Введение в OpenGL

Лекция 9Алексей Игнатенко

На лекции

Что такое OpenGLАрхитектура OpenGLРабота с библиотекойКоманды 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)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)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

Прикладная программаПрикладная программа

GLUGLU

GLGL

GLUTGLUT

Win32 APIWin32 API

Буфер кадраБуфер кадра

Сопутствующие APIAGL, 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

Прикладная программаПрикладная программа

GLUGLU

GLGL

GLUTGLUT

Win32 APIWin32 API

Буфер кадраБуфер кадра

Что нужно для работы с OpenGLЧто нужно для работы с OpenGL

.cpp

opengl32.lib gl.h

glu32.lib glu.h

glut32.lib

glut.h

opengl32.dllglu32.dll

glut32.dll

.exeC++

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)

КонвейерОбработка вершин и сборка примитивовОбработка вершин и сборка примитивов

Растеризация и обработка фрагментовРастеризация и обработка фрагментов

Операции над пикселямиОперации над пикселями

Передача данных в буфер кадраПередача данных в буфер кадра

ТекстурыТекстуры

Источники светаИсточники света

Атрибуты вершинАтрибуты вершин

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 = объектНабор объектов + набор источников света + камера = сценаИзменение 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 )

2 – (x, y)3 – (x, y, z)4 – (x, y, z, w)

Число компонент

B – byteub – unsigned bytes – shortus – unsigned shortI – intui – unsigned intf – floatd – double

Тип данных

«v» отсутствует для скалярных форм

glVertex2f(x,y)

Вектор

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_POLIGON

GL_TRIANGLES

GL_QUADS

GL_TRIANGLE_STRIPGL_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 треугольникglBegin(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 рисованияОпределить константные атрибуты и свойства

(источники света, текстуры и т.д.)На каждом кадре:

1. Очистить буфер кадра2. Задать положение наблюдателя3. Для каждого объекта

1. Определить преобразование2. Передать атрибуты3. 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)

2) Заполнение экранных буферов

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

]1,0[alphablue,green,red,

Преобразования координат в OpenGL

Каждая вершина объекта задается в локальных координатах модели

Необходимо определить•модельно-видовое преобразование •проективное преобразование

Преобразование координатПреобразование координат

0MVVe

Отсечение:

ccd

ccd

ccd

wzz

wyy

wxx

/

/

/

Viewport

Vi={Ps,RGBA,…}

]1,1[

]1,1[

]1,1[

d

d

d

z

y

x

0

0

0

0

0

w

z

y

x

V

e

e

e

e

e

w

z

y

x

V

ec PVV

c

c

c

c

c

w

z

y

x

V

ccc

ccc

ccc

wzw

wyw

wxw

Матрицы преобразованийМатрицы преобразований

void glMatrixMode(Glenum mode); mode={GL_MODELVIEW|GL_PROJECTION}

void glLoadIdentity();

EM void glMultMatrixd(GLdouble c[16]);

]15[]11[]7[]3[

]14[]10[]6[]2[

]13[]9[]5[]1[

]12[]8[]4[]0[

cccc

cccc

cccc

cccc

MM

Выбираем матрицу преобразований для изменения:

Две основные операции над матрицами:

Матрицы преобразований (2)Матрицы преобразований (2)

void glTranslated(GLdouble x, GLdouble y, GLdouble z);

void glScaled(GLdouble x, GLdouble y, GLdouble z);

void glRotated(GLdouble angle, GLdouble ax, GLdouble ay, GLdouble az);

void gluPerspective(GLdouble fov, GLdouble aspect, GLdouble znear, GLdouble zfar);

Стек матриц Стек матриц

glLoadIdentity();glTranslated(…);

glPushMatrix();glRotated(…);glPopMatrix();

glPushMatrix();glRotataed(…);glPopMatrix();

E

T

TT*R1

TT*R2

T

Модельно-видовое преобразование

OpenGL не имеет раздельных матриц для видового и модельного преобразования

Поэтому нужно задавать сразу произведение:

mdlview MMM

Модельное преобразование

Обычно перенос, поворот, масштабирование модели

glTranslate, glRotate, glScale

Видовое преобразование Видовое преобразование

gluLookAt( eyex, eyey, eyez, aimx, aimy, aimz,

upx, upy, upz)

Настройка виртуальной камеры

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 преобразование

Геометрия

Внимание! При определении геометрии к ней применяется текущий набор матриц преобразования!

Демо

Проективное преобразование

glMatrixModel(GL_PROJECTION);

gluPerspective(…)

Как работает gluPerspectiveКак работает gluPerspective

X

Y

Z

0

O1

O2

A1B1

C1 D1

A2

B2

C2D2

void gluPerspective(GLdouble fov, GLdouble aspect, GLdouble znear, GLdouble zfar);

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