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OpenGL 1Informatica Grafica
OpenGL Libreria grafica composta da circa 150 comandi.
Realizzata in vari linguaggi (noi useremo quella in C).
Sviluppato dalla Silicon Graphics. Originariamente si chiamava IRIS GL. Ora è gestito da un comitato indipendente che controlla e modifica lo standard. Disponibile gratuitamente su molte piattaforme (Windows e UNIX).
Pensato per essere hardware-independent. Per ottenere questo scopo, non contiene comandi per gestire le finestre.
OpenGL 2Informatica Grafica
Struttura OpenGL
OpenGL è una “rendering library”. Non ci sono strutture predefinite come in PHIGS, lavora in “immediate mode”. Per costruire oggetti complessi e modificarli si usano librerie costruite sopra OpenGL (Es. OpenInventor).
OpenGL usa un insieme di primitive abbastanza ridotto. Inoltre non scrive direttamente sullo schermo ma accede ad un framebuffer.
OpenGL è una state-machine. Le variabili di stato guidano il rendering.
OpenGL 3Informatica Grafica
Pipeline Grafica
Lo schema di esecuzione di un programma OpenGL è il seguente:
OpenGL 4Informatica Grafica
Librerie
OpenGL 5Informatica Grafica
Primo Esempiomain() { OpenAWindow();
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; KeepTheWindow();
}
OpenGL 6Informatica Grafica
Convenzioni
Tutti i comandi hanno il prefisso gl e seguono le stesse regole di Java. Es: glClearColor.
Costanti e variabili di stato sono scritte tutte in maiuscolo, iniziano con GL_ e le parole sono separate da ‘_’. Es: GL_COLOR_BUFFER_BIT.
I tipi in OpenGL hanno dei nomi interni che incominciano per GL, del tipo: GLbyte, GLshort, GLint, GLfloat, GLdouble
OpenGL 7Informatica Grafica
Sintassi
Molti comandi finiscono con 2 suffissi (es.: glVertex2f() ). Il primo (2) denota il numero di argomenti, mentre il secondo (f) denota il tipo (float). I tipi ammessi sono:
b 8-bit integer ub 8-bit unsigned integers 16-bit integer us 16-bit unsigned integeri 32-bit integer ui 32-bit unsigned integerf 32-bit floating-point d 64-bit floating-point
Alcuni comandi possono prevedere un terzo suffisso (v) per indicare che si applicano a vettori.
OpenGL 8Informatica Grafica
GLUT
GLUT = OpenGL Utility Toolkit Gestisce: creazione di finestre, unità di input
(mouse e tastiera), menu, solidi, ecc ...
Disponibile su molte piattaforme (UNIX, Windows, Mac), permette di scrivere codice portabile.
Adatto ad applicazioni “semplici”. Per applicazioni complete meglio usare i comandi del sistema operativo specifico.
OpenGL 9Informatica Grafica
Struttura
GLUT gestisce completamente il funzionamento del programma, ma demanda ad openGL la generazione dell’immagine.
Le funzioni principali sono:
glutInit glutInitDisplayModeglutInitWindowPosition glutInitWindowSizeglutCreateWindow glutMainLoopglutDisplayFunc glutPostRedisplay
OpenGL 10Informatica Grafica
Esempio (1)
int main(int argc, char** argv) {glutInit(&argc, argv);glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);glutInitWindowSize (500, 500);glutCreateWindow (“hello”);init();glutDisplayFunc(display);glutMainLoop();return 0;
}
OpenGL 11Informatica Grafica
Esempio (2)void init(void){ glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();glOrtho(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, -1.0, 1.0);
}void display( void ){ glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f (1.0, 1.0, 1.0);
glBegin(GL_POLYGON);glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0); glVertex3f(0.75, 0.25, 0.0);
glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0); glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0);glEnd();glFlush();
}
OpenGL 12Informatica Grafica
Colore in OpenGL
Il colore viene (normalmente) specificato nel formato RGBA, dove A sta per Alpha che specifica la trasparenza del pixel (tenuta in considerazione se siamo in modalità Blending).
Il colore è una variabile di stato, un disegno viene fatto nel colore attivo.
