INFORMATICA GRAFICA. 27 Aprile Introduzione a OpenGL parte 2. Michele Antolini

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1 Knowledge Aided Engineering Manufacturing and Related Technologies INFORMATICA GRAFICA 27 Aprile Introduzione a OpenGL parte 2 michele.antolini@mail.polimi.it

2 COMANDI FONDAMENTALI

3 OpenGL - comandi Nel main() è necessario impostare la configurazione iniziale utilizzando chiamate alla libreria GLUT glutinit( int argc, char** argv): inizializzazione GLUT glutinitdisplaymode( unsigned int mode ): combinazione tramite operatore (OR) di parametri relativi alla modalità di visualizzazione GLUT_RGBA, GLUT_RGB, GLUT_ALPHA, GLUT_INDEX: selezione colori in RGB o tramite indexing con eventuale trasparenza (ALPHA) GLUT_SINGLE, GLUT_DOUBLE, GLUT_ACCUM, GLUT_DEPTH, GLUT_STENCIL: bufferizzazione dei frame GLUT_STEREO: abilita la visualizzazione stereoscopica

4 OpenGL - comandi glutinitdisplaymode( unsigned int mode ) mode = GLUT_INDEX GLUT_SINGLE GLUT_DEPTH Viene creata una finestra con colori indicizzati, singolo buffer di visualizzazione, con depth buffer mode = GLUT_RGBA GLUT_DOUBLE GLUT_DEPTH GLUT_STEREO Viene creata una finestra con colori a 4 componenti (red, green, blue, trasparenza), doppio buffer di visualizzazione, con depth buffer e visualizzazione stereoscopica (su hardware compatibile)

5 OpenGL - comandi Creazione finestra di visualizzazione glutinitwindowsize( int width, int height ) glutinitwindowposition( int x, int y ) glutcreatewindow ( char *name )

6 OpenGL - comandi Gestione della finestra Vengono utilizzati puntatori a funzione per implementare callback glutdisplayfunc(void (*func)(void)) Viene chiamata quando il contenuto della finestra deve essere ridisegnato glutreshapefunc(void (*func)(int width, int height)) Viene chiamata quando la finestra viene spostata o ridimensionata glutpostredisplay(void) Forza la chiamata alla Display Function

7 OpenGL - comandi Eventi di input glutkeyboardfunc( void (*func)(unsigned int key, int x, int y) Quando viene premuto un tasto (ASCII) restituisce il codice (key) e le coordinate (x,y) del mouse glutmousefunc(void (*func)(int button, int state, int x, int y)) Pressione di un tasto del mouse. button può valere GLUT_LEFT_BUTTON, GLUT_RIGHT_BUTTON o GLUT_MIDDLE_BUTTON state può valere GLUT_UP o GLUT_DOWN

8 OpenGL - comandi Eventi di input glutmotionfunc( void (*func)(int x, int y) ) Questa callback viene attivata quando il mouse si muove con uno o più tasti premuti Primitive oggetti 3D glutwire<name>, glutsolid<name> (es. glutwirecube(int size)...cube( GLDouble size)...sphere( GLdouble radius, GLint slices, GLint stacks)...torus( GLdouble innerradius, GLdouble outerradius, GLint nsides, GLint rings )...Cone( GLdouble radius, GLdouble height, GLint slices, GLint stacks )...Teapot( GLdouble size )

9 OpenGL - comandi Impostazione del punto di vista void glulookat( GLdouble eyex, GLdouble eyey, GLdouble eyez, GLdouble centerx, GLdouble centery, GLdouble centerz, GLdouble upx, GLdouble upy, GLdouble upz );

10 OpenGL Viewing volume Proiezione ortogonale parallela void glortho(left,right,bottom,top,near,far) Proiezione ortogonale parallela 2D void glortho2d(left,right,bottom,top)

11 OpenGL Viewing volume Proiezione prospettica void glfrustum(left,right,bottom,top,near,far) void gluperspective(fovy,aspect,near,far)

12 ARCHITETTURA

13 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory

14 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Texture Memory Pixel Operations Display list I dati corrispondenti alle geometrie o a singoli pixel possono essere salvati in una lista (display list). In alternativa I dati possono essere creati e processati subito dopo ( Immediate mode ). Eseguendo una display list, i dati vengono processati come se fossero stati inviati tramite Immediate mode.

15 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Evaluators Tutte le primitive geometriche possono essere descritte attraverso vertici. Curve e superfici parametriche sono descritte da punti di controllo e funzioni polinomiali (basis functions). Gli evaluators permettono di descrivere una curva o una superficie tramite i punti di controllo. La mappatura polinomiale permette, oltre alla generazione delle coordinate dei punti appartenenti all elemento geometrico, di generare anche vettori normali e coordinate textures a partire dai punti di controllo.

