Visualisation avec OpenGL

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Visualisation avec OpenGL

• Jérémie Allard
• 4 Novembre 2002

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Plan

• Présentation
• Exemple
• Transformations
• Objets
• Matériaux et Lumières
• Textures
• Techniques Avancées

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PrésentationHistorique

• Avant 1992 IRIS GL développé par SGI.
• 1992 Création du standard OpenGL, Open Graphic
  Library, controlé par l ARB, Architecture Review
  Board.
• 3DLabs, Apple, ATI, Dell, EvansSutherland, HP,
  IBM, Intel, Matrox, Microsoft, nVIDIA, SGI, Sun
• Spécification actuelle OpenGL 1.4
• Futur OpenGL 2.0

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PrésentationStructure

• API bas niveau
• Langage C
• Plusieurs composants
• GL librairie graphique, indépendante du système
• GLU fonctions utilitaires (objects prédéfinis,
  courbes)
• GLX / WGL / ... interface avec le système (GLX
  sous X/Windows, WGL sous Win32).
• GLUT (facultatif) Toolkit dabstraction du
  système

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PrésentationConcepts

• Framebuffer buffer contenant limage affichée
  sur lécran. Utilise le Double-Buffering
• Front buffer image actuellement affichée
• Back buffer image en cours de calcul
• Plusieurs composantes
• Color Buffer Couleurs de limage (composante R G
  B)
• Z Buffer Distances (calcul des parties cachées
• Stencil Buffer, Alpha Buffer, Accumulation Buffer

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PrésentationConcepts (2)

• Pixel point dune image
• Vertex sommet dun objet. Possède une position
  3D et des attributs facultatifs
• Normal vecteur normal à la surface
• Color couleur (et transparence)
• TexCoord coordonnée de mapping de la texture
• Polygone primitive d affichage. Liste de n
  points (généralement des triangles).
• Objet ensemble de polygones

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ExempleStructure

• La structure dun programme OpenGL est
  généralement
• Initialisation
• Boucle principale
• Mise a jour des données
• Calcul de limage (render)
• Affichage de la nouvelle image (swap)
• Le code dépend du système utilisé (X/Windows,
  Win32, GLUT, VR Juggler)

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ExempleAfficher un triangle

• // render_triangle.c
• include ltGL/gl.hgt
• void render()
• glClear(GL_COLOR_BUFFER_BITGL_DEPTH_BUFFER_BIT)
  
• glBegin(GL_TRIANGLES)
• glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f) // couleur V1
• glVertex3f( 0.0f, 1.0f,-3.0f) // position V1
• glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f) // couleur V2
• glVertex3f(-1.0f,-1.0f,-3.0f) // position V2
• glColor3f(0.0f,0.0f,1.0f) // couleur V3
• glVertex3f( 1.0f,-1.0f,-3.0f) // position V3
• glEnd() // GL_TRIANGLES

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Exemple Programme principal avec GLUT (1)

• // main_glut.c
• include ltGL/glut.hgt
• void init()
• void display()
• void idle()
• int main(int argc, char argv)
• glutInit(argc, argv)
• glutInitDisplayMode(GLUT_RGBAGLUT_DOUBLE)
• glutCreateWindow(argv0)
• init()
• glutDisplayFunc(display)
• glutIdleFunc(idle)
• glutMainLoop()

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Exemple Programme principal avec GLUT (2)

• void init() // initialise la caméra
• glMatrixMode(GL_PROJECTION)
• glLoadIdentity()
• gluPerspective(60, 1.3333, 1.0, 5000.0)
• glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
• glLoadIdentity()
• void display() // calcule et affiche une image
• render()
• glutSwapBuffers()
• void idle() // reaffiche une fois terminé
• glutPostRedisplay()

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ExempleCompilation avec GLUT

• Compilation
• gcc -o triangle main_glut.c render_triangle.c
  -lglut -lGLU -lGL -lXmu -lXext -lX11 -lm
• Résultat

