Главная › Настройки › Интерактивные приложения OpenGL. Программирование с использованием библиотеки opengl

Интерактивные приложения OpenGL. Программирование с использованием библиотеки opengl

OpenGL является на данный момент одним из самых популярных программных интерфейсов (API) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики. Стандарт OpenGL был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения, а его основой стала библиотека IRIS GL, разработанная Silicon Graphics.

На данный момент реализация OpenGL включает в себя несколько библиотек (описание базовых функций OpenGL, GLU,GLUT,GLAUX и другие), назначение которых будет описано ниже.

Характерными особенностями OpenGL, которые обеспечили распространение и развитие этого графического стандарта, являются:

Стабильность - дополнения и изменения в стандарте реализуются таким образом, чтобы сохранить совместимость с разработанным ранее программным обеспечением.

Надежность и переносимость - приложения, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат вне зависимости от типа используемой операционной системы и организации отображения информации. Кроме того, эти приложения могут выполняться как на персональных компьютерах, так и на рабочих станциях и суперкомпьютерах.

Легкость применения - стандарт OpenGL имеет продуманную структуру и интуитивно понятный интерфейс, что позволяет с меньшими затратами создавать эффективные приложения, содержащие меньше строк кода, чем с использованием других графических библиотек. Необходимые функции для обеспечения совместимости с различным оборудованием реализованы на уровне библиотеки и значительно упрощают разработку приложений.

Основные возможности OpenGL

Набор базовых примитивов: точки, линии, многоугольники и т.п.

Видовые и координатные преобразования

Удаление невидимых линий и поверхностей (z-буфер)

Использование сплайнов для построения линий и поверхностей

Наложение текстуры и применение освещения

Добавление специальных эффектов: тумана, изменение прозрачности,сопряжение цветов (blending), устранение ступенчатости (anti-aliasing).

Как уже было сказано, существует реализация OpenGL для разных платформ, для чего было удобно разделить базовые функции графической системы и функции для отображения графической информации и взаимодействия с пользователем. Были созданы библиотеки для отображения информации с помощью оконной подсистемы для операционных систем Windows и Unix (WGL и GLX соответственно), а также библиотеки GLAUX и GLUT, которые используются для создания так называемых консольных приложений.

Библиотека GLAUX уступает по популярности написанной несколько позже библиотеке GLUT, хотя они предоставляют примерно одинаковые возможности. В состав библиотеки GLU вошла реализация более сложных функций, таких как набор популярных геометрических примитивов (куб, шар, цилиндр, диск), функции построения сплайнов, реализация дополнительных операций над матрицами и т.п. Все они реализованы через базовые функции OpenGL.

Архитектура и особенности синтаксиса

С точки зрения архитектуры, графическая система OpenGL является конвейером, состоящим из нескольких этапов обработки данных:

Аппроксимация кривых и поверхностей

Обработка вершин и сборка примитивов

Растеризация и обработка фрагментов

Операции над пикселями

Подготовка текстуры

Передача данных в буфер кадра

Вообще, OpenGL можно сравнить с конечным автоматом, состояние которого определяется множеством значений специальных переменных (их имена обычно начинаются с символов GL_) и значениями текущей нормали, цвета и координат текстуры. Все эта информация будет использована при поступлении в систему координат вершины для построения фигуры, в которую она входит. Смена состояний происходит с помощью команд, которые оформляются как вызовы функций.

ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ БИБЛИОТЕКИ OpenGL В C++

Первым делом нужно подключить заголовочные файлы:

#include

· gl.h и glu.h содержат прототипы основных функций OpenGL определённых в opengl32.dll и glu32.dll.

· glaux.h содержит вспомогательные (auxiliary) функции (glaux.dll).

После подключения заголовочных файлов нужно установить формат пикселей. Для этой цели используется следующая функция:

BOOL bSetupPixelFormat(HDC hdc)

PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd, *ppfd;

int pixelformat;

ppfd->nSize = sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR);

ppfd->nVersion = 1;

ppfd->dwFlags = PFD_DRAW_TO_WINDOW | PFD_SUPPORT_OPENGL | PFD_DOUBLEBUFFER;

ppfd->dwLayerMask = PFD_MAIN_PLANE;

ppfd->iPixelType = PFD_TYPE_RGBA;

ppfd->cColorBits = 16;

ppfd->cDepthBits = 16;

ppfd->cAccumBits = 0;

ppfd->cStencilBits = 0;

if ((pixelformat = ChoosePixelFormat(hdc, ppfd)) == 0)