16 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Per-vertex operations I dati dei vertici devono essere convertiti in primitive eseguibili dall hardware. I vertici possono ad esempio subire trasformazioni tramite matrici a virgola mobile 4x4 (sequenze di rotazioni, traslazioni e altre eventuali trasformazioni di coordinate). Le coordinate spaziali vanno poi convertite in coordinate sullo schermo. Molte altre opzioni possono riguardare: coordinate texture, illuminazioni, calcolo vettori normali, materiali e shading per arrivare a definire un colore.

17 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Primitive assembly La prima operazione di questo blocco è l eliminazione delle porzioni di geometrie che cadono fuori dalla parte visibile (una serie di semispazi definiti da piani), detta clipping. Il point clipping accetta o elimina dei vertici, il line/polygon clipping crea un nuovi vertici sul bordo del semispazio. Vengono anche effettuate operazioni prospettiche e test sull occlusione (vengono scartate primitive non visibili perché nascoste da altre) e sul backface culling (vengono scartati i poligoni la cui faccia frontale non è visibile)

18 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Pixel operations I dati geometrici vengono eseguiti dalla pipeline di rendering, mentre i pixel percorrono una strada differente. Vengono convertiti da una serie di possibili formati in elementi con il numero appropriato di componenti. I dati vengono poi scalati, tarati e processati. Possono essere quindi inviati alla memoria texture o verso la rasterizzazione. I dati sui pixel possono provenire dal frame buffer, in questo caso, oltre alle precedenti operazioni, possono essere inviati sotto forma di array alla memoria centrale.

19 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Texture Le texture vengono usate per rendere le geometrie più realistiche. La memoria texture, spesso specializzata e ad alte prestazioni per eseguire questo compito, viene gestita e ottimizzata dall hardware, spesso con operazioni ad hoc.

20 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Rasterization La rasterizzazione è la conversione di dati geometrici e pixel in frammenti quadrati, che corrispondono a pixel nel framebuffer. In questo punto vengono presi in considerazione tratteggi (stipple), spessore delle linee, dimensione dei punti e antialiasing.

21 OpenGL Rendering pipeline Immediate Mode geometry pipeline Polynomial Evaluator Per Vertex Operations & Primitive Assembly CPU Display List Rasterization Per Fragment Operations Frame Buffer Pixel Operations Texture Memory Fragment operations Prima di inserire valori nel framebuffer è necessario effettuare una serie di operazioni, ognuna della quali può essere abilitata o disabilitata. La prima operazione riguarda la texture, dove un texel (texture element) viene generato dalla memoria texture per ogni fragment e applicato al fragment stesso. Vengono quindi eseguiti calcoli per effetto nebbia, trasparenza, stencil, depth-buffer, blending, bit-masking.

22 OpenGL State machine Le variabili di stato possono essere impostate e lette da OpenGL. Rimangono invariate fino a successiva modifica. Matrici di proiezione e modelview Proprietà di colori e materiali Luci e ombreggiatura (shading) Modalità disegno linee e poligoni Le funzioni OpenGL sono di tipi: Generatrici di primitive Output se la primitiva è visibile L impostazione di come i vertici devono essere processati e visualizzati è controllato dallo stato corrente Modifica dello stato Funzioni di trasformazione Attributi

23 OpenGL State machine Le variabili di stato che si riferiscono a modalità di funzionamento possono essere abilitate tramite chiamate glenable() o gldisable(). Ogni variabile di stato ha il proprio valore di default. E possibile richiedere il valore corrente di una variabile di stato tramite chiamate ad uno dei seguenti comandi (a seconda del tipo di variabile): glgetbooleanv(), glgetdoublev(), glgetfloatv(), glgetintegerv(), glgetpointerv(), o glisenabled(). Esistono anche chiamate specifiche (come glgetlight*(), glgeterror(), o glgetpolygonstipple()). Si può salvare lo stato corrente di una variabile di stato (attribute) in una stack, tramite glpushattrib() o glpushclientattrib(), effettuare modifiche, poi ripristinare il valore precedente con glpopattrib() o glpopclientattrib(). Molto più efficiente rispetto ad ottenere il valore corrente con glget*, salvarlo in una variabile e ripristinarlo tramite glset*

24 OpenGL - Matrici OpenGL gestisce le sue impostazioni principali tramite una pila (stack) di matrici Projection, Modelview, Texture Si imposta la modalità corrente tramite glsetmatrixmode ( GLenum mode ) mode: GL_MODELVIEW, GL_PROJECTION, GL_TEXTURE

