Операции обработки фрагментов
Использование OpenGL
Выполнил
Студент 3 курса
Кравченко А.С.
Проверил
Кутепова Л.М.
Луганск 2004
Оглавление
1.1. Программный код OpenGL.. 5
1.2. Синтаксис команд OpenGL.. 8
1.3 OpenGL как конечный автомат. 10
1.4. Конвейер визуализации OpenGL.. 11
1.4.1. Конвейер. 11
1.4.2 Списки вывода. 12
1.4.3 Вычислители. 13
1.4.4 Операции обработки вершин. 13
1.4.5 Сборка примитивов. 13
1.4.6 Операции обработки пикселей. 14
1.4.7 Сборка текстуры.. 15
1.4.8. Растеризация. 15
1.4.9 Операции обработки фрагментов. 16
2 Библиотеки, относящиеся к OpenGL.. 17
2.1 Библиотека OpenGL.. 17
2.2. Подключаемые файлы.. 19
2.3 GLUT, инструментарий утилит библиотеки OpenGL.. 20
2.3.1. Инструментарий библиотек. 20
2.3.2 Управление окнами. 21
2.3.3 Функция обратного вызова отображения. 22
2.3.4. Исполнение программы.. 23
2.3.4 Обработка событий ввода данных пользователем.. 25
2.3.5 Управление фоновым процессом.. 25
2.3.6 Рисование трехмерных объектов. 26
3. Анимация. 27
3.1. анимация компьютерной графики. 27
3.2 Обновление отображаемой информации во время паузы.. 30
Введение
Библиотека OpenGL представляет собой программный интерфейс для аппаратного обеспечения машинной графики. Этот интерфейс состоит приблизительно из 250 отдельных команд (почти 200 команд в ядре OpenGL и еще 50 команд в библиотеке утилит OpenGL), которые используются для того, чтобы определить объекты и операции, необходимые для создания интерактивных трехмерных прикладных программ.
|
|
|
Библиотека OpenGL разработана в качестве низкоуровневого, аппаратно-независимого интерфейса, допускающего реализацию на множестве различных аппаратных платформ. Для того чтобы достичь этих качеств, в состав библиотеки OpenGL не включены никакие команды для выполнения задач работы с окнами или для получения пользовательского ввода; вместо этого вы должны работать через любую систему управления окнами, которая работает с конкретными аппаратными средствами. Точно так же библиотека OpenGL не предоставляет команды высокого уровня для описания моделей трехмерных объектов. Такие команды могли бы позволить определять относительно сложные формы, например, автомобили, части тела, самолеты или молекулы. При использовании библиотеки OpenGL вы должны создавать нужную модель из ограниченного набора геометрических примитивов — точек, линий и многоугольников.
Более сложная библиотека, которая обеспечивает эти функциональные возможности, конечно, могла бы быть создана поверх библиотеки OpenGL. Библиотека утилит OpenGL (GLU — OpenGL Utility Library) предоставляет множество возможностей моделирования, таких как поверхности второго порядка и NURBS-кривых и поверхностей (NURBS — Non-Uniform, Rational B-Spline — неравномерный рациональный В-сплайн). Библиотека GLU представляет собой стандартную часть каждой реализации OpenGL. Существуют также наборы инструментов более высокого уровня, такие как FSG (Fahrenheit Scene Graph), которые являются надстройкой библиотеки OpenGL, и самостоятельно доступны для множества реализаций библиотеки OpenGL.
|
|
|
Программный код OpenGL
Поскольку с помощью графической системы OpenGL можно решить так много задач, OpenGL-программа может быть достаточно трудной для понимания. Однако основная структура полезной программы может быть проста: ее задачи состоят в том, чтобы инициализировать некоторые состояния, которые управляют тем, как библиотека OpenGL выполняет визуализацию, и определить объекты, которые будут визуализированы.
Прежде чем приступить к анализу некоторого программного кода OpenGL, давайте познакомимся с несколькими терминами. Визуализация, с ее использованием вы уже сталкивались, представляет собой процесс, посредством которого компьютер создает изображения из моделей. Эти модели, или объекты, создаются из геометрических примитивов, — точек, линий и многоугольников, — которые определяются их вершинами.