OpenGL 13Informatica Grafica
Buffers
OpenGL mantiene in memoria almeno 4 buffers:
Tipo IdentificativoColor buffer GL_COLOR_BUFFER_BIT
Depth buffer GL_DEPTH_BUFFER_BIT
Accumulation buffer GL_ACCUM_BUFFER_BIT
Stencil buffer GL_STENCIL_BUFFER_BIT
Nel Color buffer vengono memorizzate le immagini. Il Depth buffer serve per l’eliminazione delle parti nascoste. Lo Stencil buffer serve per restringere il disegno e l’Accumulation buffer per area di lavoro.
OpenGL 14Informatica Grafica
Inizializzazione Buffers
glClearColor setta il colore RGBA da usare per l’operazione di glClear del Color Buffer.
glClearDepth setta il valore di profondità da usare per l’operazione di glClear del Depth Buffer.
glClear inizializza il buffer (o i buffers) che contengono usando il propri clear values correnti.
OpenGL 15Informatica Grafica
Primitive
La primitiva fondamentale è la lista di vertici, che viene usati per diversi oggetti grafici:Punti: GL_POINTS
Linee: GL_LINES, GL_LINE_STRIP,GL_LINE_LOOP
Quadrilateri: GL_QUADS, GL_QUAD_STRIP
Poligoni: GL_POLYGON
Triangoli: GL_TRIANGLES, GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN
Le liste di vertici sono racchiuse tra: glBegin(<NomePrimitiva>); ….. glEnd();
OpenGL 16Informatica Grafica
Disegno Primitive
Ogni primitiva viene disegnata in modo diverso.GL_POINTS Solo i verticiGL_LINES Le linee da 0 ad 1, da 2 a 3, etcGL_POLYGON Il poligono pienoGL_TRIANGLES I triangoli pieni formati dai
vertici 0-2, 3-5, etc...GL_LINE_STRIP La spezzata (non chiusa) che
congiunge i vertici in ordineGL_LINE_LOOP La spezzata (chiusa) che
congiunge i vertici in ordine
OpenGL 17Informatica Grafica
Disegno Primitive (2)
GL_QUADS I quadrilateri pieni formati daivertici 0-3, 4-7, etc...
GL_QUAD_STRIP I quadrilateri pieni formati daivertici 0-3, 2-5, 4-7 etc...
GL_TRIANGLE_STRIP I triangoli pieni formati daivertici 0-2, 1-3, 2-4 etc...
GL_TRIANGLE_FAN I triangoli pieni formati daivertici 012, 023, 034 etc...
OpenGL 18Informatica Grafica
Disegno Primitive (3)
OpenGL 19Informatica Grafica
PoligoniSi possono modificare gli stili di disegno di un poligono con il comando:
glPolygonMode(Glenum face, Glenum mode);
face specifica a quale faccia (davanti GL_FRONT, dietro GL_BACK, entrambe GL_FRONT_AND_BACK) si applica il mode, il quale vale GL_POINT, GL_LINE o GL_FILL (default).Convenzionalmente la faccia front vede i vertici in senso antiorario, ma si può modificare. Ad ogni vertice possiamo associare una normale (usata nel rendering) con glNormal();
OpenGL 20Informatica Grafica
Disegno
OpenGL è pensato per un’architettura hardware con pipeline. Per questo motivo, i comandi vengono memorizzati in un buffer ed eseguiti quando il buffer è pieno e la CPU è disponibile. Per forzare il disegno abbiamo 2 comandi:
glFlush(); Forza l’esecuzione dei comandi dati. termina immediatamente
glFinish(); Forza l’esecuzione dei comandi dati e termina solo dopo la loro esecuzione
OpenGL 21Informatica Grafica
Visualizzazione in OpenGL
OpenGL 22Informatica Grafica
Specifica Vista
La proiezione è definita da 2 matrici: GL_MODELVIEW: Porta gli oggetti in coordinate
di vista. Analoga alla View Orientation, ma più generale.
GL_PROJECTION: Porta il volume di vista nel volume canonico (Qui x, y, z tra -1 ed 1). Analoga alla View Mapping.
Quale matrice viene modificata è un valore di stato. Modificato con glMatrixMode();
OpenGL 23Informatica Grafica
Operazioni su Matrici
Operazioni fondamentali sono:glMatrixMode(mode) Sceglie la matrice da
modificare GL_PROJECTION o GL_MODELVIEW
glLoadIdentity() Inizializza all’identitàglLoadMatrix(matrice) Carica una matrice 4x4glMultMatrix(matrice) moltiplica, a destra, la
matrice corrente per la matrice specificata
OpenGL 24Informatica Grafica
Modelview Matrix
Modifica il disegno in modo che si possa applicare la matrice di proiezione.
