Graphik-Programmierung mit OpenGL. B. Preim AG Visualisierung Graphikprogrammierung2 Hardware...

Graphik-Programmierung mit OpenGL

B. Preim AG Visualisierung Graphikprogrammierung 2

Hardware

Graphikbibliothek

Anwendungsprogramm

Graphik-Programmierung

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Inhalt

• OpenGL• Szenengraph-APIs

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Graphik APIs• Low Level

– IrisGL (vorher Iris 3D API) – OpenGL

(grundlegende Industrie-Standard 3D API für direkten Hardware-Zugriff, entwickelt aus IrisGL)

– MesaGL (Freeware OpenGL-Implementation, verfügbar für viele Plattformen)

• Ziel: Abstraktion von der konkreten Graphikhardware (Größe und Vorhandensein bestimmter Buffer, Hardwareimplementierung bestimmter Funktionen)

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• High Level– Open Inventor

(sehr flexible, erweiterbare Szenengraph-API für Prototyp-Entwicklung, relativ langsam, Interaktionsmechanismen)

– Performer (monolithische SzenenGraph-API für High-Performance-Anwendungen)

– OpenGL Optimizer (Kostenloses Toolkit, für CAD/CAM-Anwendungen entwickelt. Mesh simplification, occlusion culling, picking).

– Cosmo3D (SzenenGraph-API mit Eigenschaften von Performer und Inventor; gedacht für VRML-Entwicklung)

– OpenGL++ (SGI, Intel, IBM) (SzenenGraph-API, kombiniert Teile aus Optimizer, Performer und Inventor)

Graphik APIs

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OpenGL-Grundlagen• Low-level Bibliothek für 2D- und 3D-Graphik• Überlegung bei Low-Level-Bibliotheken:

– Vorrat an vordefinierten Primitiven. Open GL: relativ gering.

– Auf OpenGL aufbauende Extensions erweitern den Vorrat.• Aufsätze: OpenInventor, Performer, GLUT, GLU-

Bibliothek (OpenGL Utility Library)• Hardwareunabhängig (Mindestfunktionalität auf

allen Plattformen - evtl. in Software)• Unabhängig vom Fenstermanager (X11, Win32,

Mac)• Client-Server Unterstützung (X11)

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OpenGL-Zustände• OpenGL – Zustandsmaschine• Zustände sind globale Variablen!• Operationen aufgrund von Zustandsvariablen

interpretiert.• Beispiele:

– Rendermodus– Beleuchtungsmodell– Zeichenattribute

• Setzen und löschen der Variablen:void glEnable ( GLenum attribut );void glDisable ( GLenum attribut );

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OpenGL: BeispielWichtige Funktionen:• Hintergrund löschen:

glClear(GLbitfield mask);GL_COLOR_BUFFER_BIT, GL_DEPTH_BUFFER_BIT

• Punkte definieren:glVertex2f(GLfloat x1, GLfloat y1);glVertex3f(GLfloat x1, GLfloat y1, GLfloat z1);

• Farbe festlegen:glColor3f(GLfloat r, GLfloat g, GLfloat b);

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• Objekt zeichnen:glBegin ( GLenum GL_POLYGON );

glVertex3f ( GLfloat x1, GLfloat y1, GLfloat z1 );glVertex3f ( GLfloat x2, GLfloat y2, GLfloat z2 );glVertex3f ( GLfloat x3, GLfloat y3, GLfloat z3 );glVertex3f ( GLfloat x4, GLfloat y4, GLfloat z4 );

glEnd ();

• Andere Modi:GL_POINTS, GL_LINES (jeweils 2 Punkte verbunden),GL_LINE_STRIP, GL_LINE_LOOP (geschlossen),GL_POLYGON (gefüllt)

OpenGL: Beispiel

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Beispiel für ein Polygon:glBegin(GL_POLYGON);

glVertex2f(-2.0,-2.0);glVertex2f( 2.0,-2.0);glVertex2f( 2.0, 2.0);glVertex2f(-2.0, 2.0);

glEnd();

OpenGL: Beispiel

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OpenGL: ZeichenmodiGleiche Punkte: unterschiedliche Modi

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Polygontypen:• Triangle-Strips

– Jeder neue Eckpunkt wird mit den beiden vorherigen zu einem Dreieck verbunden (n+2 Punkte: n Dreiecke).

