Главная > Методическое пособие


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
МАТЕМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ

ЛАБОРАТОРИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ГРАФИКИ И МУЛЬТИМЕДИА

Ю.М. Баяковский, А.В. Игнатенко, А.И. Фролов

Графическая библиотека OpenGL


учебно-методическое пособие

Москва
2003

УДК 681.3.07
ББК 32.973.26-018.2
Б34

Баяковский Ю.М., Игнатенко А.В., Фролов А.И. Графическая библиотека OpenGL. Учебно-методическое пособие.

Методическое пособие представляет собой практическое руководство по работе с графической библиотекой OpenGL. Оно включает описание базовых возможностей OpenGL и приемы работы с библиотекой. Рассматриваются вопросы оптимизации приложений. Пособие рассчитано на читателей, знакомых с языками программирования С/C++ и имеющих представление о базовых алгоритмах компьютерной графики. Рекомендуется студентам, аспирантам, научным сотрудникам.

Рецензенты:

Шикин Е.В., профессор, д.ф.-м.н.

Крылов А.С., к.ф.-м.н.

Издательский отдел факультета Вычислительной Математики и Кибернетики МГУ им. Ломоносова (лицензия НД № 05899 от 24.09.2001), 2003 г. – 132 с.

ISBN 5-89407-153-4

©

©

Факультет Вычислительной Математики и Кибернетики МГУ им. Ломоносова, 2003

Лаборатория Компьютерной Графики и Мультимедиа, 2003

Печатается по решению Редакционно-Издательского Совета факультета Вычислительной Математики и Кибернетики Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Содержание



Предисловие 7

Введение 9

Глава 1

Основы OpenGL 11

1.1. Основные возможности 11

1.2. Интерфейс OpenGL 12

1.3. Архитектура OpenGL 13

1.4. Синтаксис команд 15

1.5. Пример приложения 16

Контрольные вопросы: 20

Глава 2

Рисование геометрических объектов 21

2.1. Процесс обновления изображения 21

2.2. Вершины и примитивы 22

2.3. Операторные скобки glBegin / glEnd 24

2.4. Дисплейные списки 29

2.5. Массивы вершин 30

Контрольные вопросы 32

Глава 3

Преобразования объектов 33

3.1. Работа с матрицами 33

3.2. Модельно-видовые преобразования 36

3.3. Проекции 37

3.4. Область вывода 39

Контрольные вопросы 40

Глава 4

Материалы и освещение 41

4.1. Модель освещения 41

4.2. Спецификация материалов 42

4.3. Описание источников света 44

4.4. Создание эффекта тумана 47

Контрольные вопросы 49

Глава 5

Текстурирование 50

5.1. Подготовка текстуры 50

5.2. Наложение текстуры на объекты 53

5.3. Текстурные координаты 56

Контрольные вопросы 58

Глава 6

Операции с пикселями 59

6.1. Смешивание изображений. Прозрачность 60

6.2. Буфер-накопитель 62

6.3. Буфер маски 63

6.4. Управление растеризацией 65

Контрольные вопросы 66

Глава 7

Приемы работы с OpenGL 67

7.1. Устранение ступенчатости 67

7.2. Построение теней 68

7.3. Зеркальные отражения 73

Контрольные вопросы 76

Глава 8

Оптимизация программ 77

8.1. Организация приложения 77

8.2. Оптимизация вызовов OpenGL 81

Контрольные вопросы 89

Приложение A.

Структура GLUT-приложения 90

Приложение A.

Примитивы библиотек GLU и GLUT 94

Приложение A.

Настройка приложений OpenGL 98

A.1. Создание приложения в среде Borland C++ 5.02 98

A.2. Создание приложения в среде MS Visual C++ 6.0 99

A.3. Создание приложения в среде Borland C++ Builder 6. 100

Приложение B.

Демонстрационные программы 102

B.1. Пример 1: Простое GLUT-приложение 102

B.2. Пример 2: Модель освещения OpenGL 105

B.3. Загрузка BMP файла 108

B.4. Пример 3: Текстурирование 113

Приложение C.

