
Win32 API
GLUT
Сопутствующие API
AGL, GLX, WGL
• Связь между OpenGL и оконной системой
GLU (OpenGL Utility Library)
• Часть OpenGL
• NURBS, tessellators, quadric shapes, etc
GLUT (OpenGL Utility Toolkit)
• Переносимый оконный API
• Неофициальная часть OpenGL
GLU
Прикладная
программа
Буфер кадра
GL
Win32 API
GLUT
Что нужно для работы с OpenGL
opengl32.lib
glu32.lib
.cpp
gl.h
glu.h
opengl32.dll
glu32.dll
.exe
C++
glut.h
glut32.lib
glut32.dll
Архитектура OpenGL
Клиент-сервер
• Клиент - приложение
Конвейер
• Данные обрабатываются последовательно, в несколько
этапов.
Набор команд
• Использует аппаратуру, если возможно
Конечный автомат
• Значение переменных – состояние
• Команды изменяют состояние
С какими геометрическими
моделями работает OpenGL?
OpenGL работает с моделями, заданными в
полигональном представлении
Поверхность приближается
набором полигональных
граней (face, polygon)
Границы граней описываются
ребрами (egde)
Часть отрезка, формирующего
ребро, заканчивается
вершинами (vertex)
Конвейер
Атрибуты
вершин
Обработка вершин и
сборка примитивов
Растеризация и
обработка фрагментов
Источники
света
Текстуры
Операции над пикселями
Передача данных в буфер
кадра
Вершина любого объекта в
момент определения
немедленно передается в
конвейер, и проходит все
его ступени
Терминология
Графический примитив
• Точка, линия, многоугольник и т.д.
Команда OpenGL
• Вызов функции библиотеки
Вершина
• Определяет точку, конец отрезка или угол
многоугольника
Атрибут вершины
• Цвет, нормаль, текстурные координаты и т.д.
Терминология (2)
Тип примитива + набор вершин + набор атрибутов
= объект
Набор объектов + набор источников света + камера
= сцена
Изменение положения камеры = перемещение по
сцене.
Изменение положения объектов в сцене или
атрибутов = анимация
Как рисовать объекты с
помощью OpenGL?
Объекты на экране рисуются путем
последовательной передачи в конвейер
вершин примитивов, которые составляют
объект
• команды передача данных
Обработка данных на каждом этапе
конвейера может быть настроена через
• команды изменения состояния
Команды OpenGL
Описание примитивов
• Точки, треугольники
Описание источников света
• Положение, цвет и т.д.
Задание атрибутов
• Цвет, материал, текстура примитива
Геометрические преобразования
• Поворот, перенос объектов, положение камеры
Визуализация
• Управление отображением на экран
Формат команд OpenGL
glVertex3fv ( v )
Тип данных
Число
компонент
2 – (x, y)
3 – (x, y, z)
4 – (x, y, z, w)
B
ub
s
us
I
ui
f
d
– byte
– unsigned byte
– short
– unsigned short
– int
– unsigned int
– float
– double
Вектор
«v» отсутствует
для скалярных
форм
glVertex2f(x,y)
Определение примитивов в
OpenGL
Объект определяется с помощью набора граней, грани
задаются через задание набора вершин
glVertex{234}{df}[v]()
• команда определения положения вершины
Для получения примитива необходимо связать вершины между
собой
Для этого используется так называемая модель Begin/End
glBegin( prim_type );
glEnd();
glVertex{234}{df}[v]()
Типы примитивов OpenGL
GL_POINTS
GL_LINES
GL_LINE_STRIP
GL_TRIANGLES
GL_TRIANGLE_STRIP
GL_POLIGON
GL_QUADS
GL_QUAD_STRIPE
Атрибуты вершин
Каждая вершина кроме положения в
пространстве может иметь несколько других
атрибутов
• Материал
• Цвет
• Нормаль
• Текстурные координаты
Внимание: всегда используется ТЕКУЩИЙ
набор атрибутов
• OpenGL – конечный автомат
Пример кода
Цветной треугольник
glBegin(GL_TRIANGLES);
glColor2f(0.0f,1.0f);
glVertex2f(150.0f, 50 .0f);
glVertex2f(50.0f, 150 .0f);
glVertex2f(200 .0f, 200 .0f);
glEnd();
Таким образом можно задать
любой объект! Теперь задача в
том, чтобы показать этот объект
на экране
Демо
Процесс визуализации
Задать окно для рисования
Определить константные атрибуты и свойства (источники
света, текстуры и т.д.)
На каждом кадре:
1. Очистить буфер кадра
2. Задать положение наблюдателя
3. Для каждого объекта
1. Определить преобразование
2. Передать атрибуты
3. Передать геометрию
4. Обновить содержимое окна
Определение окна для
рисования
glViewport(x, y, width, height)
Команда задает окно внутри текущего окна,
в которое будет производится вывод OpenGL
Работа с буфером кадра
1) Задание цвета для заполнения буфера
кадра
glClearColor(red, green, blue, alpha)
red,green,blue,alpha [0,1]
2) Заполнение экранных буферов
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
Преобразования координат
в OpenGL
Каждая вершина объекта задается в
локальных координатах модели
Необходимо определить
• модельно-видовое преобразование
• проективное преобразование
Преобразование координат
 x0 
y 
V0   0 
 z0 
 