Конечное визуализированное изображение состоит из пикселей, выводимых на экран; пиксель представляет собой наименьший видимый элемент, который аппаратные средства отображения могут поместить на экран.
|
|
|
Информация о пикселях (например, какой цвет предполагается для этих пикселей) организована в памяти в виде битовых плоскостей. Битовая плоскость представляет собой область памяти, которая содержит один бит информации для каждого пикселя на экране; этот бит мог бы указывать, например, на то, что конкретный пиксель, как предполагается, является красным. Битовые плоскости, в свою очередь, организованы в буфер кадра, который содержит всю информацию, необходимую графическому дисплею для того, чтобы управлять цветом и яркостью всех пикселей на экране.
Пример 1. демонстрирует визуализацию белого прямоугольника на черном фоне, как это показано на рисунке 1.
Пример 1. Фрагмент программного кода OpenGL
finclude <whateverYouNeed.h> ,
main () {
InitializeAWindowPlease();
glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
glOrtho(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, -1.0, 1.0); glBegin(GL_POLYGON);
glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0);
glVertex3f (0.75, 0.25, 0.0);
glVertex3f(0.75, 0.75, 0.0);
glVertex3f(0.25, 0.75, 0.0); glEnd() ; glFlush () ;
UpdateTheWindowAndCheckForEvents(); }
Первая строка функции main() инициализирует определенное окно на экране: функция InitializeAWindowPlease() используется в данном случае в качестве метки-"заполнителя" для подпрограмм специфических оконных систем, которые в общем случае не являются вызовами OpenGL. Следующие две строки содержат команды OpenGL, которые устанавливают черный цвет фона для окна: функция glCIearCoIor() определяет то, какой цвет фона будет установлен для окна, а функция glClear() фактически устанавливает цвет окна. Как только цвет фона установлен, окно заливается этим цветом всякий раз, когда вызывается функция glClear(). Этот цвет фона может быть изменен с помощью второго вызова функции glClearColor(). Точно так же функция glColor3f() устанавливает то, какой цвет следует использовать для прорисовки объектов на экране — в данном случае этот цвет является белым. Все объекты, выводимые на экран после этого момента, используют данный цвет до тех пор, пока он не будет изменен с помощью следующего вызова команды установки цвета.
|
|
|
Следующая функция OpenGL, используемая в рассматриваемой программе, glOrtho(), определяет систему координат, которую OpenGL принимает для прорисовки окончательного изображения, и то, как это изображение отображается на экране. Вызовы, заключенные между функциями glBegin() и gl£nd(), определяют объект, который будет выведен на экран, в рассматриваемом примере это многоугольник с четырьмя вершинами. "Углы" многоугольника определяются с помощью функции glVertex3f(). Как вы, наверное, уже догадались, исходя из значений параметров этой функции, которые представляют собой координаты (х, у, z), данный многоугольник является прямоугольником, расположенным на плоскости z(z — 0).
Наконец, функция gIFlush() гарантирует, что команды прорисовки фактически выполняются, а не просто сохраняются в некотором буфере, ожидая дополнительных команд OpenGL. Подпрограмма-"заполнитель" UpdateTheWindowAndCheckForEvents() управляет содержимым окна и начинает обработку событий.
Синтаксис команд OpenGL
Как вы, вероятно, могли заметить из примера простой программы, приведенного в предшествующем разделе, команды библиотеки OpenGL используют префикс gl. Каждое слово, составляющее наименование команды, начинается с заглавной буквы (вспомните, например, функцию glClearColor()). Точно так же имена констант, определенных в библиотеке OpenGL, начинаются с префикса GL_, записываются целиком заглавными буквами и используют символы подчеркивания, чтобы разделить отдельные слова (например, GL__COLOR_BUFFER_BIT).