Примеры практических заданий 120

C.1. Cornell Box 120

C.2. Виртуальные часы 122

C.3. Интерактивный ландшафт 123

Литература 129

Предметный указатель 130



Предисловие

Мы стали свидетелями драматических изменений, которые произошли в компьютерной графике в 90-е годы. Если в конце 80-х графические рабочие станции стоили безумно дорого и работать с ними могли только в очень богатых организациях (как правило из ВПК), то в конце 90-х графические станции с вполне удовлетворительными возможностями за 1000 USD стали доступны университетам и даже отдельным студентам. Если в 80-е использовалась преимущественно векторная графика, то в конце 90-х растровая полноцветная графика почти полностью вытеснила векторную. Трехмерная графика стала столь же распространенной как двумерная, поскольку появились и быстро совершенствуются видеоплаты с графическими ускорителями и z-буфером.

Параллельно с изменениями графической аппаратуры происходили глубокие метаморфозы в программном обеспечении. Вслед за широким распространением в 70-е годы графических библиотек (в основном векторных, в большинстве своем фортранных) в 80-е годы потребовалось несколько этапов стандартизации графического обеспечения (Core System, PHIGS, GKS), чтобы к середине 90-х прийти к Открытой Графической Библиотеке (OpenGL). В настоящее время многие функции этой библиотеки реализованы аппаратно.

Все эти процессы не могли не сказаться на преподавании компьютерной графики в университетах. В 80-е годы и в первой половине 90-х целью курса было изучение и программирование базовых алгоритмов графики (рисование прямой и кривой, клиппирование, штриховка или растеризация многоугольника, однородные координаты и аффинные преобразования, видовые преобразования) [1,2]. Теперь, при наличии интерфейса прикладного программиста (API) высокого уровня, когда элементарные функции имеются в библиотеке OpenGL и зачастую реализуются аппаратно, пришлось пересмотреть концепцию курса. (В самом деле, зачем учиться умножать столбиком, если у каждого в руках калькулятор.) Появилась возможность включить в курс более сложные и более современные разделы компьютерной графики, такие как текстурирование, анимация. Именно в соответствии с этой общемировой тенденцией эволюционировал курс компьютерной графики на факультете ВМиК МГУ [3,4].

Следуя принципу ";учись, делая"; (learning-by-doing), мы, кроме традиционных лекций, включаем в курс выполнение 5-6 небольших проектов, каждый продолжительностью две недели. (Примеры таких заданий вы найдете в этом пособии.) Настоящее пособие призвано помочь студентам в выполнении этих проектов. В отличие от других справочных публикаций по OpenGL, в пособии говориться не о том, что имеется в библиотеке, а о том, как этими средствами эффективно пользоваться. Например, как визуализировать зеркальные объекты, как построить тени. Пособие существует в электронном виде в течение четырех лет на сайте Лаборатории Компьютерной Графики и Мультимедиа (), и все эти годы оно эволюционирует с учетом потребностей курса.

Авторы благодарны К. Дмитриеву, А. Куликовой и А. Дегтяревой, которые прочитали рукопись и сделали ценные замечания.

Ю.М.Баяковский

Декабрь 2002 года

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.

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.

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.

Глава 1

Основы OpenGL

1.1.Основные возможности

Описывать возможности OpenGL мы будем 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.

1.2.Интерфейс OpenGL

OpenGL состоит из набора библиотек. Все базовые функции хранятся в основной библиотеке, для обозначения которой в дальнейшем мы будем использовать аббревиатуру GL. Помимо основной, OpenGL включает в себя несколько дополнительных библиотек.

Первая из них – библиотека утилитGL(GLUGLUtility). Все функции этой библиотеки определены через базовые функции GL. В состав 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.

Рис. 1 Организация библиотеки OpenGL




OpenGL не включает в себя никаких специальных команд для работы с окнами или ввода информации от пользователя. Поэтому были созданы специальные переносимые библиотеки для обеспечения часто используемых функций взаимодействия с пользователем и для отображения информации с помощью оконной подсистемы. Наиболее популярной является библиотека GLUT (GL Utility Toolkit). Формально GLUT не входит в OpenGL, но de facto включается почти во все его дистрибутивы и имеет реализации для различных платформ. GLUT предоставляет только минимально необходимый набор функций для создания OpenGL-приложения. Функционально аналогичная библиотека GLX менее популярна. В дальнейшем в этом пособии в качестве основной будет рассматриваться GLUT.

