Opengl описание функций. Графическая библиотека OpenGL. Дополнительные сведения об OpenGL
ВВЕДЕНИЕ
OpenGL является одним из самых популярных прикладных программных интерфейсов (API - Application Programming Interface) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики.
Стандарт OpenGL (Open Graphics Library - открытая графическая библиотека) был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения как эффективный аппаратно-независимый интерфейс, пригодный для реализации на различных платформах. Основой стандарта стала библиотека IRIS GL, разработанная фирмой Silicon Graphics Inc.
Библиотека насчитывает около 120 различных команд, которые программист использует для задания объектов и операций, необходимых для написания интерактивных графических приложений.
На сегодняшний день графическая система OpenGL поддерживается большинством производителей аппаратных и программных платформ. Эта система доступна тем, кто работает в среде Windows, пользователям компьютеров Apple. Свободно распространяемые коды системы Mesa (пакет API на базе OpenGL) можно компилировать в большинстве операционных систем, в том числе в Linux.
Характерными особенностями OpenGL, которые обеспечили распространение и развитие этого графического стандарта, являются:
Стабильность. Дополнения и изменения в стандарте реализуются таким образом, чтобы сохранить совместимость с разработанным ранее программным обеспечением.
Надежность и переносимость. Приложения, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат вне зависимости от типа используемой операционной системы и организации отображения информации. Кроме того, эти приложения могут выполняться как на персональных компьютерах, так и на рабочих станциях и суперкомпьютерах.
Легкость применения. Стандарт OpenGL имеет продуманную структуру и интуитивно понятный интерфейс, что позволяет с меньшими затратами создавать эффективные приложения, содержащие меньше строк кода, чем с использованием других графических библиотек. Необходимые функции для обеспечения совместимости с различным оборудованием реализованы на уровне библиотеки и значительно упрощают разработку приложений.
Наличие хорошего базового пакета для работы с трехмерными приложениями упрощает понимание студентами ключевых тем курса компьютерной графики - моделирование трехмерных объектов, закрашивание, текстурирование, анимацию и т.д. Широкие функциональные возможности OpenGL служат хорошим фундаментом для изложения теоретических и практических аспектов предмета.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИБЛИОТЕКИ OPENGL
Назначение и возможности библиотеки OpenGL
Для упрощения разработки программ на языке Си++ существует большое количество готовых библиотек с реализацией алгоритмов для конкретных предметных областей, от численных расчетов до распознавания речи. Библиотека OpenGL является одним из самых популярных программных интерфейсов (API) для работы с трехмерной графикой. Стандарт OpenGL был утвержден в 1992 г. ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения. Его основой стала библиотека IRIS GL, разработанная фирмой Silicon Graphics на базе концепции графической машины Стэнфордского университета (1982 г.).
OpenGL переводится как Открытая Графическая Библиотека (Open Graphics Library). Программы, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат во многих операционных системах - на персональных компьютерах, на рабочих станциях и на суперкомпьютерах.
С точки зрения программиста, OpenGL - это программный интерфейс для графических устройств (например, графических ускорителей). Он включает в себя около 150 различных функций, с помощью которых программист может задавать свойства различных трехмерных и двумерных объектов и выполнять их визуализацию (рендеринг). Т.е. в программе надо задать местоположение объектов в трехмерном пространстве, определить другие параметры (поворот, растяжение), задать свойства объектов (цвет, текстура, материал и т.д.), положение наблюдателя, а затем библиотека OpenGL выполнит генерацию двумерной проекции этой трехмерной сцены.
Можно сказать, что библиотека OpenGL является библиотекой только для визуализации трехмерных сцен (rendering library). Она не поддерживает какие либо периферийные устройства (например, клавиатуру или мышь) и не содержит средств для управления экранными окнами. Обеспечение взаимодействия периферийных устройств с библиотекой OpenGL в конкретной операционной системе является задачей программиста.
Основные возможности OpenGL, предоставляемые программисту, можно разделить на несколько групп:
1. Геометрические и растровые примитивы. На основе этих примитивов строятся все остальные объекты. Геометрические примитивы - это точки, отрезки и многоугольники. Растровыми примитивами являются битовые массивы и изображения.
2. Сплайны. Сплайны применяются для построения гладких кривых по опорным точкам.
