Ю.М. Баяковский, А.В. Игнатенко - Начальный курс OpenGL (DOC) (1124366), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Книга состоит из трех частей и двух приложений. Первая часть посвящена непосредственно описанию работы с библиоте­кой, основным командам и переменным. Во второй части рас­сматриваются принципы реализации более сложных алгоритмов компьютерной графики с помощью средств OpenGL. В третьей части приводится описание настройки работы с OpenGL в раз­личных интегрированных средах программирования и создание приложений, применяющих OpenGL для синтеза изображений. В приложениях можно найти демонстрационные программы на OpenGL и примеры практических заданий для самоконтроля.

В пособии рассматривается стандарт OpenGL 1.2.

Часть I

_{Основы OpenGL}

Глава 1.

Графический процесс и OpenGL

Прежде чем перейти к описанию функций OpenGL, необхо­димо понять ее место в процессе формирования изображения на экране, определить область, задачи которой можно решать с по­мощью библиотеки.

1.1. Графический процесс

Традиционной задачей компьютерной графики является син­тез изображений объектов реального мира (как существующих, так и воображаемых). Для того, чтобы сделать такой синтез воз­можным, на входе алгоритма необходимы следующие данные:

Геометрические модели задают форму и внутреннюю струк­туру объекта, обычно в трехмерном евклидовом простран­стве. Примеры простых моделей:

• сфера, заданная с помощью положения центра и ра­диуса;

17

18

Глава 1. Графический процесс и OPENGL

• куб, заданный через положение центра и длины ребра.

Анимация служит для задания модели движения, изменения формы или материала объекта с течением времени. На­пример, продольное перемещение объекта вдоль оси х со скоростью s м/с может быть задано с помощью формулы: x(t) = st.

Материалы и текстуры определяют, как поверхность объек­та взаимодействует со светом. Материалы необходимы для получения изображения объекта, с их помощью вычисля­ется количество отраженного света, попадающего в «глаз» виртуального наблюдателя. Простейшая модель материа­ла— цвет объекта.

Освещение задает расположение и характеристики источников света, что в совокупности с материалом позволяет высчи­тать цвет каждой точки объекта, изображение которого требуется построить. Пример модели освещения: солнце, задаваемое направлением и мощностью излучения.

Виртуальная камера определяет, как трехмерные данные бу­дут отображаться (проецироваться) на двухмерное изобра­жение.

Заметим, что для задач, не требующих реалистичности по­лучаемого изображения (например, научная визуализация), ма­териалы могут сводиться к простейшим формам, например, к разным цветам объектов, а освещение — отсутствовать.

Далее в дело вступает алгоритм синтеза изображений, в опи­сываемом частном случае называемый процессом экранизации (rendering). Имея на входе набор моделей, алгоритм должен по­строить соответствующее изображение на экране монитора.

Описанная схема графической обработки от получения гео­метрической модели объекта до синтеза изображения на экране называется графическим процессом.

1.2. Геометрические модели

19

Остановимся более подробно на том, какую помощь OpenGL оказывает в реализации графического процесса.

Вэа и модействие

чт-

Редактирование и обработка

Получение/—' N. .
эа-рузка ^

данных П/'

Экранизация

Выводе буфер кадра_г

Вывод на

П рикладная программа

OpenGL

Оконная подсистема

Рис. 1.1. Графический процесс и место OpenGL в нем.

1.2. Геометрические модели

В компьютерной графике используется большое количество разнообразных моделей для описания формы. Причиной этого является очевидная невозможность полностью оцифровать ре­альный объект. Следовательно, необходимо выбирать те особен­ности объекта, которые важны для конкретной задачи и задан­ного класса объектов. В частности, модели можно поделить на объемные и граничные. Объемные модели позволяют описать внутренность объекта, а граничные — геометрические свойства поверхности. Пример объемной модели показан на рисунке 1.2.

В настоящее время наибольшую популярность завоевали гра­ничные модели, получаемые с помощью локальной кусочно-линейной аппроксимации поверхности. Такая модель представ­ляет собой набор связанных через общие вершины многоугольни­ков (полигонов), поэтому эти модели еще называет полигональ-

20

Глава 1. Графический процесс и OPENGL

Рис. 1.2. Объемная (воксельная) модель тора

ными. Причина популярности полигональных моделей кроется в их чрезвычайной гибкости и простоте, что позволило поддер­жать операции с такими моделями в графической аппаратуре. Пример граничной модели приведен на рисунке 1.3.

Основным типом геометрических моделей, поддерживаемым OpenGL, являются как раз граничные полигональные модели. Отметим, что при этом библиотека не содержит каких-либо средств поддержки хранения данных на внешних носителях. Также в библиотеке нет средств для обработки и редактиро­вания моделей — единственной задачей OpenGL является реали­зация алгоритмов экранизации трехмерных моделей.

Более подробно работа с моделями описана в главе 3.

1.3. Анимация

Анимация в настоящее время в основном задается вручную (в пакетах компьютерного моделирования), либо с помощью устройств сканирования движения (motion capture), позволяю­щих оцифровать перемещение объектов (например — человека) или их частей (движения рук, ног, туловища).

OpenGL содержит аппарат линейных преобразований, кото­рый используется в том числе для задания простой анимации

l.J_h. Материалы

21

Рис. 1.3. Граничная полигональная модель

(поворот, перенос, масштабирование). Более сложные техноло­гии моделирования изменения формы и положения объектов (на­пример, на основе кривых) могут быть реализованы «поверх» библиотеки.