MessageBox(NULL, "ChoosePixelFormat failed", "Error", MB_OK);

if (SetPixelFormat(hdc, pixelformat, ppfd) == FALSE)

MessageBox(NULL, "SetPixelFormat failed", "Error", MB_OK);

Структура PIXELFORMATDESCRIPTOR сказать надо.

cColorBits - глубина цвета

cDepthBits - размер буфера глубины (Z-Buffer)

cStencilBits - размер буфера трафарета (мы его пока не используем)

iPixelType - формат указания цвета. Может принимать значения PFD_TYPE_RGBA (цвет указывается четырьмя параметрами RGBA - красный, зленный, синий и альфа) и PFD_TYPE_COLORINDEX (цвет указывается индексом в палитре).

Функция ChoosePixelFormat() подбирает формат пикселей и возвращает его дескриптор, а SetPixelFormat() устанавливает его в контексте устройства (dc).

После того как в контексте устройства установлен формат пикселей, нужно создать контекст воспроизведения (Rendering Context) для этого в OpenGL определены следующие функции:

HGLRC wglCreateContext(HDC hdc);

BOOL wglMakeCurrent(HDC hdc, HGLRC hglrc);

В объявлении класса формы в области private необходимо добавить следующее:

ghRC - указатель на контекст воспроизведения (Rendering Context)

ghDC - дескриптор устройства (для нас - просто указатель на окно)

Процедура Draw будет отвечать за рисование.

void __fastcall TForm1::FormCreate(TObject *Sender)

ghDC = GetDC(Handle);

if (!bSetupPixelFormat(ghDC))

ghRC = wglCreateContext(ghDC);

wglMakeCurrent(ghDC, ghRC);

glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

FormResize(Sender);

glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

glEnable(GL_LIGHTING);

glEnable(GL_LIGHT0);

float p={3,3,3,1},

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,p);

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPOT_DIRECTION,d);

glViewport(0, 0, Width, Height);

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

glOrtho(-5,5, -5,5, 2,12);

gluLookAt(0,0,5, 0,0,0, 0,1,0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glClearColor() устанавливает цвет, которым будет заполняться экран при очищении. У этой процедуры - 4 параметра, что соответствует RGBA. Вместо нее можно написать glClearIndex(0.0) . Эта процедура устанавливает индекс цвета в палитре.

glViewport() устанавливает область вывода - область, в которую OpenGL будет выводить изображение.

glMatrixMode() устанавливает режим матрицы видового преобразования.

glLoadIdentity() заменяет текущую матрицу видового преобразования на единичную.

glOrtho() устанавливает режим ортогонального (прямоугольного) проецирования. Это значит, что изображение будет рисоваться как в изометрии. 6 параметров типа GLdouble (или просто double): left, right, bottom, top, near, far определяют координаты соответственно левой, правой, нижней, верхней, ближней и дальней плоскостей отсечения, т.е. всё, что окажется за этими пределами, рисоваться не будет. На самом деле эта процедура просто устанавливает масштабы координатных осей. Для того чтобы установить перспективное проецирование, используются процедуры glFrustum() и gluPerspective().

gluLookAt() устанавливает параметры камеры: первая тройка - её координаты, вторая - вектор направления, третья - направление оси Y.

В OpenGL всё включается и выключается (разрешается и запрещается) процедурами glEnable() и glDisable().

glLightfv() устанавливает свойства "лампочек": позицию и направление света.

После того, как завершена работа с OpenGL, нужно освободить занятые ресурсы: освободить контекст, вызвав wglMakeCurrent с параметром ноль для идентификатора контекста OpenGL и разрушить этот контекст функцией wglDeleteContext. Кроме того нужно удалить дескриптор ghDC. Так как обычно работу с OpenGL завершается при завершении работы приложения, то соответствующий код нужно поместить в FormClose:

void __fastcall TForm1::FormClose(TObject *Sender, TCloseAction &Action)

wglMakeCurrent(ghDC,0);

wglDeleteContext(ghRC);

ReleaseDC(Handle, ghDC);

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За время прохождения производственной практики с 5 июля по 31 июля 2011 г. в ЗАО «Транзас», Авиационное направление в отделе программирования, я ознакомился с работой отдела программирования. Ознакомился с устройством и функционированием комплексных авиа тренажеров, разрабатываемых в ЗАО «Транзас». Я узнал о такой системе визуализации ландшафтов и различных объектов, как «Аврора». Я получил первоначальные практические навыки и умения, необходимые для разработки приложений и программного обеспечения с помощью современного высокоуровневого языка программирования и графической библиотеки.