Кроме того, функции, специфичные для конкретной оконной подсистемы, обычно входят в ее прикладной программный интерфейс. Так, функции, поддерживающие выполнение OpenGL, есть в составе Win32 API и X Window. На рисунке схематически представлена организация системы библиотек в версии, работающей под управлением системы Windows. Аналогичная организация используется и в других версиях OpenGL.

1.3.Архитектура OpenGL

Функции OpenGL реализованы в модели клиент-сервер. Приложение выступает в роли клиента – оно вырабатывает команды, а сервер OpenGL интерпретирует и выполняет их. Сам сервер может находиться как на том же компьютере, на котором находится клиент (например, в виде динамически загружаемой библиотеки – DLL), так и на другом (при этом может быть использован специальный протокол передачи данных между машинами).

GL обрабатывает и рисует в буфере кадра графические примитивы с учетом некоторого числа выбранных режимов. Каждый примитив – это точка, отрезок, многоугольник и т.д. Каждый режим может быть изменен независимо от других. Определение примитивов, выбор режимов и другие операции описываются с помощью команд в форме вызовов функций прикладной библиотеки.

Примитивы определяются набором из одной или более вершин (vertex). Вершина определяет точку, конец отрезка или угол многоугольника. С каждой вершиной ассоциируются некоторые данные (координаты, цвет, нормаль, текстурные координаты и т.д.), называемые атрибутами. В подавляющем большинстве случаев каждая вершина обрабатывается независимо от других.

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

Команды OpenGL всегда обрабатываются в том порядке, в котором они поступают, хотя могут происходить задержки перед тем, как проявится эффект от их выполнения. В большинстве случаев OpenGL предоставляет непосредственный интерфейс, т.е. определение объекта вызывает его визуализацию в буфере кадра.

С точки зрения разработчиков, OpenGL – это набор команд, которые управляют использованием графической аппаратуры. Если аппаратура состоит только из адресуемого буфера кадра, тогда OpenGL должен быть реализован полностью с использованием ресурсов центрального процессора. Обычно графическая аппаратура предоставляет различные уровни ускорения: от аппаратной реализации вывода линий и многоугольников до изощренных графических процессоров с поддержкой различных операций над геометрическими данными.

Рис. 2. Функционирование конвейера OpenGL




OpenGL является прослойкой между аппаратурой и пользовательским уровнем, что позволяет предоставлять единый интерфейс на разных платформах, используя возможности аппаратной поддержки.

Кроме того, OpenGL можно рассматривать как конечный автомат, состояние которого определяется множеством значений специальных переменных и значениями текущей нормали, цвета, координат текстуры и других атрибутов и признаков. Вся эта информация будет использована при поступлении в графическую систему координат вершины для построения фигуры, в которую она входит. Смена состояний происходит с помощью команд, которые оформляются как вызовы функций.

1.4.Синтаксис команд

Определения команд GL находятся в файле gl.h, для включения которого нужно написать

#include

Для работы с библиотекой GLU нужно аналогично включить файл glu.h. Версии этих библиотек, как правило, включаются в дистрибутивы систем программирования, например Microsoft Visual C++ или Borland C++ 5.02.

В отличие от стандартных библиотек, пакет GLUT нужно инсталлировать и подключать отдельно. Подробная информация о настройке сред программирования для работы с OpenGL дана в Приложении С.

Все команды (процедуры и функции) библиотеки GL начинаются с префикса gl, все константы – с префикса GL_. Соответствующие команды и константы библиотек GLU и GLUT аналогично имеют префиксы glu (GLU_) и glut (GLUT_)

Кроме того, в имена команд входят суффиксы, несущие информацию о числе и типе передаваемых параметров. В OpenGL полное имя команды имеет вид:

type glCommand_name[1 2 3 4][b s i f d ub us ui][v]
(type1 arg1,…,typeN argN)

Имя состоит из нескольких частей:

gl имя библиотеки, в которой описана эта функция: для базовых функций OpenGL, функций из библиотек GL, GLU, GLUT, GLAUX это gl, glu, glut, aux соответственно.