1.4. Материалы

Основными критериями выбора той или иной модели мате­риала для поверхности объекта являются требования по реали­стичности получаемого изображения и скорости работы алгорит­ма экранизации. Модель освещения применяется для каждого пикселя получаемого изображения, поэтому для задач, требую­щих интерактивного взаимодействия программы с пользовате­лем, обычно выбираются простые модели.

OpenGL изначально разрабатывалась как библиотека для программирования интерактивных графических приложений, в

22

Глава 1. Графический процесс и OPENGL

ней встроена одна из самых простых моделей материала — мо­дель Фонга. Также OpenGL поддерживает наложение текстур. В совокупности это позволяет добиваться достаточно реалистич­ной передачи свойств «простых» материалов типа пластика, де­рева и т.п. Подробно вопрос программирования материалов в OpenGL рассматривается в главе 5.

1.5. Освещение

Модель освещения неотделима от модели материала, поэто­му принципы се выбора определяются теми же требованиями. В реальном мире мы сталкиваемся с крайне сложными для мо­делирования условиями освещения — протяженными источника­ми света (небо, люминесцентные лампы), вторичным освещением (освещением от отражающих поверхностей) и т.п.

Стандарт OpenGL поддерживает точечные и параллельные источники света, цвет (мощность) которых задается в цвето­вой системе RGB (Red-Green-Blue). He поддерживаются протя­женные источники, спектральное задание мощности источников, вторичное освещение. Однако существуют алгоритмические при­емы, позволяющие моделировать и эти эффекты с помощью воз­можностей OpenGL. Кроме этого, всегда возможно использовать качественные алгоритмы для просчета освещения и передавать OpenGL уже вычисленные цвета точек, что позволяет задейство­вать аппаратные возможности для обработки геометрии.

1.6. Виртуальная камера

Параметры виртуальной камеры определяют способ отобра­жения трехмерных объектов в их двухмерное изображение. Су­ществует достаточно большое количество разнообразных моде­лей камер, различающиеся свойствами проекции и учетом ха-

1.7. Алгоритм экранизации

23

рактеристик реальных оптических систем (фотокамер, челове­ческого глаза).

В OpenGL поддерживается достаточно широкий класс мо­делей камер, описываемый линейным преобразованием в одно­родных координатах [15]. Этот класс ограничен моделированием камер с бесконечно малым размером диафрагмы (нет возможно­сти передачи глубины резкости) и линейными характеристиками проекции (нет возможности моделирования нелинейных искаже­ний).

1.7. Алгоритм экранизации

За время развития компьютерной графики было создано мно­жество алгоритмов экранизации, обладающих различными ха­рактеристиками по степени реалистичности изображения и ско­рости работы. В настоящее время основными являются два во многом противоположных направления — трассировка лучей и растеризация.

Алгоритмы трассировки лучей основаны на прослеживании (трассировке) распространения световой энергии от источников света до попадания на сетчатку глаза виртуального наблюдателя (результирующее изображение). Трассировка лучей и смежные алгоритмы в основном используются для получения фотореали­стичных изображений. В силу алгоритмической сложности на данный момент эти алгоритмы не получили распространения в задачах интерактивного синтеза изображений, где в основном используются подходы на основе растеризации.

Алгоритмы растеризации строят изображение с помощью преобразования геометрической модели таким способом, чтобы имитировать параметры используемой модели камеры. Т.е. для каждой точки (x,y,z) модели выполняется преобразование Т (обычно линейное), такое, что (x_s,y_s) = T(x,y,z), где (x_s,y_s) — координаты спроецированной точки на экране. В случае поли-

24

Глава 1. Графический процесс и OPENGL

тональной модели преобразование выполняется для каждой вер­шины полигона, после чего получаемая проекция переводится в растр на результирующей картинке. Освещение вычисляет­ся отдельно от преобразований, обычно с помощью достаточно простой модели.

OpenGL основана на экранизации с помощью растеризации. Ориентированность на полигональные модели вкупе с использо­ванием линейной модели камеры позволяет описать весь алго­ритм экранизации в терминах алгебры матриц и векторов 4-го порядка в евклидовом пространстве. В свою очередь, это поз­волило перенести большую часть операций алгоритма на спе­циализированные графические процессоры (в настоящее время ставшие стандартом).

Таким образом, алгоритм экранизации OpenGL ориентиро­ван на интерактивные приложения с достаточно ограниченной поддержкой моделей материалов и освещения. Однако, в силу простоты и гибкости стандарта библиотеки, с помощью ее ба­зовых функций возможно реализовать широкий спектр различ­ных моделей вплоть до физически-точных, оставаясь в рамках требований к интерактивным приложениям (во многом за счет широкой аппаратной поддержки OpenGL).

_{Глава 2.}

Введение в OpenGL

2.1. Основные возможности

Описывать возможности OpenGL мы будем через функции его библиотеки. Вес функции можно разделить на пять катего­рий:

• Функции описания примитивов определяют объекты ниж­
него уровня иерархии (примитивы), которые способна отоб­
ражать графическая подсистема. В OpenGL в качестве
примитивов выступают точки, линии, многоугольники и

т.д.

• Функции описания источников света служат для описа­ния положения и параметров источников света, располо­женных в трехмерной сцене.

• Функции задания атрибутов. С помощью задания атри­бутов программист определяет, как будут выглядеть на экране отображаемые объекты. Другими словами, если с помощью примитивов определяется, что появится на экране, то атрибуты определяют способ вывода на экран.

25

26

Характеристики

Список файлов книги