Решили изучить OpenGL, но знаете, с чего начать? Сделали подборку материалов.

Что есть OpenGL

OpenGL (открытая графическая библиотека) - один из наиболее популярных графических стандартов для работы с графикой. Программы, написанные с её помощью можно переносить практически на любые платформы, получая одинаковый результат. OpenGL позволяет не писать программы под оборудование, а воспользоваться существующими разработками. Разрабатывает OpenGL компания Silicon Graphics, при сотрудничестве с другим технологическими гигантами.

С точки зрения программирования, OpenGL - это программный интерфейс для растровой графики, таких как графические ускорители. Он включает в себя около 150 различных команд, с помощью которых программист может определять различные объекты и производить рендеринг.

Материалы для изучения

Туториалы

Онлайн-курсы

Lynda - «Курс по OpenGL»;
Токийский университет - «Интерактивная компьютерная графика»;
Университет Сан-Диего - «Основы компьютерной графики».

Книги

На русском

1. Д. Шрайнер - OpenGL Redbook - скачать;

Книга - официальное руководство по изучению OpenGL. Последние издания практически полностью отличаются от первоначальных вариантов, автор обновляет её в соответствии с изменениями версий. По мнению сотен специалистов, работающих с Open GL, эта книга является первым, что должен взять в руки желающий изучить технологию.

2. Д. Вольф - Open GL 4. Язык шейдеров. Книга рецептов (2015) - скачать;

В этой книге рассматривается весь спектр приемов программирования на GLSL, начиная с базовых видов шейдеров – вершинных и фрагментных, – и заканчивая геометрическими, вычислительными и шейдерами тесселяции. Прочтя ее, вы сможете задействовать GPU для решения самых разных задач.

3. Д. Гинсбург - OpenGL ES 3.0. Руководство разработчика (2014) - купить;

В данной книге автор рассматривает весь API и язык для написания шейдеров. Также вы найдете советы по оптимизации быстродействия, максимизации эффективности работы API и GPU и полном использовании OpenGL ES в широком спектре приложений.

4. В. Порев - Компьютерная графика (2002) - скачать;

В книге рассмотрены способы работы с компьютерной графикой, частые проблемы, приведены примеры программ на C++.

На английском

1. П. Ширли - Основы компьютерной графики (2009) - ;

Книга предназначена для введение в компьютерную графику на базовом уровне. Авторы рассказывают про математические основы компьютерной графики с акцентом на то, как применять эти основы для разработки эффективного кода.

2. Э. Ангел - Интерактивная компьютерная графика - купить ;

Эта книга предназначена для всех студентов, изучающих информатику и программирование углубленно. Компьютерная анимация и графика - уже не так сложно, как раньше. Следуя своему утверждению, автор написал книгу максимально понятным языком.

Знакомство с OpenGL нужно начать с того, что OpenGL - это спецификация . Т.е. OpenGL лишь определяет набор обязательных возможностей. Реализация же зависит от конкретной платформы.
OpenGL является кроссплатформенным, независимым от языка программирования API для работы с графикой. OpenGL - низкоуровневый API, поэтому для работы с ним неплохо иметь некоторое представление о графике в целом и знать основы линейной алгебры.

Именования

Скажем пару слов об именовании функций в OpenGL. Во-первых имена всех функций, предоставляемых непосредственно OpenGL, начинаются с приставки gl . Во-вторых функции, задающие некоторый параметр, характеризующийся набором чисел (например координату или цвет), имеют суффикс вида [число параметров + тип параметров + представление параметров].

Число параметров - указывает число принимаемых параметров. Принимает следующие значения: 1 , 2 , 3 , 4
Тип параметров - указывает тип принимаемых параметров. Возможны следующие значения: b , s , i , f , d , ub , us , ui . Т.е. byte (char в C, 8-битное целое число), short (16-битное целое число), int (32-битное целое число), float (число с плавающей запятой), double (число с плавающей запятой двойной точности), unsigned byte, unsigned short, unsigned int (последние три - беззнаковые целые числа)
Представление параметров - указывает в каком виде передаются параметры, если каждое число по отдельности, то ничего не пишется, если же параметры передаются в виде массива, то к названию функции дописывается буква v

Пример: glVertex3iv задает координату вершины, состоящую из трех целых чисел, передаваемых в виде указателя на массив.