Command_name имя команды (процедуры или функции)

[1 2 3 4] число аргументов команды

[bsifdubusui] тип аргумента: символ b – GLbyte (аналог char в С\С++), символ i – GLint (аналог int), символ f – GLfloat (аналог float) и так далее. Полный список типов и их описание можно посмотреть в файле gl.h

[v] наличие этого символа показывает, что в качестве параметров функции используется указатель на массив значений

Символы в квадратных скобках в некоторых названиях не используются. Например, команда glVertex2i() описана в библиотеке GL, и использует в качестве параметров два целых числа, а команда glColor3fv() использует в качестве параметра указатель на массив из трех вещественных чисел.

Использования нескольких вариантов каждой команды можно частично избежать, применяя перегрузку функций языка C++. Но интерфейс OpenGL не рассчитан на конкретный язык программирования, и, следовательно, должен быть максимально универсален.

1.5.Пример приложения

Типичная программа, использующая OpenGL, начинается с определения окна, в котором будет происходить отображение. Затем создается контекст (клиент) OpenGL и ассоциируется с этим окном. Далее программист может свободно использовать команды и операции OpenGL API.

Ниже приведен текст небольшой программы, написанной с использованием библиотеки GLUT – своеобразный аналог классического примера “Hello, World!”.

Все, что делает эта программа – рисует в центре окна красный квадрат. Тем не менее, даже на этом простом примере можно понять принципы программирования с помощью OpenGL.

#include

/* подключаем библиотеку GLUT */

#include

/* начальная ширина и высота окна */

GLint Width = 512, Height = 512;

/* размер куба */

const int CubeSize = 200;

/* эта функция управляет всем выводом на экран */

void Display(void)

{

int left, right, top, bottom;

left = (Width - CubeSize) / 2;

right = left + CubeSize;

bottom = (Height - CubeSize) / 2;

top = bottom + CubeSize;

glClearColor(0, 0, 0, 1);

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

glColor3ub(255,0,0);

glBegin(GL_QUADS);

glVertex2f(left,bottom);

glVertex2f(left,top);

glVertex2f(right,top);

glVertex2f(right,bottom);

glEnd();

glFinish();

}

/* Функция вызывается при изменении размеров окна */

void Reshape(GLint w, GLint h)

{

Width = w;

Height = h;

/* устанавливаем размеры области отображения */

glViewport(0, 0, w, h);

/* ортографическая проекция */

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

glOrtho(0, w, 0, h, -1.0, 1.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

}

/* Функция обрабатывает сообщения от клавиатуры */

void

Keyboard( unsigned char key, int x, int y )

{

#define ESCAPE '\033'

if( key == ESCAPE )

exit(0);

}

/* Главный цикл приложения */

main(int argc, char *argv[])

{

glutInit(&argc, argv);

glutInitDisplayMode(GLUT_RGB);

glutInitWindowSize(Width, Height);

glutCreateWindow(";Red square example";);

glutDisplayFunc(Display);

glutReshapeFunc(Reshape);

glutKeyboardFunc(Keyboard);

glutMainLoop();

}

Несмотря на малый размер, это полностью завершенная программа, которая должна компилироваться и работать на любой системе, поддерживающей OpenGL и GLUT.

Библиотека GLUT поддерживает взаимодействие с пользователем с помощью так называемых функций c обратным вызовом (callbackfunction). Если пользователь подвинул мышь, нажал на кнопку клавиатуры или изменил размеры окна, происходит событие и вызывается соответствующая функция пользователя – обработчик событий (функция с обратным вызовом).

Рассмотрим более подробно функцию main данного примера. Она состоит из трех частей – инициализации окна, в котором будет рисовать OpenGL, настройки функций c обратным вызовом и главного цикла обработки событий.

Инициализация окна состоит из настройки соответствующих буферов кадра, начального положения и размеров окна, а также заголовка окна.

Функция glutInit(&argc, argv) производит начальную инициализацию самой библиотеки GLUT.

Команда glutInitDisplayMode(GLUT_RGB) инициализирует буфер кадра и настраивает полноцветный (непалитровый) режим RGB.

glutInitWindowSize(Width, Height) используется для задания начальных размеров окна.