Вы, вероятно, также смогли заметить некоторые символы, которые показались вам посторонними, они добавляются в конец наименования некоторых команд (например, 3f в функциях glColor3f() и glVertex3f()). Действительно, часть Color в наименовании функции glColor3f() достаточна для того, чтобы определить данную команду как команду, устанавливающую текущий цвет. Однако были определены несколько таких команд, чтобы вы смогли использовать их с различными типами параметров. В частности, часть 3 суффикса указывает, что для этой команды задаются три параметра; другая версия команды Color использует четыре параметра. Часть f суффикса указывает на то, что параметры данной команды представляют собой числа с плавающей точкой. Наличие различных форматов позволяет библиотеке OpenGL принимать данные пользователя в его собственном формате данных.
Некоторые команды библиотеки OpenGL допускают использование 8 различных типов данных в качестве своих параметров. Буквы, используемые в качестве суффиксов для того, чтобы определить эти типы данных для реализации ISO С библиотеки OpenGL, представлены в Таблице 1.1; там же приведены соответствующие определения типов в библиотеке OpenGL. Конкретная реализация библиотеки OpenGL, которую вы используете, может не совпадать в точности с приведенной схемой; например, реализации для языков программирования C++ или Ada, не требуют этого.
| Тип данных | Типичный соответствующий тип данных языка программирования С | Определение типов данных библиотеки OpenGL |
| 8-разрядное целое | signed char | GLbyte |
| 16-разрядное целое | short | GLshort |
| 32-разрядное целое | Int или long | GLint, GLsizei |
| 32-разрядное число с плавающей точкой | float | GLfloat, GLclampf |
| 64-разрядное число с плавающей точкой | double | GLdouble, GLclampd |
| 8-разрядное беззнаковое целое | unsigned char | GLubyte, GLboolean |
| 16-разрядное беззнаковое целое | unsigned short | GLushort |
| 32-разрядное беззнаковое целое | unsignedint или unsigned long | GLuint, GLenum, GLbitfield |
Таблица 1.1 Суффиксы наименований команд и типы данных параметров
Таким образом, две команды
glVertex2i (1,3); glVertex2f (1.0, 3.0);
являются эквивалентными, за исключением того, что первая из них определяет координаты вершины как 32-разрядные целые числа, а вторая определяют их как числа с плавающей точкой с одинарной точностью.
Наименования некоторых команд библиотеки OpenGL могут иметь заключительный символ v, который указывает на то, что данная команда принимает указатель на вектор (или массив) значений, а не набор индивидуальных параметров. Много команд имеют как векторные, так и невекторные версии, но некоторые команды принимают только индивидуальные параметры, тогда как другие команды требуют, чтобы, по крайней мере, некоторые из их параметров были определены как векторы. Следующие строки показывают, как можно было бы использовать векторную и невекторную версию команды, которая устанавливает текущий цвет:
glColor3f (1.0, 0.0, 0.0);
gLfloat color_array [] = {1.0, 0.0, 0.0); glColor3fv (color_array);
Наконец, библиотека OpenGL определяет тип данных GLvoid. Этот тип данных наиболее часто используется для тех команд библиотеки OpenGL, которые принимают в качестве параметров указатели на массивы значений.
OpenGL как конечный автомат
Графическая система OpenGL представляет собой конечный автомат. Вы переводите этот автомат в различные состояния (или режимы), которые затем остаются в силе до тех пор, пока вы не измените их. Как уже было показано выше, текущий цвет представляет собой переменную состояния. Можно установить в качестве текущего белый, красный, или любой другой цвет, и после этого каждый объект будет выводиться на экран с этим цветом до тех пор, пока вы не установите для текущего цвета какое-нибудь другое значение. Текущий цвет является лишь одной из множества переменных состояния, которые поддерживает библиотека OpenGL. Другие переменные состояния управляют такими вещами, как текущая визуализация и преобразования проецирования, шаблоны штриховки линий и многоугольников, режимы вывода многоугольников на экран, соглашения по упаковке пикселей, местоположение и характеристики источников освещения, а также свойства материалов объектов, выводимых на экран. Множество переменных состояния относятся к режимам, которые включаются или отключаются с помощью команд glEnable() или glDisable() соответственно.