25 OpenGL Nell esempio multiviewport ottenevo la matrice di proiezione e la modelview (sistema di riferimento attuale) prima di reimpostarle per la nuova viewport glgetdoublev(gl_projection_matrix, projmatrix1); glgetdoublev(gl_modelview_matrix, modelmatrix1);

26 OpenGL Per poi reimpostare le matrici del frame precedente glviewport (0, 0, (GLsizei) 640, (GLsizei) 480); glmatrixmode(gl_projection); glloadmatrixd(projmatrix2); glmatrixmode(gl_modelview); glloadmatrixd(modelmatrix2);

27 OpenGL - Viewport void glviewport(x,y,width,height) scala l immagine su una viewport che ha origine in (x,y) e ha dimensioni (width,height) i parametri sono in window coordinates width e height possono essere inferiori alla dimensione della finestra una finestra può contenere diversi viewport

28 OpenGL - Viewport void glviewport(x,y,width,height) dopo aver definito una ulteriore viewport, chiamare glloadidentity() glulookat(... )

29 OpenGL - Colore due modalità: indicizzata RGB modalità indicizzata: selezione modalità glutinitdisplaymode( GLUT_INDEX ); entry della Look-up Table glutsetcolor( index, r, g, b ); selezione del colore corrente glindexi( index );

30 OpenGL - Colore modalità rgb: selezione la modalità glutinitdisplaymode( GLUT_RGB ); selezione colore corrente glcolor3f( r, g, b );

31 OpenGL - Primitive le primitive di OpenGL (punti, linee, triangoli, poligoni) sono descritte in termini di vertici i vertici sono descritti in coordinate omogenee (x, y, z, w) = (x/w, y/w, z/w, 1) glvertex4f( x, y, z, w ) (x, y, z, w ) glvertex3f( x, y, z ) (x, y, z, 1.0) glvertex2f( x, y ) (x, y, 0.0,1.0) il formato generale per il drawing e`: glbegin( tipo_di_primitiva ); <sequenza di vertici> glend();

32 OpenGL - Primitive esempio: glbegin( GL_LINES ); glcolor3f( 1.0, 1.0, 1.0 ); glvertex2f( -0.8, -0.8 ); glcolor3f( 1.0, 0.0, 0.0 ); glvertex2f( 0.5, 0.2 ); glvertex2f( -0.5, 0.4 ); glcolor3f( 0.0, 1.0, 0.0 ); glvertex2f( -0.2, 0.1 ); glend(); vertici differenti possono avere colore differente; in tal caso il colore viene interpolato da un vertice all altro

33 OpenGL - Primitive V 2 V 1 V 4 V 3 GL_POINTS V 5 V 6 V 2 V 1 V 4 V 3 GL_LINES V 5 V 6 V 2 V 1 V 4 V 3 GL_LINE_STRIP V 5 V 6

34 OpenGL - Primitive V 2 V 1 V 4 V 3 GL_LINE_LOOP V 5 V 6 V 5 V 1 V 2 V 3 GL_TRIANGLES V 6 V 4 V 3 V 1 V 2 V 5 GL_TRIANGLE_STRIP V6 V 4

35 OpenGL - Primitive V 1 V 2 V 3 GL_TRIANGLE_FAN V 6 V5 V 4 V 2 V3 V 5 V 6 V 1 V 4 V 8 V 7 GL_QUADS V 1 V 3 V 5 V 7 GL_QUAD_STRIP V 2 V 4 V 6 V 8

36 OpenGL Punti, Linee e Poligoni Si può impostare la dimensione di un punto con il comando glpointsize( GLfloat size ) default: 1.0) lo spessore di una linea con il comando gllinewidth( GLfloat size ) default: 1.0 pattern tratteggio void gllinestipple( GLint factor, GLushort pattern);

37 OpenGL Punti, Linee e Poligoni gllinestipple(4, 0xAAAA ); glenable(gl_line_stipple); glutwirecube(1); //dotted wireframe cube

38 Esercizio Completare le funzioni dell header file Vector3D.h Non necessaria rotazione intorno ad un asse generico rotate( Vector3d &axis, double angle) Esempi di utilizzo della classe Vector3d v1, v2(1.0,0.0,0.0), v3; v3 = v1+v2; v3 = 3.0*v3; Vector3d v4 = v3.cross(v2); v4.normalize(); v4.rotatex(0.1f); Utilizzate la struct per semplificare lo svolgimento dell esercizio proposto durante la lezione precedente