Contiene il risultato di comporre un numero anche molto alto di trasformazioni.
In ogni momento memorizza la trasformazione necessaria a portare l’oggetto corrente in coordinate di vista.
OpenGL 25Informatica Grafica
Matrici Trasformazione
Le matrici di trasformazione vengono definite con i comandi:glTranslate*(x, y, z); Trasla di (x, y, z)glRotate*(angle, x, y, z); Ruota di angle (antiorario)
rispetto alla retta da (x,y,z)all’origine
glScale*(x, y, z); Scala sui tre assiNon esiste la trasformazione di shearing, ma si può inizializzare una matrice con 16 valori qualunque usando glLoadMatrix.
OpenGL 26Informatica Grafica
Coordinate di vista Per portarsi in coordinate di vista possiamo usare
le trasformazioni viste oppure usare il comandogluLookAt( eyex, eyey, eyez,
centerx, centery, centerz,upx, upy, upz)
che porta in coordinate di vista partendo dalla situazione con l’osservatore in (eyex,eyey,eyez), il centro dell’immagine in (centerx,centery,centerz) ed il View up vector = (upx,upy,upz). Impone che il View Plane Normal sia la congiungente l’osservatore con il centro dell’immagine.
OpenGL 27Informatica Grafica
Composizione Trasformazioni
Le matrici si compongono sempre in modalità POSTCONCATENATE. Per rimpiazzare bisogna dare prima il comando glLoadIdentity(); Bisogna scrivere le trasformazioni in ordine inverso a quello in cui vengono applicate.
Le oprazioni si applicano sempre alla matrice corrente. Le matrici possono essere modificate durante l’esecuzione.
OpenGL 28Informatica Grafica
Esempiomain () {
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();glTranslatef(-1.0, -1.0, 0.0);glRotatef(90.0, 0.0, 0.0, 1.0);glBegin(GL_POLYGON);
glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0); glVertex3f(2.0, 1.0, 0.0);glVertex3f(1.0, 2.0, 0.0);
glEnd();glFlush();
}
OpenGL 29Informatica Grafica
Matrice di Proiezione Bisogna modificare la matrice GL_PROJECTION
Assume che la trasformazione collegata alla matrice GL_MODELVIEW porti il sistema di vista a coincidere con gli assi coordinato (WC = VRC) e che il piano di proiezione sia diventato z = -d, cioè perpendicolare all’asse z e sulle z negative.
OpenGL 30Informatica Grafica
Proiezioni Prospettiche
Proiezioni prospettiche. Il comando fondamentale è
glFrustum(left, right, bottom, top, near, far)che definisce una matrice di proiezione dando i clipping planes (near e far) e la finestra (sul piano near).
Alternativa usando la libreria GLU:gluPerspective(fovy, aspect, near, far)
Fornisce l’angolo di apertura sul piano xz (fovy), il rapporto della finestra w/h (aspect) il front ed il back plane.
OpenGL 31Informatica Grafica
Proiezioni Prospettiche (2)
OpenGL 32Informatica Grafica
Proiezioni Parallele
Proiezioni parallele. Il comando fondamentale è glOrtho(left, right, bottom, top, near, far)che definisce una matrice di proiezione dando i clipping planes (near e far) e la finestra (su uno qualunque dei piani).
OpenGL 33Informatica Grafica
Viewport
Il viewport si definisce con il comando:glViewport(x, y, width, height);
se non viene definito, per default si prende x=0, y=0 e width ed height uguali alla dimensione della finestra. Per non distorcere l’immagine bisogna che width ed height siano nello stesso rapporto della larghezza ed altezza della finestra sul piano.
Può essere usato per avere più immagini nella stessa finestra. Ognuna occupa una parte.
OpenGL 34Informatica Grafica
Operazioni su Matrici OpenGL mantiene le matrici in degli stacks.
Uno stack per la GL_MODELVIEW (dimensione almeno 32) ed uno per la GL_PROJECTION.
Le trasformazioni si applicano alla matrice top dello stack corrente.
Molto utili per memorizzare alcune matrici che devono essere applicate a più primitive.
Operazioni sugli stack sono:glPushMatrix() duplica la matrice affiorante
e la inserisce in testaglPopMatrix() elimina la matrice affiorante.