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ExemplesNotes

• Je conseille de séparer le programme principal
  dépendant du système et les fonctions de
  lapplication elle-même
• portabilité sur dautres systèmes (comme Net
  Juggler).
• Le triangle a été spécifié en immediate mode
  les vertice sont spécifiés un par un
• Convention beaucoup de fonctions OpenGL
  utilisent un suffixe pour spécifier le nombre et
  le type darguments
• f pour float, d pour double, i pour int

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Transformations

• Chaque vertex subit des transformations avant
  dêtre affiché.
• Position et orientation de lobjet dans la scène
• Inverse de la position et lorientation de la
  caméra
• Projection 3D -gt 2D
• Les 2 premières transformations sont stockées
  dans la matrice MODELVIEW
• La projection est stockée dans la matrice
  PROJECTION

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TransformationsPiles de matrices

• La matrice de travaille est spécifiée par la
  commande glMatrixMode
• glMatrixMode(GL_PROJECTION)
• glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
• OpenGL stocke pour chacune une pile de matrices
• glPushMatrix() sauvegarde la matrice courante
• glPopMatrix() restaure une matrice précédente

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TransformationsProjection

• glLoadIdenty() réinitialise la matrice courante.
• La projection est spécifiée par la commande
  gluPerspective(fovy, aspect, zNear, zFar)
• fovy angle de vision horizontal
• aspect aspect ratio de la fenêtre (1.333 pour un
  ecran)
• zNear distance z minimale
• zFar distance z maximale

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Transformations Trans-lation, Rotation, Scaling

• glTranslated/f(x,y,z) déplace l'objet du
  vecteur spécifié
• Ex glTranslatef(0.0f, 0.0f, -6.0f)
• glRotated,f(angle,x,y,z) tourne l'objet autour
  de laxe spécifié (angle en degré)
• Ex glRotatef(90.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f)
• glScaled/f(x,y,z) étire l'objet selon les
  facteurs spécifié pour chacun des axes
• Ex glScalef(2.0f, 2.0f, 2.0f)

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TransformationsExemple

• // render_rotate.c
• include ltGL/gl.hgt
• int nbframe0
• void render()
• glClear() // comme Exemple 1
• glPushMatrix()
• glTranslatef(0,0,-3)
• glRotatef(nbframe,0,1,0)
• glBegin(GL_TRIANGLES)
• // comme Exemple 1
• glEnd() // GL_TRIANGLES
• glPopMatrix()
• nbframe

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TransformationsNotes

• Si aucune transformation nest spécifiée, l axe
  X est dirigé vers la droite, laxe Y vers le
  haut, laxe Z vers lavant, et la caméra est en
  (0,0,0)
• Lordre des transformations est très important.
  Les transformations spécifiées en derniers
  sappliquent en premier.
• Inversion de la translation et la rotation

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Objets

• Un objet est un ensemble de polygones.
• Plusieurs façons de spécifier un objet
• immediate mode spécification directe. Très
  simple.glBegin(type) glVertex glEnd()
• vertex array utilisation dun tableau stockant
  les vertices. Plus efficace, mais plus compliqué
• display list regroupements de commandes en
  batch. Anciennement le plus rapide mais trop
  limité.
• Il existe beaucoup doptimisations dépendantes de
  la carte graphique (placer les données dans la
  mémoire vidéo pour les cartes nVIDIA).

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ObjetsPrimitives

• glBegin(type)

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ObjetsExemple procédural

• void renderAxeX()
• glBegin(GL_QUADS) // base
• glVertex3f(0,-0.1f,-0.1f)
• glVertex3f(0, 0.1f,-0.1f)
• glVertex3f(0, 0.1f, 0.1f)
• glVertex3f(0,-0.1f, 0.1f)
• glEnd()
• glBegin(GL_TRIANGLE_FAN) // cotés
• glVertex3f(1,0,0)
• glVertex3f(0,-0.1f,-0.1f)
• glVertex3f(0, 0.1f,-0.1f)
• glVertex3f(0, 0.1f, 0.1f)
• glVertex3f(0,-0.1f, 0.1f)
• glVertex3f(0,-0.1f,-0.1f)
• glEnd()