3. Видовые и модельные преобразования. Эти преобразования позволяют задавать пространственное расположение объектов, изменять форму объектов и задавать положение камеры, для которой OpenGL строит результирующее проекционное изображение.
4. Работа с цветом. Для операций с цветом в OpenGL есть режим RGBA (красный - зелёный - синий - прозрачность) и индексный режим (цвет задается порядковым номером в палитре).
5. Удаление невидимых линий и поверхностей.
6. Двойная буферизация. В OpenGL доступна и одинарная, и двойная буферизация. Двойная буферизация применяется для устранения мерцания при мультипликации. При этом изображение каждого кадра сначала рисуется в невидимом буфере, а на экран кадр копируется только после того, как полностью нарисован.
7. Наложение текстуры. Текстуры упрощают создание реалистичных сцен. Если на объект, например, сферу, наложить текстуру (некоторое изображение), то объект будет выглядеть иначе (например, сфера будет выглядеть как разноцветный мячик).
8. Сглаживание. Автоматическое сглаживание компенсирует ступенчатость, свойственную растровым дисплеям. При сглаживании отрезков OpenGL изменяет интенсивность и цвет пикселей так, что эти отрезки отображаются на экране без зигзагов".
9. Освещение. Указание расположения, интенсивности и цвета источников света.
10. Специальные эффекты. Например, туман, дым, прозрачность объектов. Эти средства позволяют сделать сцены более реалистичными.
Хотя библиотека OpenGL предоставляет практически все возможности для моделирования и воспроизведения трёхмерных сцен, некоторые графические функции непосредственно в OpenGL недоступны. Например, чтобы задать положение и направление камеры для наблюдения сцены придется рассчитывать проекционную матрицу, что сопряжено с достаточно громоздкими вычислениями. Поэтому для OpenGL существуют так называемые вспомогательные библиотеки.
Одна из этих библиотек называется GLU. Эта библиотека является частью стандарта и поставляется вместе с главной библиотекой OpenGL. В состав GLU входят более сложные функции (например, для создания цилиндра или диска требуется всего одна команда). В библиотеке GLU есть также функции для работы со сплайнами, реализованы дополнительные операции над матрицами и дополнительные виды проекций.
Еще две известные библиотеки - GLUT (для Unix) и GLAUX (для MS Windows). В них реализованы не только дополнительные функции OpenGL (для построения некоторых сложных фигур вроде конуса и тетраэдра), но также есть функции для работы с окнами, клавиатурой и мышью в консольных приложениях. Чтобы работать с OpenGL в конкретной операционной системе (например, Windows или Unix), надо провести некоторую предварительную настройку, которая зависит от операционной системы. GLUT и GLAUX позволяют буквально несколькими командами определить окно, в котором будет работать OpenGL, задать функции для обработки команд от клавиатуры или мыши.
Возможности OpenGL описаны через функции его библиотеки. Все функции можно разделить на пять категорий.
Функции описания примитивов определяют объекты нижнего уровня иерархии (примитивы), которые способна отображать графическая подсистема. В OpenGL в качестве примитивов выступают точки, линии, многоугольники и т.д.
Функции описания источников света служат для описания положения и параметров источников света, расположенных в трехмерной сцене.
Функции задания атрибутов. С помощью задания атрибутов программист определяет, как будут выглядеть на экране отображаемые объекты. Другими словами, если с помощью примитивов определяется, что появится на экране, то атрибуты определяют способ вывода на экран. В качестве атрибутов OpenGL позволяет задавать цвет, характеристики материала, текстуры, параметры освещения.
Функции визуализации позволяет задать положение наблюдателя в виртуальном пространстве, параметры объектива камеры. Зная эти параметры, система сможет не только правильно построить изображение, но и отсечь объекты, оказавшиеся вне поля зрения.
Набор функций геометрических преобразований позволяют программисту выполнять различные преобразования объектов - поворот, перенос, масштабирование.
При этом OpenGL может выполнять дополнительные операции, такие как использование сплайнов для построения линий и поверхностей, удаление невидимых фрагментов изображений, работа с изображениями на уровне пикселей и т.д.