Каждая переменная состояния или режим имеют значение по умолчанию, и в любой момент времени можно запросить у системы текущие значения каждой из этих переменных. Как правило, для этого используется одна из шести команд, которые перечислены далее: glGetBooleanv(), glGetDoubIev(), glGetFloatv(), glGetlntegerv(), glGetPointerv() или gIIsEnabled(). To, какую из этих команд следует выбрать, зависит от того, в виде какого типа данных вы хотите получить ответ. Для некоторых переменных состояния используются более конкретные команды запроса (такие как glGetLight*(), glGetError() или glGetPolygonStipple()). Кроме этого, можно сохранить набор переменных состояний в стеке атрибутов с помощью команд glPushAttrib() или gIPushCIientAttrib(), временно изменить их, а затем восстановить значения этих переменных с помощью команд glPopAttrib() или glPopClienlAttrib(). Для временных изменений состояния необходимо использовать именно эти команды, а не любые из команд запроса, так как они более эффективны.
Конвейер визуализации OpenGL
Конвейер
Большинство реализаций библиотеки OpenGL имеет одинаковый порядок операций, определенную последовательность стадий обработки, которая называется конвейером визуализации OpenGL. Этот порядок функционирования, показанный на рисунке 1.2, не является строгим правилом реализации библиотеки OpenGL, однако он представляет собой надежное руководство для предсказания результата работы OpenGL.
Следующая диаграмма демонстрирует концепцию сборочного конвейера Генри Форда, которую библиотека OpenGL использует для обработки данных. Геометрические данные (вершины, прямые и многоугольники) проходят через последовательность блоков, в число которых входят вычислители и операции обработки вершин, в то время как пиксельные данные (пиксели, изображения и растровые образы) для определенной части процесса визуализации обрабатываются по-другому. Оба типа данных подвергаются одним и тем же заключительным операциям (операции растеризации и пофрагментной обработки), прежде чем итоговые пиксельные данные записываются в буфер кадра.
Рис. 1.2 Конвейер визуализации
Списки вывода
Все данные, вне зависимости от того, описывают ли они геометрию или пиксели, могут быть сохранены в списке вывода для текущего или более позднего использования. (Альтернативой сохранению данных в списке вывода является немедленная обработка данных, она также известна под названием непосредственный режим работы.) После того как список вывода был создан, сохраненные данные посылаются из этого списка вывода точно так же, как если бы они были посланы прикладной программой в непосредственном режиме работы.
Вычислители
Все геометрические примитивы, в конечном счете, описываются вершинами. Параметрические кривые и поверхности могут быть первоначально описаны контрольными точками и полиномиальными функциями, которые называются базовыми функциями. Вычислители предоставляют метод получения вершин, используемый для представления поверхности по контрольным точкам. Таким методом является полиномиальное отображение, которое может формировать нормаль к поверхности, координаты текстуры, цвета и значения пространственных координат по контрольным точкам.
Операции обработки вершин
Для данных по вершинам следующей является стадия "операций обработки вершин", которая преобразовывает вершины в примитивы. Некоторые типы данных по вершинам (например, пространственные координаты) преобразовываются в матрицы чисел с плавающей точкой размером 4x4. Пространственные координаты проецируются из положения в трехмерном пространстве в положение на вашем экране.
Если разрешено использование расширенных функциональных возможностей, то данная стадия обработки данных еще более насыщена. Если используется наложение текстур, то на этой стадии могут быть сгенерированы и преобразованы координаты текстуры. Если разрешено освещение, то здесь выполняются вычисления параметров освещения, для чего используются преобразованные вершины, нормаль к поверхности, положение источника освещения, свойства материала и другая информация освещения, необходимая для получения значения цвета.
Сборка примитивов
Операция отсечения, основная часть сборки примитивов, представляет собой удаление частей геометрии, которые выходят за пределы полупространства, определенного некоторой плоскостью. При отсечении точек просто пропускаются или отбрасываются вершины; при отсечении линий или многоугольников могут добавляться дополнительные вершины в зависимости от того, как отсекается линия или многоугольник.