OpenGL 35Informatica Grafica
Esempio
void disegna_bicicletta () {Posizionati nell’origine del modello,disegna il telaio;glPushMatrix();
glTranslatef(40,0,30);disegna prima ruota;
glPopMatrix();glPushMatrix();
glTranslatef(40,0,-30);disegna seconda ruota;
glPopMatrix();
OpenGL 36Informatica Grafica
Eliminazione Parti Nascoste
Per default, OpenGL non elimina le parti nascoste, ma disegna gli oggetti nell’ordine in cui li incontra. Per eliminare le parti nascoste bisogna dare il comando:
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
che rende attivo il Depth Buffer. Prima di usare il buffer bisogna però inizializzarlo con:
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
NOTA: Il comando glEnable si applica a tutte le variabili di stato booleane.
OpenGL 37Informatica Grafica
Animazioni (1)
L’uso maggiore di OpenGL non è per generare immagini, ma per fare delle animazioni.
Le animazioni richiedono di disegnare sullo schermo molte immagini in sequenza ad un ritmo di (possibilmente) almeno 30 al secondo. Esempio:
apri finestra;for (i=0, i < massimo, i++) {
pulisci la finestra; disegna immagine;aspetta fino ad (i+1)/30 secondi;
}
OpenGL 38Informatica Grafica
Animazioni (2)
Problemi:
1) Si nota che lo schermo viene pulito
2) Si vede mentre l’immagine viene disegnata.
3) L’immagine non è stabile poiché lo schermo viene continuamente aggiornato
OpenGL 39Informatica Grafica
Double Buffering (1)
Risolve (parzialmente) il problema dello sfarfallio (flickering) con la seguente tecnica:
1)Usa un secondo buffer dove viene effettuato il disegno.
2) Sostituisci il secondo buffer al primo solo dopo che è stato completamente disegnato.
OpenGL 40Informatica Grafica
Double Buffering (2)
In OpenGL il double buffering viene gestito da GLUT (o dal sistema operativo). In GLUT abbiamo i comandi:
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE)Dichiara che si useranno due buffers. Il primo viene presentato sullo schermo, mentre il disegno verrà fatto sul secondo.
glutSwapBuffers()Scambia i due buffers, presentando il second sullo schermo.
OpenGL 41Informatica Grafica
Esempio (1)
int main(int argc, char** argv) { glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB); glutInitWindowSize (250, 250); glutInitWindowPosition (100, 100); glutCreateWindow (argv[0]); init (); glutDisplayFunc(display); glutIdleFunc(spinDisplay); glutMainLoop(); return 0; }
OpenGL 42Informatica Grafica
Esempio (2)#include <GL/glut.h> #include <stdlib.h>static GLfloat spin = 0.0;void display(void) { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glPushMatrix(); glRotatef(spin, 0.0, 0.0, 1.0); glColor3f(1.0, 1.0, 1.0); glRectf(-25.0, -25.0, 25.0, 25.0); glPopMatrix(); glutSwapBuffers(); }void spinDisplay(void) { spin = spin + 2.0; if (spin > 360.0) spin = spin - 360.0; glutPostRedisplay(); }void init(void) { glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_FLAT); }
OpenGL 43Informatica Grafica
Eliminazione parti nascoste
OpenGL ha built-in le procedure per l’eliminazione delle parti nascoste. Bisogna solo renderle attive. Questo richiede almeno 3 passi:
1) glutInitDisplayMode(GLUT_DEPTH | ……);Inizializza la finestra predisponendola per fare il controllo sulla profondità che elimina le parti nascoste
2) glEnable(GL_DEPTH_TEST);Abilita (in OpenGL) il controllo sulla profondità
3) glClearDepth(); Sceglie il valore (tra 0 ed 1) di clear della profondità (per default vale 1).
4) glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);Inizializza il buffer che mantiene le informazioni sulla profondità
OpenGL 44Informatica Grafica
Illuminazione Per definire l’illuminazione in OpenGL bisogna
fare diversi passi:
1) Definire dei solidi, fornendo la normale uscente da ogni vertice;
2) Creare, selezionare e posizionare le sorgenti di luce;
3) Creare e selezionare un modello d’illuminazione;
4) Definire le proprietà dei materiali presenti nella scena.
OpenGL 45Informatica Grafica
Tipi di Luce In OpenGL ci sono tre tipi di luce, ognuna con un
proprio colore:
1) Ambiente;Luce dispersa dalla riflessione sulle superfici tale che non ha una direzione, ma illumina uniformemente tutti gli oggetti.