В этом разделе мы научимся создавать трехмерные изображения с помощью функций библиотеки OpenGL, для того чтобы в следующей главе разработать Windows-приложение, которое можно рассматривать как инструмент просмотра результатов научных расчетов. Материал этого раздела позволит вам постепенно войти в курс дела и овладеть очень привлекательной технологией создания и управления трехмерными изображениями. Сначала мы рассмотрим основные возможности библиотеки OpenGL, затем научимся управлять функциями OpenGL на примере простых приложений консольного типа и лишь после этого приступим к разработке Windows-приложения.
Читатель, наверное, знает, что OpenGL это оптимизированная, высокопроизводительная графическая библиотека функций и типов данных для отображения двух-и трехмерной графики. Стандарт OpenGL был утвержден в 1992 г. Он основан на библиотеке IRIS GL, разработанной компанией Silicon Graphics (www.sgi.com). OpenGL поддерживают все платформы. Кроме того, OpenGL поддержана аппаратно. Существуют видеокарты с акселераторами и специализированные SD-карты, которые выполняют примитивы OpenGL на аппаратном уровне.
Материал первой части этого урока навеян очень хорошей книгой (доступной в online-варианте) издательства Addison-Wesley "OpenGL Programming Guide, The Official Guide to Learning OpenGL". Если читатель владеет английским языком, то мы рекомендуем ее прочесть.
Подключаемые библиотеки
Microsoft-реализация OpenGL включает полный набор команд OpenGL, то есть глобальных функций, входящих в ядро библиотеки OPENGL32.LIB и имеющих префикс gl (например, glLineWidth). Заметьте, что функции из ядра библиотеки имеют множество версий, что позволяет задать желаемый параметр или настройку любым удобным вам способом. Посмотрите справку по функциям из семейства glColor*. Оказывается, что задать текущий цвет можно 32 способами. Например, функция:
Void glColorSb(GLbyte red, GLbyte green, GLbyte blue);
Определяет цвет тремя компонентами типа GLbyte, а функция:
Void glColor4dv (const GLdouble *v);
Задает его с помощью адреса массива из четырех компонентов.
С учетом этих вариантов ядро библиотеки содержит более 300 команд. Кроме того, вы можете подключить библиотеку утилит GLU32.LIB, которые дополняют основное ядро. Здесь есть функции управления текстурами, преобразованием координат, генерацией сфер, цилиндров и дисков, сплайновых аппроксимаций кривых и поверхностей (NURBS - Non-Uniform Rational B-Spline ), а также обработки ошибок. Еще одна, дополнительная (auxiliary ) библиотека GLAUX.LIB позволяет простым способом создавать Windows-окна, изображать некоторые SD-объекты, обрабатывать события ввода и управлять фоновым процессом. К сожалению, эта библиотека не документирована. Компания Microsoft не рекомендует пользоваться ею для разработки коммерческих проектов, так как она содержит код цикла обработки сообщений, в который невозможно вставить обработку других произвольных сообщений.
Примечание
Тип GLbyte эквивалентен типу signed char, a GLdouble - типу double. Свои собственные типы используются в целях упрощения переносимости на другие платформы. Список типов OpenGL мы приведем ниже. Четвертый компонент цвета определяет прозрачность цвета, то есть способ смешивания цвета фона с цветом изображения. Некоторые команды OpenGL имеют в конце символ v, который указывает, что ее аргументом должен быть адрес массива (вектора). Вектор в математике - это последовательность чисел (координат), единственным образом задающих элемент векторного пространства. Многие команды имеют несколько версий, позволяя в конечном счете задать вектор разными способами
.
Около двадцати Windows GDI-функций создано специально для работы с OpenGL. Большая часть из них имеет префикс wgl (аббревиатура от Windows GL). Эти функции являются аналогами функций с префиксом glx, которые подключают OpenGL к платформе X window System. Наконец, существует несколько Win32-функций для управления форматом пикселов и двойной буферизацией. Они применимы только для специализированных окон OpenGL.
OpenGL является на данный момент одним из самых популярных программных интерфейсов (API) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики. Стандарт OpenGL был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения, а его основой стала библиотека IRIS GL, разработанная Silicon Graphics.
На данный момент реализация OpenGL включает в себя несколько библиотек (описание базовых функций OpenGL, GLU,GLUT,GLAUX и другие), назначение которых будет описано ниже.