Графика

Все графические объекты в OpenGL представляют собой набор точек, линий и многоугольников. Существует 10 различных примитивов, при помощи которых строятся все объекты. Как двухмерные, так и трехмерные. Все примитивы в свою очередь задаются точками - вершинами.

GL_POINTS - каждая вершина задает точку
GL_LINES - каждая отдельная пара вершин задает линию
GL_LINE_STRIP - каждая пара вершин задает линию (т.е. конец предыдущей линии является началом следующей)
GL_LINE_LOOP - аналогично предыдущему за исключением того, что последняя вершина соединяется с первой и получается замкнутая фигура
GL_TRIANGLES - каждая отдельная тройка вершин задает треугольник
GL_TRIANGLE_STRIP - каждая следующая вершина задает треугольник вместе с двумя предыдущими (получается лента из треугольников)
GL_TRIANGLE_FAN - каждый треугольник задается первой вершиной и последующими парами (т.е. треугольники строятся вокруг первой вершины, образуя нечто похожее на диафрагму)
GL_QUADS - каждые четыре вершины образуют четырехугольник
GL_QUAD_STRIP - каждая следующая пара вершин образует четырехугольник вместе с парой предыдущих
GL_POLYGON - задает многоугольник с количеством углов равным количеству заданных вершин

Для задания примитива используется конструкция glBegin (тип_примитива)…glEnd () . Вершины задаются glVertex* . Вершины задаются против часовой стрелки. Координаты задаются от верхнего левого угла окна. Цвет вершины задается командой glColor* . Цвет задается в виде RGB или RGBA. Команда glColor* действует на все вершины, что идут после до тех пор, пока не встретится другая команда glColor* или же на все, если других команд glColor* нет.
Вот код рисующий квадрат с разноцветными вершинами:

glBegin(GL_QUADS) ;

glVertex2i(250 , 450 ) ;

glVertex2i(250 , 150 ) ;

glVertex2i(550 , 150 ) ;

glVertex2i(550 , 450 ) ;

glEnd() ;

Основы программы на OpenGL

Для платформонезависимой работы с окнами можно использовать библиотеку . GLUT упрощает работу с OpenGL.
Для инициализации GLUT в начале программы надо вызвать glutInit (&argc, argv) . Для задания режима дисплея вызывается glutInitDisplayMode (режим) , где режим может принимать следующие значения:

GLUT_RGBA - включает четырехкомпонентный цвет (используется по умолчанию)
GLUT_RGB - то же, что и GLUT_RGBA
GLUT_INDEX - включает индексированный цвет
GLUT_DOUBLE - включает двойной экранный буфер
GLUT_SINGLE - включает одиночный экранный буфер (по умолчанию)
GLUT_DEPTH - включает Z-буфер (буфер глубины)
GLUT_STENCIL - включает трафаретный буфер
GLUT_ACCUM - включает буфер накопления
GLUT_ALPHA - включает альфа-смешивание (прозрачность)
GLUT_MULTISAMPLE - включает мультисемплинг (сглаживание)
GLUT_STEREO - включает стерео-изображение

Для выбора нескольких режимов одновременно нужно использовать побитовое ИЛИ "|". Например: glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE|GLUT_RGBA|GLUT_DEPTH) включает двойную буферизацию, Z-буфер и четырехкомпонентный цвет. Размеры окна задаются glutInitWindowSize (ширина, высота) . Его позиция - glutInitWindowPosition (х, у) . Создается окно функцией glutCreateWindow (заголовок_окна) .
GLUT реализует событийно-управляемый механизм. Т.е. есть главный цикл, который запускается после инициализации, и в нем уже обрабатываются все объявленные события. Например нажатие клавиши на клавиатуре или движение курсора мыши и т.д. Зарегистрировать функции-обработчики событий можно при помощи следующих команд:

void glutDisplayFunc (void (*func) (void)) - задает функцию рисования изображения
void glutReshapeFunc (void (*func) (int width, int height)) - задает функцию обработки изменения размеров окна
void glutVisibilityFunc (void (*func)(int state)) - задает функцию обработки изменения состояния видимости окна
void glutKeyboardFunc (void (*func)(unsigned char key, int x, int y)) - задает функцию обработки нажатия клавиш клавиатуры (только тех, что генерируют ascii-символы)
void glutSpecialFunc (void (*func)(int key, int x, int y)) - задает функцию обработки нажатия клавиш клавиатуры (тех, что не генерируют ascii-символы)
void glutIdleFunc (void (*func) (void)) - задает функцию, вызываемую при отсутствии других событий
void glutMouseFunc (void (*func) (int button, int state, int x, int y)) - задает функцию, обрабатывающую команды мыши
void glutMotionFunc (void (*func)(int x, int y)) - задает функцию, обрабатывающую движение курсора мыши, когда зажата какая-либо кнопка мыши
void glutPassiveMotionFunc (void (*func)(int x, int y)) - задает функцию, обрабатывающую движение курсора мыши, когда не зажато ни одной кнопки мыши
void glutEntryFunc (void (*func)(int state)) - задает функцию, обрабатывающую движение курсора за пределы окна и его возвращение
void glutTimerFunc (unsigned int msecs, void (*func)(int value), value) - задает функцию, вызываемую по таймеру

Затем можно запускать главный цикл glutMainLoop () .

Первая программа

Теперь мы знаем основы работы с OpenGL. Можно написать простую программу для закрепления знаний.
Начнем с того, что нужно подключить заголовочный файл GLUT:

Теперь мы уже знаем, что писать в main. Зарегистрируем два обработчика: для рисования содержимого окна и обработки изменения его размеров. Эти два обработчика по сути используются в любой программе, использующей OpenGL и GLUT.

int main (int argc, char * argv )

glutInit(& argc, argv) ;

glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE| GLUT_RGBA) ; /*Включаем двойную буферизацию и четырехкомпонентный цвет*/

glutInitWindowSize(800 , 600 ) ;

glutCreateWindow(«OpenGL lesson 1» ) ;

glutReshapeFunc(reshape) ;

glutDisplayFunc(display) ;

glutMainLoop() ;

return 0 ;

Теперь надо написать функцию-обработчик изменений размеров окна. Зададим область вывода изображения размером со все окно при помощи команды glViewport (х, у, ширина, высота) . Затем загрузим матрицу проекции glMatrixMode (GL_PROJECTION) , заменим ее единичной glLoadIdentity () и установим ортогональную проекцию. И наконец загрузим модельно-видовую матрицу glMatrixMode (GL_MODELVIEW) и заменим ее единичной.
В итоге получим:

void reshape(int w, int h)

glViewport(0 , 0 , w, h) ;

glMatrixMode(GL_PROJECTION) ;

glLoadIdentity() ;

gluOrtho2D(0 , w, 0 , h) ;

glMatrixMode(GL_MODELVIEW) ;

glLoadIdentity() ;

Осталось только написать функцию рисования содержимого окна. Рисовать будем тот квадрат, что я приводил выше в качестве примера. Добавить придется совсем немного кода. Во-первых перед рисованием надо очистить различные буфера при помощи glClear (режим) . Используется также как и glutInitDisplayMode. Возможные значения:

GL_COLOR_BUFFER_BIT - для очистки буфера цвета
GL_DEPTH_BUFFER_BIT - для очистки буфера глубины
GL_ACCUM_BUFFER_BIT - для очистки буфера накопления
GL_STENCIL_BUFFER_BIT - для очистки трафаретного буфера

В нашем случае нужно очистить только буфер цвета, т.к. другие мы не используем. Во-вторых после рисования нужно попросить OpenGL сменить экранные буфера при помощи glutSwapBuffers () , ведь у нас включена двойная буферизация. Все рисуется на скрытом от пользователя буфере и затем происходит смена буферов. Делается это для получения плавной анимации и для того, чтобы не было эффекта мерцания экрана.
Получаем:

void display()

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) ;

glBegin(GL_QUADS) ;

glColor3f(1.0 , 1.0 , 1.0 ) ;

glVertex2i(250 , 450 ) ;

glColor3f(0.0 , 0.0 , 1.0 ) ;

glVertex2i(250 , 150 ) ;

glColor3f(0.0 , 1.0 , 0.0 ) ;

glVertex2i(550 , 150 ) ;

glColor3f(1.0 , 0.0 , 0.0 ) ;

glVertex2i(550 , 450 ) ;

glEnd() ;

glutSwapBuffers() ;

Итог

Все! Можно компилировать. Должно получиться что-то вроде этого:

Обычно область, в которой необходимо определить наличие объектов (область выбора объектов), определяется как фрагмент проекции сцены. Например, пользователь на изображении проекции выделяет с помощью манипулятора (например, указателя типа "мышь") прямоугольную область или просто щелкает кнопкой "мыши", определяя, таким образом, область выбора.