2) Diffusa;Luce che colpisce un oggetto e viene diffusa in tutte le direzioni
3) Speculare;Luce che colpisce un oggetto e viene diffusa principalmente in una direzione
OpenGL 46Informatica Grafica
Attivazione Illuminazione Per default l’illuminazione non e’ attiva. Per
renderla attiva bisogna dare i comandi:1) glEnable(GL_LIGHTING);
Attiva l’illuminazione.2) glEnable(GL_LIGHT0);
Accende la luce 0. Necessario se no le luci non illuminano la scena.
Quando e’ attiva l’illuminazione il modello di disegno deve essere GL_SMOOTH, quindi bisogna dare il comando
glShadeModel(GL_SMOOTH);
OpenGL 47Informatica Grafica
Definizione Normali Le normali uscenti dai vertici servono per
calcolare quanta luce colpisce il vertice. Tutte le primitive glut solide (non wire) hanno già definite queste normali. Se non sono definite, si aggiungono nel comando
glBegin(GL_POLYGON);glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0); glVertex3f(0.25, -0.25, 0.0);glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0); glVertex3f(0.75, 0.25, 0.0);glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0); glVertex3f(0.75, 0.75, 0.0);glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0); glVertex3f(0.25, 0.75, 0.0);
glEnd();
OpenGL 48Informatica Grafica
Creazione Sorgenti Luce Specificate con il comandoglLightfv(Glenum light, Glenum pname, TYPE *param)dove light e’ il nome della luce (GL_LIGHT0 .. GL_LIGHT7 in
molte implementazioni), pname e’ il parametro da settare e param un vettore di valori da assegnare al pname.
I parametri più importanti sono:GL_AMBIENT GL_DIFFUSE GL_SPECULAR
definiscono le caratteristiche della luceGL_POSITION GL_SPOT_DIRECTION
definiscono posizione (direzione se all’infinito) e orientamento (solo se al finito) della luce.
OpenGL 49Informatica Grafica
Scelta del Modello Specifica le caratteristiche del modello di illuminazione
da usare per la visualizzazione (rendering) della scena. Comando:
glLightModelfv(Glenum pname, TYPE *param)dove pname e’ il parametro da settare e param un vettore
di valori da assegnare al pname.
Per ora useremo sempre il modello di default. Vedremo meglio le caratteristiche più avanti nel corso.
OpenGL 50Informatica Grafica
Proprietà dei Materiali Bisogna definire come gli oggetti presenti nella scena
reagiscono alla luce. Specificato con il comando:glMaterialfv(Glenum face, Glenum pname, TYPE *param)dove face e’ la faccia (front, back o entrambe), pname e’ il
parametro da settare e param un vettore di valori da assegnare al pname.
I parametri più importanti sono:GL_AMBIENT GL_DIFFUSE
GL_SPECULARGL_SHININESS GL_EMISSION
che definiscono il comportamento del materiale quando viene illuminato.
OpenGL 51Informatica Grafica
Effetti Avanzati
OpenGL può generare i seguenti effetti:
1) Oggetti trasparenti.2) Blending di immagini3) Antialiasing4) Nebbia (visibilità limitata)5) Texture mapping (incluso mipmapping)
OpenGL 52Informatica Grafica
Buffers
Il framebuffer di OpenGL e’ composto in realtà da un insieme di buffers, che sono:
1) Color buffers (almeno 2, spesso di più per la visione stereo).
2) Depth buffer3) Stencil buffer
Usato per “ritagliare” aree dello schermo4) Accumulation buffer
Accumula i risultati per effetti speciali come Motion Blur, simulare il fuoco, ombre, ...
OpenGL 53Informatica Grafica
Primitive non Piane
OpenGL permette di disegnare:1) Poligoni non semplici
Attraverso la tessellazione2) Quadriche
Tutte le superfici esprimibili con equazioni quadratiche in 2 variabili (sfere, cilindri, dischi,..)
3) Curve parametriche e Superfici parametricheSupporto per le curve e superfici parametriche di Bezier e NURBS
OpenGL 54Informatica Grafica
Selezione e Feedback
OpenGL permette di selezionare e fare il picking degli oggetti sullo schermo fornendo le primitive necessarie
Inoltre e’ possibile interrogare OpenGL per controllare le coordinate (trasformate) ed il colore (dopo l’illuminazione) degli oggetti.