Характерными особенностями OpenGL, которые обеспечили распространение и развитие этого графического стандарта, являются:
Стабильность - дополнения и изменения в стандарте реализуются таким образом, чтобы сохранить совместимость с разработанным ранее программным обеспечением.
Надежность и переносимость - приложения, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат вне зависимости от типа используемой операционной системы и организации отображения информации. Кроме того, эти приложения могут выполняться как на персональных компьютерах, так и на рабочих станциях и суперкомпьютерах.
Легкость применения - стандарт OpenGL имеет продуманную структуру и интуитивно понятный интерфейс, что позволяет с меньшими затратами создавать эффективные приложения, содержащие меньше строк кода, чем с использованием других графических библиотек. Необходимые функции для обеспечения совместимости с различным оборудованием реализованы на уровне библиотеки и значительно упрощают разработку приложений.
Основные возможности OpenGL
Набор базовых примитивов: точки, линии, многоугольники и т.п.
Видовые и координатные преобразования
Удаление невидимых линий и поверхностей (z-буфер)
Использование сплайнов для построения линий и поверхностей
Наложение текстуры и применение освещения
Добавление специальных эффектов: тумана, изменение прозрачности,сопряжение цветов (blending), устранение ступенчатости (anti-aliasing).
Как уже было сказано, существует реализация OpenGL для разных платформ, для чего было удобно разделить базовые функции графической системы и функции для отображения графической информации и взаимодействия с пользователем. Были созданы библиотеки для отображения информации с помощью оконной подсистемы для операционных систем Windows и Unix (WGL и GLX соответственно), а также библиотеки GLAUX и GLUT, которые используются для создания так называемых консольных приложений.
Библиотека GLAUX уступает по популярности написанной несколько позже библиотеке GLUT, хотя они предоставляют примерно одинаковые возможности. В состав библиотеки GLU вошла реализация более сложных функций, таких как набор популярных геометрических примитивов (куб, шар, цилиндр, диск), функции построения сплайнов, реализация дополнительных операций над матрицами и т.п. Все они реализованы через базовые функции OpenGL.
Архитектура и особенности синтаксиса
С точки зрения архитектуры, графическая система OpenGL является конвейером, состоящим из нескольких этапов обработки данных:
Аппроксимация кривых и поверхностей
Обработка вершин и сборка примитивов
Растеризация и обработка фрагментов
Операции над пикселями
Подготовка текстуры
Передача данных в буфер кадра
Вообще, OpenGL можно сравнить с конечным автоматом, состояние которого определяется множеством значений специальных переменных (их имена обычно начинаются с символов GL_) и значениями текущей нормали, цвета и координат текстуры. Все эта информация будет использована при поступлении в систему координат вершины для построения фигуры, в которую она входит. Смена состояний происходит с помощью команд, которые оформляются как вызовы функций.
ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ БИБЛИОТЕКИ OpenGL В C++
Первым делом нужно подключить заголовочные файлы:
#include
#include
#include
· gl.h и glu.h содержат прототипы основных функций OpenGL определённых в opengl32.dll и glu32.dll.
· glaux.h содержит вспомогательные (auxiliary) функции (glaux.dll).
После подключения заголовочных файлов нужно установить формат пикселей. Для этой цели используется следующая функция:
BOOL bSetupPixelFormat(HDC hdc)
PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd, *ppfd;
int pixelformat;
ppfd->nSize = sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR);
ppfd->nVersion = 1;
ppfd->dwFlags = PFD_DRAW_TO_WINDOW | PFD_SUPPORT_OPENGL | PFD_DOUBLEBUFFER;
ppfd->dwLayerMask = PFD_MAIN_PLANE;
ppfd->iPixelType = PFD_TYPE_RGBA;
ppfd->cColorBits = 16;
ppfd->cDepthBits = 16;
ppfd->cAccumBits = 0;
ppfd->cStencilBits = 0;
if ((pixelformat = ChoosePixelFormat(hdc, ppfd)) == 0)
MessageBox(NULL, "ChoosePixelFormat failed", "Error", MB_OK);
if (SetPixelFormat(hdc, pixelformat, ppfd) == FALSE)
MessageBox(NULL, "SetPixelFormat failed", "Error", MB_OK);
Структура PIXELFORMATDESCRIPTOR сказать надо.
cColorBits - глубина цвета
cDepthBits - размер буфера глубины (Z-Buffer)
cStencilBits - размер буфера трафарета (мы его пока не используем)
iPixelType - формат указания цвета. Может принимать значения PFD_TYPE_RGBA (цвет указывается четырьмя параметрами RGBA - красный, зленный, синий и альфа) и PFD_TYPE_COLORINDEX (цвет указывается индексом в палитре).