• Quad-Strips– Je zwei Eckpunkte werden

mit den vorherigen zu einem Viereck verbunden (2n+2 Punkte: n Vierecke)

OpenGL: Zeichenmodi

Quelle: Angel (2000)

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Attribute für Linien undPolygone zur Spezifikationvon Füllmustern und Kantendarstellungen.(glLineWidth, glLineStipple, …)

Farben (Vorder- und Hintergrund)

glColor3f (1.0, 0.0, 0.0); // redglClearColor (0, 0, 0); // black

OpenGL: Zeichenmodi

Quelle: Angel (2000)

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• Sichtbaren Bereich festlegen:glViewport ( GLint x, GLint y, GLsizei width,

GLsizei height );

• Backface Culling:glCullFace ( GLenum GL_FRONT );

// oder GL_BACK// GL FRONT_AND_BACK

glEnable ( GLenum GL_CULL_FACE );

• Tiefenbuffer:glEnable ( GLenum GL_DEPTH_TEST );

OpenGL: Wichtige Funktionen

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Auswirkungen des Viewports:Clippen am Viewport erforderlich.OpenGL-Spezifikation:– glOrtho2D (left, right, bottom, top);

OpenGL: Wichtige Funktionen

Quelle: Angel (2000)

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• Position (Center of Projection)• Orientierung• Sichtbereich (field of view)• Ausschnitt der Bildebene (Viewport)

gluLookAt (cop_x, cop_y, cop_z, at_x, at_y, at_z,

…);gluPerspective (field_of_view, …),

OpenGL: Kameras

Quelle: Angel (2000)

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Orthographische Projektionen (Parallel)

• Quaderförmiger Sichtbereich• OpenGL-Spezifikation:

– glOrtho (left, right, bottom, top, near, far);

• Eigenschaften:– Auch Objekte hinter der

Kamera können gesehen werden.

OpenGL: Kameras

Quelle: Angel (2000)

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Perspektivische Projektion:• Sichtbereich hat die Form eines

Pyramidenstumpfes• OpenGL-Spezifikation:

glFrustum (xmin, xmax, ymin, ymax, near, far); oder über den Öffnunsgwinkel und das Verhältnis von x- zu y-Werten:gluPerspective (fovy, aspect, near, far);

OpenGL: Kameras

Quelle: Angel (2000)

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Open GL: GLUT• GLUT - GL Utility Toolkit• Systemunabhängige OpenGL-Programme• Mehrere OpenGL-Fenster• Callback-Ereignisverarbeitung• Idle-Routine, Timer• Funktionen für verschiedene Objekte• Fensterverwaltung, Overlay

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Open GL: GLUT-Beispiel#include <GL\glut.h>void display(void){

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glBegin(GL_POLYGON);glVertex2f(-0.5,-0.5); glVertex2f(-0.5, 0.5);glVertex2f( 0.5, 0.5); glVertex2f( 0.5, 0.5);glEnd();glutSwapBuffers();

}

int main(){

glutInit(&argc,argv);glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);glutCreateWindow("Polygon");glutDisplayFunc(&display);glutMainLoop();

}

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Open GL: GLUT-Initialisierung• GLUT initialisieren:

void glutInit ( int* argcp, char** argv );

• Fenster initialisieren:void glutInitWindowSize ( int width, int height);void glutInitWindowPosition ( int x, int y );

• Graphikmodus:void glutInitDisplayMode ( unsigned int mode );

• Mögliche Modi:GLUT_RGBA, GLUT_RGB, GLUT_SINGLE, GLUT_DOUBLEGLUT_ALPHA, GLUT_DEPTH, GLUT_STENCIL

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OpenGL: Fenster-Initialisierung• Fenster generieren:

int glutCreateWindow ( char* name );

• Fenster zerstören:void glutDestroyWindow ( int win );

• Fenster neu zeichnen:void glutPostRedisplay ( void );