В некоторых случаях этот процесс сопровождается перспективным делением, которое заставляет удаленные геометрические объекты казаться меньше, чем более близкие объекты. После этого применяются операции получения окна просмотра (Viewport) и глубины (г-координата). Если отбраковка разрешена, и данный примитив представляет собой многоугольник, тогда он может быть отброшен в процессе выполнения теста на отбраковку. В зависимости от способа построения многоугольник может быть выведен на экран в виде точек или в виде линий.
Результатом выполнения этой стадии являются законченные геометрические примитивы, которые представляют собой преобразованные и отсеченные вершины и связанные с ними значения цвета, глубины и иногда координаты текстур, а также указания для выполнения стадии растеризации.
Операции обработки пикселей
В то время как геометрические данные следуют одним путем по конвейеру визуализации OpenGL, пиксельные данные следуют другим маршрутом. Пиксели из определенного массива в системной памяти сначала распаковываются из какого-либо одного из множества форматов в надлежащее количество компонентов. Затем эти данные масштабируются, смещаются и обрабатываются посредством карты элементов отображения. После этого результаты фиксируются и либо записываются в область памяти, выделенную под текстуры, либо передаются на стадию растеризации. (См. раздел "Конвейер отображения" в Главе 8.)
Если пиксельные данные считываются из буфера кадра, то выполняются операции по передаче пикселя (масштабирование, смещение, отображение и фиксация). Затем полученные результаты упаковываются в соответствующий формат и возвращаются в некоторый массив системной памяти.
Существуют специальные операции копирования пикселей для копирования данных из буфера кадра в другие части буфера кадра или в область памяти, выделенную для текстур. Выполняется однопроходная реализация операций при передаче пикселя, а затем данные записываются в область памяти, выделенную для текстур или обратно в буфер кадра.
Сборка текстуры
OpenGL-приложения могут накладывать изображения текстуры на геометрические объекты для того, чтобы сделать их вид более реалистичным. Если используется несколько изображений текстуры, то весьма разумно будет поместить их в объекты текстуры для упрощения переключения между ними.
Некоторые реализации библиотеки OpenGL могут иметь специальные ресурсы для ускоренного выполнения операций над текстурами. Это может быть реализовано как специализированная, высокопроизводительная область памяти, выделенная для текстур. Если такая память доступна, объекты текстуры могут быть упорядочены по приоритетам для облегчения управления этим ограниченным и ценным ресурсом.
Растеризация
Растеризация представляет собой преобразование как геометрических, так и пиксельных данных во фрагменты. Каждый квадратный фрагмент соответствует определенному пикселю в буфере кадра. Штриховка линий и многоугольников, ширина линии, размер точки, модель закраски и вычисления покрытия, необходимые для поддержки сглаживания, учитываются как вершины, которые соединяются в линии, или как внутренние пиксели, рассчитанные для закрашенного многоугольника. Значения цвета и глубины назначаются для каждого квадратного фрагмента.
Операции обработки фрагментов
Прежде чем значения фактически сохраняются в буфере кадра, выполняется ряд операций, в результате чего фрагменты могут быть изменены или даже отброшены. Все эти операции могут быть включены или отключены.
Первой операцией, с которой можно столкнуться, является наложение текстур. Эта операция заключается в том, что тексель (элемент текстуры) генерируется из памяти текстур для каждого фрагмента и применяется к конкретному фрагменту. После этого могут применяться вычисления тумана, которые сопровождаются тестом ножниц, альфа-тестом, тестом трафарета и тестом буфера глубины (тест буфера глубины представляет собой удаление невидимых поверхностей). Неудачное завершение включенного теста может прекратить длительную обработку квадрата фрагмента. Затем могут быть выполнены операции смешивания цветов, псевдосмешивания (размывания) цветов для передачи полутонов, логической обработки и маскирования с помощью битовой маски. Наконец, полностью обработанный фрагмент выводится в соответствующий буфер, где он окончательно превращается в пиксель и достигает своего конечного местоположения.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 204; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!