Laboratorium 1. Część I. Podstawy biblioteki graficznej OpenGL.

Transkrypt

1 Laboratorium 1 Część I Podstawy biblioteki graficznej OpenGL. I. Konfiguracja środowiska 1. Ściągamy bibliotekę freeglut i rozpakujemy do głównego folderu dysku systemowego np. C:\freeglut 2. Uruchamiamy Dev-C++ i tworzymy nowy pusty plik źródłowy. - z górnego menu klikamy Narzędzia->Opcje Kompilatora - do wiersza poleceń kompilatora dodajemy opcję: -DFREEGLUT_STATIC - do wiersza poleceń konsolidatora dodajemy opcje: -static-libgcc -lfreeglut_static -lopengl32 -lwinmm -lgdi32 - klikamy zakładkę "Katalogi" i uzupełniamy wszystkie brakujące ścieżki do katalogów np: C:\freeglut\bin, C:\freeglut\include oraz C:\freeglut\lib (pamiętając o kliknięciu przycisku "Dodaj" za każdym razem gdy wpiszemy katalog. II. Pierwszy program OpenGL. 1. Ściągnij przykładowy program a następnie skompiluj i uruchom. 2. Przeanalizuj procedury programu jest to szkielet aplikacji, który będziemy wykorzystywać w kolejnych zadaniach. Jego właściwe zrozumienie jest ważną rzeczą w kontekście dalszych poleceń. 3. Zmień zawartość funkcji renderującej na poniższy kod, po czym skompiluj i uruchom program. void DrawScene(void) // Czyścimy okno aktualnym (domyślnym) kolorem glclear(gl_color_buffer_bit); // Ustawiamy grubość linii gllinewidth(5.0f); // Tworzenie prymitywów graficznych zawsze ograniczamy funkcjami glbegin i glend glbegin(gl_lines); // Ustawiamy bieżący kolor rysowania na czerwony glcolor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); // Dwa końce pierwszego odcinka glvertex2f(-50.0f, 0.0f); glvertex2f(0.0f, 50.0f); // Zmieniamy kolor rysowania na zielony glcolor3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); // Dwa końce drugiego odcinka glvertex2f(0.0f, 50.0f); glvertex2f(50.0f, 0.0f); // Zmieniamy kolor rysowania na niebieski glcolor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f); // Dwa końce drugiego odcinka glvertex2f(50.0f, 0.0f);

2 glend(); glvertex2f(-50.0f, 0.0f); // Komenda wykonania poleceń rysujących glflush(); 4. Po uruchomieniu programu na ekranie powinieneś zobaczyć trzy odcinki o różnych kolorach uformowane na kształt trójkąta. Przeanalizuj powyższy kod. Za rysowanie prymitywów (podstawowych obiektów OpenGLa) odpowiedzialna jest para funkcji glbegin i glend. Dowiedz się jakie obiekty mogą być rysowane tą parą. 5. Zmodyfikuj funkcję renderującą tak aby rysowała trójkąt wypełniony kolorem interpolowanym pomiędzy czerwonym, zielonym i niebieskim. 6. Napisz program rysujący zdeformowany dywan Sierpińskiego. W programie należy uwzględnić podawaną przez użytkownika liczbę iteracji. Algorytm jest następujący: a. Dany jest kwadrat o boku a. b. Kwadrat dzielimy na 9 mniejszych kwadratów o bokach a/3 i środkowy usuwamy. c. Następnie, każdy z kwadratów dzielimy na 9 mniejszych kwadratów i usuwamy środki. d. Procedurę powtarzamy iteracyjnie.