Наконец, glutCreateWindow(";Red square example";) задает заголовок окна и визуализирует само окно на экране.

Затем команды

glutDisplayFunc(Display);

glutReshapeFunc(Reshape);

glutKeyboardFunc(Keyboard);

регистрируют функции Display(), Reshape() и Keyboard() как функции, которые будут вызваны, соответственно, при перерисовке окна, изменении размеров окна, нажатии клавиши на клавиатуре.

Контроль всех событий и вызов нужных функций происходит внутри бесконечного цикла в функции glutMainLoop()

Заметим, что библиотека GLUT не входит в состав OpenGL, а является лишь переносимой прослойкой между OpenGL и оконной подсистемой, предоставляя минимальный интерфейс. OpenGL-приложение для конкретной платформы может быть написано с использованием специфических API (Win32, X Window и т.д.), которые как правило предоставляют более широкие возможности.

Более подробно работа с библиотекой GLUT описана в Приложении А.

Все вызовы команд OpenGL происходят в обработчиках событий. Более подробно они будут рассмотрены в следующих главах. Сейчас обратим внимание на функцию Display, в которой сосредоточен код, непосредственно отвечающий за рисование на экране.

Следующая последовательность команд из функции Display

glClearColor(0, 0, 0, 1);

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

glColor3ub(255,0,0);

glBegin(GL_QUADS);

glVertex2f(left,bottom);

glVertex2f(left,top);

glVertex2f(right,top);

glVertex2f(right,bottom);

glEnd();

очищает окно и выводит на экран квадрат, задавая координаты четырех угловых вершин и цвет.

В приложении B.1 приведен еще один пример несложной программы, при нажатии кнопку мыши рисующей на экране разноцветные случайные прямоугольники.

Контрольные вопросы:

  1. В чем, по вашему мнению, заключается необходимость создания стандартной графической библиотеки?

  2. Кратко опишите архитектуру библиотек OpenGL и организацию конвейера.

  3. В чем заключаются функции библиотек, подобных GLUT или GLX? Почему они формально не входят в OpenGL?

  4. Назовите категории команд (функций) библиотеки.

  5. Почему организацию OpenGL часто сравнивают с конечным автоматом?

  6. Зачем нужны различные варианты команд OpenGL, отличающиеся только типами параметров?

  7. Что можно сказать о количестве и типе параметров команды glColor4ub()? glVertex3fv()?

Глава 2

Рисование геометрических объектов



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Трилатеральная постфильтрация карт глубины 1

    Документ
    ... 1 1МГУ им. Ломоносова, факультет Вычислительной Математики и Кибернетики, ЛабораторияКомпьютернойГрафики и Мультимедиа; 2ЗАО «ЮВсофт» Аннотация В этой статье ...
  2. Трилатеральная постфильтрация карт глубины 1

    Документ
    ... 1 1МГУ им. Ломоносова, факультет Вычислительной Математики и Кибернетики, ЛабораторияКомпьютернойГрафики и Мультимедиа; 2ЗАО «ЮВсофт» Аннотация В этой статье ...
  3. Журналы " Компьютерные инструменты в образовании" и " Компьютеpные инстpументы в школе"

    Документ
    ... для молодежи", "Планета "Математика", лаборатория моделирования в 3D-VRML и ... СУБД, БД, БЗ, кибернетика, искусственный интеллект, генетические ... по подготовке специалистов в области компьютернойграфики и мультимедиа-технологий). Общие сведения о ...
  4. Журналы " Компьютерные инструменты в образовании" и " Компьютеpные инстpументы в школе"

    Документ
    ... для молодежи", "Планета "Математика", лаборатория моделирования в 3D-VRML и ... СУБД, БД, БЗ, кибернетика, искусственный интеллект, генетические ... по подготовке специалистов в области компьютернойграфики и мультимедиа-технологий). Общие сведения о ...
  5. E-learning ИТ в образовании

    Документ
    ... лабораториейкомпьютернойграфики и мультимедиа для проведения курса «Компьютернаяграфика» на ... науки и техники. Сер. Техническая кибернетика. – М.: ВИНИТИ, 1986. ... -методического комплекса «Прикладная математика» // Математика в образовании: Сб. ...

Другие похожие документы..