Так как в этих случаях область выбора определяется на проекции трехмерной сцены, то необходимо определить соответствующую ей область трехмерной сцены (сцена выбора). Сцена выбора будет зависеть от нескольких факторов: используемой проекции, размеров сцены и области вывода.

Для определения трехмерной области выбора на основании прямоугольного фрагмента проекции сцены необходима информация о матрице проекции. Для этого можно использовать некоторые функции из библиотеки GLUT , которая является надстройкой над библиотекой OpenGL и предоставляет ряд дополнительных возможностей.

В библиотеке OpenTK функции библиотеки GLUT находятся в классе Glu в пространстве имен Tao .OpenGL (C#). В Object Pascal все функции и процедуры библиотеки GLUT имеют префикс "glu" , что позволяет их отличать от процедур и функций OpenGL .

Для формирования матрицы проекции на основе выбранного фрагмента проекции сцены можно использовать команду PickMatrix библиотеки GLUT :

C#: void gluPickMatrix(double x, double y, double width, double height, int viewport); Object Pascal: procedure gluPickMatrix(x,y,width,height: GLdouble; viewport: PGLint);

Команда PickMatrix библиотеки GLUT изменяет текущую матрицу таким образом, чтобы размер области сцены соответствовал области выбора, определённой в координатах проекции этой сцены. Команды имеет следующие параметры:

x, y – горизонтальная и вертикальная координаты области выбора в координатах окна, в котором отображается проекция трехмерной сцены.
width, height – ширина и высота выбранной прямоугольной области проекции трехмерной сцены в координатах окна.
viewport – массив четырех целочисленных элементов. В C# передается непосредственно массив в качестве параметра, в Object Pascal в качестве параметра передаётся указатель на массив. Массив определяет область вывода проекции трехмерной сцены. Значения массива должны соответствовать координатам области вывода, определённым с помощью команды ViewPort . Элементы этого массива должны иметь следующие значения: 1й и 2й элементы – координаты x и у левого верхнего угла выделенной области в координатах экрана, 3 и 4 элементы – ширина и высота этой области.

Команда должна быть выполнена перед выполнением команд Ortho или Frushtum , с помощью которых формируется матрица проекции.

Перевод библиотеки OpenGL в режим выбора

Для перевода библиотеки в режим выбора используется команда RenderMode :

C#: int RenderMode(RenderingMode mode); Object Pascal: function glRenderMode(mode: GLenum): GLint;

Параметр mode определяет режим работы библиотеки OpenGL и может принимать одно из трех значений:

Таблица 10.1. Возможные значения параметра mode команды RenderMode

Описание	Значение
Описание	Библиотека OpenTK, C#	Object Pascal
Режим выбора, данное значение используется для перевода библиотеки в режим выбора.	RenderingMode.Select	GL_SELECT
Режим формирования изображения сцены. Этот режим используется по умолчанию после инициализации библиотеки OpenGL. Именно в этом режиме выполняется формирование изображения библиотекой OpenGL.	RenderingMode.Render	GL_RENDER
Режим обратной связи.	RenderingMode.Feedback	GL_FEEDBACK

После переключения в режим выбора библиотека OpenGL не формирует изображение до тех пор, пока режим не будет изменен на режим формирования изображения сцены с помощью команды RenderMode со значением параметра RenderingMode.Render на C# и GL_RENDER на Object Pascal.

Именование и формирование объектов сцены

Как уже обсуждалось выше, в режиме выбора изображение не формируется. Команды формирования изображения в этом режиме используются для определения объектов, попадающих в область выбора.

Так как объекты, с которыми работает пользователь, обычно формируются из множества различных примитивов, то для определения выбранного объекта используется стек имен. Имена представляют собой целочисленные значения. Перед началом вывода очередного объекта в стек имен помещается имя (номер) этого объекта. Если при формировании объекта библиотека обнаруживает, что примитивы этого объекта попадают в область выбора, то содержание стека имен копируется в буфер выбора (вместе с некоторой дополнительной информацией), инициализированного с помощью команды SelectBuffer . При попадании в область сцены примитивов другого именованного объекта, содержание стека имен так же будет скопировано в буфер выбора. Таким образом, могут быть получены имена (номера) объектов, которые полностью или частично попали в область выбора. Необходимо учитывать, что для корректного определения выбранных объектов необходимо, чтобы координатные преобразования объектов, совпадали с теми, которые выполнялись при формировании изображения сцены.

