ВВЕДЕНИЕ В OPENGL

Астана (22 .02. 2003) Компьютерная графика (лекция 6)

ВВЕДЕНИЕ В OPENGL

Лекция 6


План лекции

• Что такое OpenGL

• Работа с библиотекой

• Обзор архитектуры

• Функции OpenGL– Определение объектов– Преобразование координат– Освещение


Синтез изображений

for each polygon in model project polygon onto viewing plane for each pixel in polygon calculate pixel colour calculate pixel z-value compare pixel z-value to value stored for pixel in z-

buffer if pixel is closer, draw it in frame-buffer and z-buffer endend


Что такое OpenGL?

• OpenGL - прикладной программный интерфейс (API – Application Programming Interface) для разработки приложений в области трехмерной графики.

• Был утвержден в 1992 году – 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

• Текстурирование• 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


Организация OpenGL

• Состоит из набора библиотек

Прикладная программаПрикладная программа

GLUGLU

GLGL

GLUTGLUT

GLXGLX

Win32 APIWin32 API

Буфер кадраБуфер кадра


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 Tookkit)– Переносимый оконный API– Неофициальная часть OpenGL


OpenGL и сопутствующие API

Application program

X, Win32, Mac OS GL

Software and/or hardware

GLUGLX, AGL or

WGL

GLUTOpenGL motif widget

or similar


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.


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


КонвейерАппроксимация кривых и поверхностейАппроксимация кривых и поверхностей

Обработка 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

Атрибуты вершинАтрибуты вершин

Источники светаИсточники света


Функции OpenGL

• Описание примитивов• Описание источников света• Задание атрибутов• Визуализация• Геометрические преобразования


Начальные cведения

• Заголовочные файлы– #include <GL/gl.h>– #include <GL/glu.h>– #include <GL/glut.h>

• Библиотеки

• Перенумерованные типы– OpenGL определяет перенумерованные типы

для совместимости• GLfloat, GLint, GLenum и т.д


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


Пример кода

• Цветной треугольникglBegin(GL_TRIANGLES)

glColor2f(0.0f,1.0f);

glVertex2f(50, 150);


glEnd();


Определение объектов сцены

• 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


Геометрические примитивы

GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP

GL_LINE_LOOP

GL_POLIGONGL_TRIANGLES

GL_QUADS

GL_TRIANGLE_STRIPGL_TRIANGLE_FAN

GL_QUAD_STRIPE


Определение примитивов OpenGL

• Примитивы определяются, используя:

glBegin( prim_type );glEnd();

• prim_type определяет, каким образом будут комбинироваться вершины


Основные атрибуты

• Атрибуты вершины (vertex)– Положение в пространстве– Материал– Цвет– Нормаль

• Внимание: всегда используется ТЕКУЩИЙ набор атрибутов – OpenGL – конечный автомат


Пример кода

• Цветной треугольникglBegin(GL_TRIANGLES)

glColor2f(0.0f,1.0f);



glEnd();

Внимание: операторные скобки!


Процесс визуализации

1. Задать окно для рисования2. Определить константные атрибуты и свойства

(источники света, текстуры и т.д.)3. На каждом кадре:

1. Очистить окно2. Задать положение наблюдателя3. Для каждого объекта

1. Определить преобразование2. Передать атрибуты3. Передать геометрию


Преобразования в OpenGL

• Модельное преобразования

• Видовые преобразования– Ориентация камеры

• Проекция на плоскость камеры

• Перевод в систему координат устройства


Виртуальная камера

Камера

Штатив Модель

Видимый объем


Виртуальная камера и преобразования

• Преобразование проекции– Настройка линз камеры

• Видовое преобразование– Изменение положения камеры в пространстве

• Модельное преобразование– Изменение положения модели в пространстве

• Оконные (viewport) преобразования– Изменение размеров готовой фотографии


Координатные системы и преобразования

• Шаги для формирования изображения– Определение геометрии (мировая системы

координат)– Определение камеры (видовая система координат)– Проецирование (оконная система координат)– Перевод в экранные координаты (экранная

система координат)

• Каждый шаг использует преобразования• Каждая трансформация эквивалентна изменению системы координат


3D преобразования

• Каждая вершина транформируется с помощью матриц 4x4– Все аффиные операции – умножения

матриц– Все матрицы хранятся построчно в

OpenGL


Определение преобразований в OpenGL

• Программист имеет два стиля определения преобразований– Определяя матрицы (glLoadMatrix,

glMultMatrix)– Определяя операции (glRotate, glOrtho)

• Программист не обязан помнить точные формулы для вычисления матриц


Конвейер


Пример (1)


Пример (2)


Пример (3)


Пример (4)


Применение преобразований проекции

• Типичное использованиеglMatrixMode ( GL_PROJECTION );

glLoadIdentity ();

glOrtho ( left, right, bottom, top, zNear, zFar)


Видовые преобразования

• Установка «штатива» камеры, настройка объектива

• Чтобы «летать» по сцене– Задать видовое преобразование и

перерисовать сцену

• gluLookAt( eyex, eyey, eyez, aimx, aimy, aimz, upx, upy, upz)


Связь между модельным и видовыми преобразованиями

• Перемещение камеры = перемещение каждого объекта по отношению к фиксированной камере.

• Видовое преобразование эквивалентно нескольким модельным преобразованиям.


Левая и правая системы координат

• Преобразования проекции используют левую систему координат– Znear и Zfar – просто расстояния от точки зрения

• Во всех остальных случаях OpenGL использует правую систему координат

левая праваяx

y z+

x

y

z+


Принципы освещения

• Составляющие модели освещения OpenGL– Материал объекта определяет его

своейста его поверхности– Цвет и положение источника света– Глобальные параметры освещения

• рассеянный свет


Модель Фонга

• ambient = Ka,diffuse = Kd * cos(N, L),specular = Ks * (cos (R, V)) Ns

• intensity = ambient + amp * (diffuse + specular).


Как устроено освещение в OpenGL

• Модель Фонга– Вычисляется на вершинах

• Составляющие модели освещения– Свойства материала поверхности– Свойства источника света– Свойства модели освещения


Свойства материала

• Определение свойств материала для примитива glMaterialfv (face, property, value)

GL_DIFFUSE

GL_SPECULAR

GL_AMBIENT

GL_EMISSION

GL_SHININESS


Свойства источника света

• glLightfv ( light, property, value )

– цвет источника– положение– затухание


Типы источников света

• OpenGL поддерживает два типа источников света– Локальные (точечные) источники– Бесконечно удаленные (параллельные)

источники

• Тип определяется координатой w– w = 0 параллельный источник– W 0 точечный источник (x / w, y / w, z /w)

Documents

ВВЕДЕНИЕ В OPENGL