3 Część II Celem ćwiczenia jest zaznajomienie się ze sposobami interpretacji przestrzeni 2D oraz 3D przez środowisko biblioteki graficznej OpenGL. Dodatkowo zostanie pokazany sposób na interakcje z programem poprzez klawiaturę. Pokazany zostanie również prosty sposób animacji. Przestrzeń obiektu (inaczej przestrzeń modelu) jest to układ współrzędnych obiektu, w którym ten obiekt jest definiowany. Przykładowo: dla sfery jej przestrzenią obiektu może być układ współrzędnych, którego środek jest środkiem sfery; dla walca środek układu może leżeć w środku podstawy, a kierunek osi z jest zgodny z kierunkiem osi symetrii tego walca. Położenie wierzchołków w przestrzeni obiektów jest określone jako wektor [x, y, z]. Współrzędne homogeniczne to czteroelementowy wektor postaci [x, y, z, w], w którym pierwsze 3 składniki określają położenie w przestrzeni 3D, a czwarty to dodatkowy parametr w. Jeśli wektor położenia zostaje wyrażony za pomocą wektora 3-elementowego to zakłada się, że w = 1. Matematyczne znaczenie parametru w jest takie, że jest to wartość, przez którą należy podzielić x, y i z by uzyskać położenie w postaci tradycyjnej. Tak, więc jest to pewien współczynnik skali. Przestrzeń świata przestrzeń konkretnego obiektu nie ma związku z innymi obiektami posiadającymi własne przestrzenie. Przestrzeń świata definiuje pewien bezwzględny punkt odniesienia dla wszystkich obiektów sceny. Jeśli przyjmiemy, że przestrzenią świata jest sala laboratoryjna, to obiekty w niej występujące (komputery, stoły, krzesła) mają różne położenie i ukierunkowanie. Przekształcenie modelu opisuje sposób, w jaki obiekt w przestrzeni modelu jest transformowany do przestrzeni świata. Na przykład, musimy obrócić, przeskalować i przesunąć stolik by znalazł się on w odpowiednim miejscu w laboratorium. Wszystkie te przekształcenia można zapisać matematycznie jako macierze 4x4 i składać je w jedną macierz transformacji, co jest istotne dla wydajności programu. Mnożąc położenie punktu w postaci homogenicznej (w = 1) w przestrzeni modelu przez macierz 4x4 reprezentującą przekształcenie modelu w przestrzeń świata, otrzymamy to samo położenie opisane w przestrzeni świata. Przestrzeń oka (inaczej przestrzeń widoku) to przestrzeń obserwatora, czyli układ współrzędnych obserwatora względem, którego opisujemy położenie obserwowanych obiektów w scenie. W standardzie OpenGL przyjęło się, że domyślnie obserwator ( oko ) znajduje się w początku swojego układu współrzędnych, a kierunek patrzenia na scenę jest zgodny z kierunkiem osi z i biegnie wzdłuż jej ujemnych wartości. Przekształcenie widoku konwertuje położenie w przestrzeni świata na położenie w przestrzeni obserwatora. To przekształcenie da się zestawić w postaci macierzy 4x4 i nazywane jest macierzą model-widok. Jest to macierz, która łączy w sobie przekształcenie modelu i przekształcenie widoku. Przestrzeń przycięcia kiedy położenia znajdują się już w przestrzeni oka, kolejnym krokiem jest określenie, które z nich znajduje się w widocznym obszarze. Zatem kolejnym układem po przestrzeni oka jest przestrzeń przycięcia. Wyjaśnienie tej techniki można prześledzić obserwując działanie funkcji np. glortho().