Функция ChoosePixelFormat() подбирает формат пикселей и возвращает его дескриптор, а SetPixelFormat() устанавливает его в контексте устройства (dc).
После того как в контексте устройства установлен формат пикселей, нужно создать контекст воспроизведения (Rendering Context) для этого в OpenGL определены следующие функции:
HGLRC wglCreateContext(HDC hdc);
BOOL wglMakeCurrent(HDC hdc, HGLRC hglrc);
В объявлении класса формы в области private необходимо добавить следующее:
ghRC - указатель на контекст воспроизведения (Rendering Context)
ghDC - дескриптор устройства (для нас - просто указатель на окно)
Процедура Draw будет отвечать за рисование.
void __fastcall TForm1::FormCreate(TObject *Sender)
ghDC = GetDC(Handle);
if (!bSetupPixelFormat(ghDC))
ghRC = wglCreateContext(ghDC);
wglMakeCurrent(ghDC, ghRC);
glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
FormResize(Sender);
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_LIGHT0);
float p={3,3,3,1},
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,p);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPOT_DIRECTION,d);
glViewport(0, 0, Width, Height);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
glOrtho(-5,5, -5,5, 2,12);
gluLookAt(0,0,5, 0,0,0, 0,1,0);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glClearColor() устанавливает цвет, которым будет заполняться экран при очищении. У этой процедуры - 4 параметра, что соответствует RGBA. Вместо нее можно написать glClearIndex(0.0) . Эта процедура устанавливает индекс цвета в палитре.
glViewport() устанавливает область вывода - область, в которую OpenGL будет выводить изображение.
glMatrixMode() устанавливает режим матрицы видового преобразования.
glLoadIdentity() заменяет текущую матрицу видового преобразования на единичную.
glOrtho() устанавливает режим ортогонального (прямоугольного) проецирования. Это значит, что изображение будет рисоваться как в изометрии. 6 параметров типа GLdouble (или просто double): left, right, bottom, top, near, far определяют координаты соответственно левой, правой, нижней, верхней, ближней и дальней плоскостей отсечения, т.е. всё, что окажется за этими пределами, рисоваться не будет. На самом деле эта процедура просто устанавливает масштабы координатных осей. Для того чтобы установить перспективное проецирование, используются процедуры glFrustum() и gluPerspective().
gluLookAt() устанавливает параметры камеры: первая тройка - её координаты, вторая - вектор направления, третья - направление оси Y.
В OpenGL всё включается и выключается (разрешается и запрещается) процедурами glEnable() и glDisable().
glLightfv() устанавливает свойства "лампочек": позицию и направление света.
После того, как завершена работа с OpenGL, нужно освободить занятые ресурсы: освободить контекст, вызвав wglMakeCurrent с параметром ноль для идентификатора контекста OpenGL и разрушить этот контекст функцией wglDeleteContext. Кроме того нужно удалить дескриптор ghDC. Так как обычно работу с OpenGL завершается при завершении работы приложения, то соответствующий код нужно поместить в FormClose:
void __fastcall TForm1::FormClose(TObject *Sender, TCloseAction &Action)
wglMakeCurrent(ghDC,0);
wglDeleteContext(ghRC);
ReleaseDC(Handle, ghDC);
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
За время прохождения производственной практики с 5 июля по 31 июля 2011 г. в ЗАО «Транзас», Авиационное направление в отделе программирования, я ознакомился с работой отдела программирования. Ознакомился с устройством и функционированием комплексных авиа тренажеров, разрабатываемых в ЗАО «Транзас». Я узнал о такой системе визуализации ландшафтов и различных объектов, как «Аврора». Я получил первоначальные практические навыки и умения, необходимые для разработки приложений и программного обеспечения с помощью современного высокоуровневого языка программирования и графической библиотеки.