 w0 
Ve  MV0
 xe 
y 
Ve   e 
 ze 
 
 we 
Vc  PVe
 xc 
y 
Vc   c 
 zc 
 
 wc 
Viewport
xd  [1,1]
yd  [1,1]
z d  [1,1]
Отсечение:
Vi={Ps,RGBA,…}
xd  xc / wc
yd  yc / wc
z d  zc / wc
 wc  xc  wc
 wc  yc  wc
 wc  zc  wc
Матрицы преобразований
 Выбираем матрицу преобразований для изменения:
void glMatrixMode(Glenum mode);
mode={GL_MODELVIEW|GL_PROJECTION}
 Две основные операции над матрицами:
void glLoadIdentity();
M E
void glMultMatrixd(GLdouble c[16]);
c[0]
 c[1]
M  M 
c[2]

 c[3]
c[12]
c[5] c[9] c[13]
c[6] c[10] c[14]

c[7] c[11] c[15]
c[4]
c[8]
Матрицы преобразований (2)
void glTranslated(GLdouble x,
GLdouble y,
GLdouble z);
void glScaled(GLdouble x,
GLdouble y,
GLdouble z);
void glRotated(GLdouble
GLdouble
GLdouble
GLdouble
angle,
ax,
ay,
az);
void gluPerspective(GLdouble
GLdouble
GLdouble
GLdouble
fov,
aspect,
znear,
zfar);
Стек матриц
E
glLoadIdentity();
glTranslated(…);
glPushMatrix();
glRotated(…);
glPopMatrix();
T
T
T*R1
T
glPushMatrix();
glRotataed(…);
glPopMatrix();
T
T*R2
Модельно-видовое
преобразование
OpenGL не имеет раздельных матриц для
видового и модельного преобразования
Поэтому нужно задавать сразу
произведение:
M  M view  M mdl
Модельное преобразование
Обычно перенос, поворот, масштабирование
модели
glTranslate, glRotate, glScale
Видовое преобразование
 Настройка виртуальной камеры
gluLookAt( eyex, eyey, eyez,
aimx, aimy, aimz,
upx, upy, upz)
 eye – координаты наблюдателя
 aim – координаты “цели”
 up – направление вверх
Модельно-видовое
преобразование (2)
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
gluLookAt(..);
glTranslate(…);
glRotate(…);
glTranslate(…);
glBegin(…);
…
glEnd();
Виртуальная
камера
Модельное
преобразова
ние
Геометрия
Внимание! При
определении
геометрии к ней
применяется
текущий набор
матриц
преобразования!
Демо
Проективное
преобразование
glMatrixModel(GL_PROJECTION);
gluPerspective(…)
Как работает gluPerspective
void gluPerspective(GLdouble
GLdouble
GLdouble
GLdouble
fov,
aspect,
znear,
zfar);
Y
C1
D2
C2
O2
D1
B2
O1
B1
0
Z
X
A2
A1
fov = D1OA1 (в градусах)
aspect = C1D1/D1A1
znear = |OO1|
zfar = |OO2|
Итоги
OpenGL
• Кросс-платформенная библиотека функций для
создания интерактивных 2D и 3D приложений
Архитектура
• Клиент-сервер, конвейер, конечный автомат
Определение геометрии
• glVertex, glBegin, glEnd
Преобразования геометрии
• glMatrixMode, glTranslate, glRotate, glScale,
gluPerspective, … , glViewport