4 Przekształcenie, które konwertuje współrzędne przestrzeni oka do przestrzeni przycięcia jest nazywane przekształceniem rzutowania. To przekształcenie definiuje obszar przestrzeni oka, w którym znajdują się widoczne obiekty. W OpenGL wszystko co ma być widoczne musi się znajdować w sześcianie, którego każdy punkt spełnia nierówności: -w x w, -w y w, -w z w. Przekształcenie to podobnie jak wcześniej wymienione da się zestawić w postaci tzw. macierzy rzutowania o rozmiarach 4x4. Znormalizowane współrzędne przycięcia współrzędne przycięcia maja postać homogeniczną [x, y, z, w], lecz koniecznym jest aby uzyskać położenie w przestrzeni dwu-wymiarowej (x,y) wraz zadaną wartością głębi. Uzyskuje się to dzieląc składowe wektora x, y, z przez składnik w. W ten sposób otrzymane współrzędne noszą nazwę znormalizowanych współrzędnych urządzenia. Na ostatnim etapie następuje transformacja znormalizowanych współrzędnych urządzenia na współrzędne okna, które mierzone są w pikselach. Animacja w OpenGL może być realizowana w prosty sposób. Wystarczy aby przed wywołaniem funkcji renderującej scenę wywołać funkcję, która będzie wyliczała np. aktualne położenie obiektu na podstawie zapamiętanego wcześniej położenia. Zmiana tego parametru może być dokonywana w wybranych chwilach czasowych. Zrealizować to można za pomocą funkcji gluttimerfunc z biblioteki GLUT. Jako pierwszy argument tej funkcji podaje się liczbę milisekund, po upływie których funkcja wywołuje funkcję, której nazwa została podana jako drugi argument. Prototyp funkcji wywołującej jest następujący: void TimerFunction(int value); GLUT czeka zadaną liczbę milisekund po czym odpala wykonanie funkcji TimerFunction(). Jednakże, jest to jednorazowe wywołanie, więc aby zachować ciągłość należy w funkcji TimerFunction() zresetować licznik wywołaniem: gluttimerfunc(30, TimerFunction, 1); /*1*/ 1. Skompiluj i uruchom załączony program. 2. Zmodyfikuj funkcję DrawSceneAxes dodając na jej końcu ustawianie koloru rysowania na szary (wszystkie składowe koloru przyjmują wartość 0.5f), oraz funkcję z biblioteki GLUT rysującą dzbanek na herbatę: glutwireteapot(4.0); 3. Skompiluj i uruchom program. Dzbanek jest rysowany jako niepełna siatka - co należy poprawić w kodzie by siatka była rysowana w całości (może coś jest nie tak z rzutowaniem)? Dokonaj stosownych poprawek i sprawdź rezultaty. 4. Po uruchomieniu na ekranie widzimy obrazek, gdzie dzbanek widoczny jest w pozycji, w której nie da się stwierdzić czy jest to obiekt trójwymiarowy czy tylko płaska siatka. Żeby pokazać trójwymiarową strukturę tego obiektu musimy go obrócić nieznacznie. W tym celu, w linii poprzedzającej rysowanie dzbanka dodaj wywołanie: glrotatef(-20.0f, 1.0f, 0.3f, 0.0f);Zobacz efekt. 5. Korzystając z operacji obrotu, przesunięcia (gltranslatef) oraz skalowania (glscalef), spróbuj przemieścić, obrócić i przeskalować dzbanek. Czy efekt będzie ten sam jeśli zamienimy kolejność operacji? 6. Powróć do kodu z pkt. 4. Zmodyfikuj kod tak aby dzbanek obracał się wokół osi x i y. W tym celu zadeklaruj dwie zmienne globalne przechowujące bieżący kąt obrotu względem podanych osi, np.:

5 /* Kąty obrotu wokół osi X i Y */ GLfloat x_angle; GLfloat y_angle; Obrotu dokonuj za pomocą funkcji: glrotatef(x_angle, 1.0f, 0.0f, 0.0f); glrotatef(y_angle, 0.0f, 1.0f, 0.0f); 7. Zdefiniuj własną procedurę TimerFunction(), w której będzie następowała odpowiednia inkrementacja tych zmiennych o wartość v_angle z pkt. 10. Przed wyjściem z tej funkcji umieść resetowanie licznika milisekund (/*1*/). Funkcje zakończ wywołaniem funkcji odświeżającej okno: glutpostredisplay(). W funkcji main, w linii za rejestracją funkcji zwrotnych umieść resetowanie licznika (/*1*/). 8. W funkcji main dodaj linię: glutkeyboardfunc(keyboardfunc); 9. Skopiuj i wklej poniży kod. Następnie dokonaj stosownych modyfikacji tak aby wciśnięcie klawisza w lub r powodowało przyspieszenie lub spowolnienie (poprzez obrót w przeciwnym kierunku) obracania się dzbanka. Pamiętaj o deklaracji zmiennej globalnej GLfloat v_angle; /* Funkcja obsługująca klawiaturę */ void KeyboardFunc(unsigned char key, int x, int y) switch(key) case 27: // Wciśnięcie klawisza ESC spowoduje wyjście z programu exit(0); case 'w': // Wciśnięcie klawisza w spowoduje inkrementację zmiennej v_angle += 0.05f; break; case 'r': // Wciśnięcie klawisza r spowoduje dekrementację zmiennej v_angle -= 0.05f; break; glutpostredisplay();