Для работы со стеком имен используются несколько команд. Очистка стека имён выполняется с помощью команды InitNames :

C#: void InitNames(); Object Pascal: procedure glInitNames;

Помещение имени в стек выполняется с помощью команды PushName :

C#: void PushName(uint name); Object Pascal: procedure glPushName(name: GLuint);

Имя передается в качестве параметра команды.

Перед использованием стека имен он должен быть инициализирован с помощью команды InitNames . Затем в стек необходимо поместить один элемент с помощью команды PushName . Перед формированием каждого из объектов единственный элемент стека имен будет заменяться на имя формируемого объекта с помощью команды LoadName . Процедура заменяет последний элемент в стеке имен на заданный в качестве параметра. Таким образом, инициализация и использование стека имен схематически можно представить следующим образом:

InitNames; PushName(0); … LoadName(1); //формирование объекта № 1 LoadName(2); //формирование объекта № 2 LoadName(3); //формирование объекта № 3 //и т.д. Листинг 10.7. Схема использования стека имен для выбора объектов

ВВЕДЕНИЕ

OpenGL является одним из самых популярных прикладных программных интерфейсов (API - Application Programming Interface) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики.

Стандарт OpenGL (Open Graphics Library - открытая графическая библиотека) был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения как эффективный аппаратно-независимый интерфейс, пригодный для реализации на различных платформах. Основой стандарта стала библиотека IRIS GL, разработанная фирмой Silicon Graphics Inc.

Библиотека насчитывает около 120 различных команд, которые программист использует для задания объектов и операций, необходимых для написания интерактивных графических приложений.

На сегодняшний день графическая система OpenGL поддерживается большинством производителей аппаратных и программных платформ. Эта система доступна тем, кто работает в среде Windows, пользователям компьютеров Apple. Свободно распространяемые коды системы Mesa (пакет API на базе OpenGL) можно компилировать в большинстве операционных систем, в том числе в Linux.

Стабильность. Дополнения и изменения в стандарте реализуются таким образом, чтобы сохранить совместимость с разработанным ранее программным обеспечением.

Надежность и переносимость. Приложения, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат вне зависимости от типа используемой операционной системы и организации отображения информации. Кроме того, эти приложения могут выполняться как на персональных компьютерах, так и на рабочих станциях и суперкомпьютерах.

Легкость применения. Стандарт OpenGL имеет продуманную структуру и интуитивно понятный интерфейс, что позволяет с меньшими затратами создавать эффективные приложения, содержащие меньше строк кода, чем с использованием других графических библиотек. Необходимые функции для обеспечения совместимости с различным оборудованием реализованы на уровне библиотеки и значительно упрощают разработку приложений.

Наличие хорошего базового пакета для работы с трехмерными приложениями упрощает понимание студентами ключевых тем курса компьютерной графики - моделирование трехмерных объектов, закрашивание, текстурирование, анимацию и т.д. Широкие функциональные возможности OpenGL служат хорошим фундаментом для изложения теоретических и практических аспектов предмета.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИБЛИОТЕКИ OPENGL

Назначение и возможности библиотеки OpenGL

Для упрощения разработки программ на языке Си++ существует большое количество готовых библиотек с реализацией алгоритмов для конкретных предметных областей, от численных расчетов до распознавания речи. Библиотека OpenGL является одним из самых популярных программных интерфейсов (API) для работы с трехмерной графикой. Стандарт OpenGL был утвержден в 1992 г. ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения. Его основой стала библиотека IRIS GL, разработанная фирмой Silicon Graphics на базе концепции графической машины Стэнфордского университета (1982 г.).

OpenGL переводится как Открытая Графическая Библиотека (Open Graphics Library). Программы, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат во многих операционных системах - на персональных компьютерах, на рабочих станциях и на суперкомпьютерах.

С точки зрения программиста, OpenGL - это программный интерфейс для графических устройств (например, графических ускорителей). Он включает в себя около 150 различных функций, с помощью которых программист может задавать свойства различных трехмерных и двумерных объектов и выполнять их визуализацию (рендеринг). Т.е. в программе надо задать местоположение объектов в трехмерном пространстве, определить другие параметры (поворот, растяжение), задать свойства объектов (цвет, текстура, материал и т.д.), положение наблюдателя, а затем библиотека OpenGL выполнит генерацию двумерной проекции этой трехмерной сцены.