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ObjetsExemple procédural (2)

• void render()
• glEnable(GL_DEPTH_TEST)
• glPushMatrix()
• glTranslatef(0,-1,-3)
• glRotatef(nbframe,0,1,0)
• glClear()
• glColor3f(1,0,0)
• renderAxeX() // axe X
• glRotatef(90,0,0,1)
• glColor3f(0,1,0)
• renderAxeX() // axe Y
• glRotatef(90,0,-1,0)
• glColor3f(0,0,1)
• renderAxeX() // axe Z
• glPopMatrix()
• nbframe

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Matériaux et Lumières

• OpenGL supporte le model de lumière PhongC Ca
  Cd.(N.L) Cs.(N.K)shininess
• C couleur finale
• Ca couleur ambiante
• Cd couleur diffuse
• Cs couleur specular
• N vecteur normal de la surface
• L vecteur unitaire reliant le vertex a la
  lumiere
• K 1/2 vecteur (vecteur au milieu de L et du
  vecteur reliant la vertex a la caméra).
• Shininess puissance du spécular

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Matériaux et LumièresExemple

• glPushMatrix()
• glRotatef(nbframe,1,0,0)
• glRotatef(nbframe/2,0,0,1)
• GLfloat mat_specular 1.0, 1.0, 1.0, 1.0
  
• GLfloat mat_shininess 50.0
• GLfloat light_position 1.0, 1.0, 1.0, 0.0
  
• glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR,
  mat_specular)
• glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS,
  mat_shininess)
• glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION,
  light_position)
• glEnable(GL_LIGHTING)
• glEnable(GL_LIGHT0)
• glPopMatrix()
• GLUquadricObj sph gluNewQuadric ()
• gluQuadricOrientation(sph, GLU_OUTSIDE)
• gluSphere(sph, 1, 32,32)
• gluDeleteQuadric(sph)

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Matériaux et LumièresExemple (2)
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Textures

• Une texture est une image pouvant être appliqué a
  un objet (en général pour spécifier une couleur).
• Elle est en général charger a partir dun
  fichier.De nombreux codes existent sur internet
  pour différents formats.
• A chaque vertex il faut spécifier les coordonnées
  de mapping (2 composantes u et v) spécifiant le
  point de la texture appliqué sur ce vertex.

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TexturesExemple

• include "tga.h"
• unsigned int textureID 0
• void initgl()
• glGenTextures(1, textureID) // crée un ID
• loadTGA("logo_id.tga",textureID) // chage la
  texture
• void render()
• glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID)
• glEnable(GL_TEXTURE_2D)
• glBegin(GL_QUADS)
• glColor3f(1.0f,1.0f,1.0f)
  glTexCoord2f(1,1)
• glVertex3f( 1.0f, 1.0f, 0.0f)
• glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f)
  glTexCoord2f(0,1)
• glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f)
• glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f)
  glTexCoord2f(0,0)
• glVertex3f(-1.0f,-1.0f,0.0f)
• glColor3f(0.0f,0.0f,1.0f)
  glTexCoord2f(1,0)
• glVertex3f( 1.0f,-1.0f,0.0f)
• glEnd()

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TexturesExemple (2)
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Techniques Avancées
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Références

• OpenGL Programming Guide (The Red Book)
• http//ask.ii.uib.no/ebt-bin/nph-dweb/dynaweb/SGI
  _Developer/OpenGL_PG/
• OpenGL Reference Manual (The Blue Book)
• http//ask.ii.uib.no/ebt-bin/nph-dweb/dynaweb/SGI
  _Developer/OpenGL_RM/
• http//www.opengl.org site officiel. Forums
• http//nehe.gamedev.net le site de tutoriels
  OpenGL
• http//hufo.planet-d.net mon site -) (demos)