• Bildschirmspeicher umschalten:void glutSwapBuffers ( void );

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OpenGL: Callback-Registrierung• Display Callback:

void glutDisplayFunc ( void (*func)(void) );

• Tastatur Callback:void glutKeyboardFunc ( void (*func)(unsigned char key, int x, int y) );

• Maus Callback:void glutMouseFunc ( void (*func)(int button, int state, int x, int y));

• Idle Callback:void glutIdleFunc ( void (*func)(void) );

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• Timer Callback:void glutTimerFunc ( unsigned int msecs,

void (*func) (int value), int value );

• Callback für Änderung der Fenstergröße:void glutReshapeFunc ( void (*func)

(int width, int height) );

OpenGL: Callback-Registrierung

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OpenGL: Ereignisverwaltung

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OpenGL: GLUT-Ereignisverarbeitungvoid glutMainLoop ( void );

while (1) {if (Graphik wurde verändert) {call DISPLAY Callback Funktion;}if (Fenster wurde verändert) {call RESHAPE Callback Funktion;}if (Tastatur betätigt oder Maus bewegt) {call KEYBOARD/MOUSE Callback Funktion;}call IDLE Callback Funktion;

}

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OpenGL: Menüs• Menü-Callback:

void glutCreateMenu ( void (*func), (int value));

• Menü festlegen:void glutSetMenu ( int menu );

• Menü abfragen:int glutGetMenu ( void );

• Menü zerstören:void glutDestroyMenu ( int menu );

• Menüeintrag hinzufügen:void glutAddMenuEntry ( char* name, int value);

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OpenGL: Komplexe Objekte• Kugel:

void glut{Solid|Wire}Sphere ( GLdouble radius,GLint slices, GLint stacks );

• Würfel:void glut{Solid|Wire}Cube ( GLdouble size );

• Kegel:void glut{Solid|Wire}Cone ( GLdouble base,

GLdouble height, GLint slices, GLint stacks );

• Torus:void glut{Solid|Wire}Torus ( GLdouble inRadius,

GLdouble outRadius, GLint sides, GLint rings );

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Szenengraph-API• Knoten, die in einer Baumstruktur verknüpft sind,

beschreiben die darzustellende Szene.Arten von Knoten:• Elementare Knoten:

– Geometrie– Lichtquellen– Kamera– Attribute zu Geometrien (z.B. Farbe, Transparenz, Brechzahl)– Transformationen– Texturen (Muster, z.B. holzartige Maserungen)– Elemente zur Steuerung der Struktur/des Traversals

• Gruppenknoten– Zusammenfassung von Geometrien und anderen Eigenschaften,

Repräsentation eines hierarchischen Modellzusammenhangs

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Szenengraph-API

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• Beim Rendering:– Traversieren des Szenengraphen– Aufbau interner Datenstrukturen– Setzen verschiedener Modi– Transformationen (Aufbau der

Transformationsmatrizen)– Rendern von Geometrie

• Abbildung der Graphikfunktionalität der Hardware oder einer speziellen Bibliothek auf einer höheren Ebene

Szenengraph-API

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• t0 als aktuelle Transformationsmatrix speichern

• Gruppe g1 Status auf Stack• aktuelle Trafo mit t1 multiplizieren• Objekt o1 rendern• Gruppe g3 behandeln• aktuelle Trafo wiederherstellen• aktuelle Trafo mit t2 multiplizieren• Gruppe g2 Status auf Stack• aktuelle Trafo mit t3 multiplizieren• Objekt o2 rendern• aktuelle Trafo wiederherstellen• aktuelle Trafo mit t4 multiplizieren• Gruppe g3 behandeln• Status vom Stack (g2)• Status vom Stack (g1)

Szenengraph-API

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Zusammenfassung• Überblick über LowLevel und HighLevel-Graphik

APIs• Fokus: OpenGL, plattformunabhängige Low-

Level- Bibliothek• GL-Funktionen: Zur Spezifikation von Graphik-

primitiven (Was wird gezeichnet?) und Attributen (Wie?) sowie der Kamera.

• High-Level-APIs basieren oft auf einem Szenengraph; sind konsequenter objekt-orientiert.