Можно сказать, что библиотека OpenGL является библиотекой только для визуализации трехмерных сцен (rendering library). Она не поддерживает какие либо периферийные устройства (например, клавиатуру или мышь) и не содержит средств для управления экранными окнами. Обеспечение взаимодействия периферийных устройств с библиотекой OpenGL в конкретной операционной системе является задачей программиста.

Основные возможности OpenGL, предоставляемые программисту, можно разделить на несколько групп:

1. Геометрические и растровые примитивы. На основе этих примитивов строятся все остальные объекты. Геометрические примитивы - это точки, отрезки и многоугольники. Растровыми примитивами являются битовые массивы и изображения.

2. Сплайны. Сплайны применяются для построения гладких кривых по опорным точкам.

3. Видовые и модельные преобразования. Эти преобразования позволяют задавать пространственное расположение объектов, изменять форму объектов и задавать положение камеры, для которой OpenGL строит результирующее проекционное изображение.

4. Работа с цветом. Для операций с цветом в OpenGL есть режим RGBA (красный - зелёный - синий - прозрачность) и индексный режим (цвет задается порядковым номером в палитре).

5. Удаление невидимых линий и поверхностей.

6. Двойная буферизация. В OpenGL доступна и одинарная, и двойная буферизация. Двойная буферизация применяется для устранения мерцания при мультипликации. При этом изображение каждого кадра сначала рисуется в невидимом буфере, а на экран кадр копируется только после того, как полностью нарисован.

7. Наложение текстуры. Текстуры упрощают создание реалистичных сцен. Если на объект, например, сферу, наложить текстуру (некоторое изображение), то объект будет выглядеть иначе (например, сфера будет выглядеть как разноцветный мячик).

8. Сглаживание. Автоматическое сглаживание компенсирует ступенчатость, свойственную растровым дисплеям. При сглаживании отрезков OpenGL изменяет интенсивность и цвет пикселей так, что эти отрезки отображаются на экране без зигзагов".

9. Освещение. Указание расположения, интенсивности и цвета источников света.

10. Специальные эффекты. Например, туман, дым, прозрачность объектов. Эти средства позволяют сделать сцены более реалистичными.

Хотя библиотека OpenGL предоставляет практически все возможности для моделирования и воспроизведения трёхмерных сцен, некоторые графические функции непосредственно в OpenGL недоступны. Например, чтобы задать положение и направление камеры для наблюдения сцены придется рассчитывать проекционную матрицу, что сопряжено с достаточно громоздкими вычислениями. Поэтому для OpenGL существуют так называемые вспомогательные библиотеки.

Одна из этих библиотек называется GLU. Эта библиотека является частью стандарта и поставляется вместе с главной библиотекой OpenGL. В состав GLU входят более сложные функции (например, для создания цилиндра или диска требуется всего одна команда). В библиотеке GLU есть также функции для работы со сплайнами, реализованы дополнительные операции над матрицами и дополнительные виды проекций.

Еще две известные библиотеки - GLUT (для Unix) и GLAUX (для MS Windows). В них реализованы не только дополнительные функции OpenGL (для построения некоторых сложных фигур вроде конуса и тетраэдра), но также есть функции для работы с окнами, клавиатурой и мышью в консольных приложениях. Чтобы работать с OpenGL в конкретной операционной системе (например, Windows или Unix), надо провести некоторую предварительную настройку, которая зависит от операционной системы. GLUT и GLAUX позволяют буквально несколькими командами определить окно, в котором будет работать OpenGL, задать функции для обработки команд от клавиатуры или мыши.

Возможности OpenGL описаны через функции его библиотеки. Все функции можно разделить на пять категорий.

Функции описания примитивов определяют объекты нижнего уровня иерархии (примитивы), которые способна отображать 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. В качестве атрибутов OpenGL позволяет задавать цвет, характеристики материала, текстуры, параметры освещения.

Функции визуализации позволяет задать положение наблюдателя в виртуальном пространстве, параметры объектива камеры. Зная эти параметры, система сможет не только правильно построить изображение, но и отсечь объекты, оказавшиеся вне поля зрения.

Набор функций геометрических преобразований позволяют программисту выполнять различные преобразования объектов - поворот, перенос, масштабирование.

При этом OpenGL может выполнять дополнительные операции, такие как использование сплайнов для построения линий и поверхностей, удаление невидимых фрагментов изображений, работа с изображениями на уровне пикселей и т.д.