Grafikus szoftver alrendszer, OpenGL alapok

Az előadások a következő témára: "Grafikus szoftver alrendszer, OpenGL alapok"— Előadás másolata:

1 Grafikus szoftver alrendszer, OpenGL alapok
1. előadás Számítógépes grafika, PPKE-ITK, Benedek Csaba, 2012

2 Bemutatkozás Tárgyfelelős oktató: A tárgy honlapja:
Dr. Benedek Csaba ) Közreműködik: Börcs Attila A tárgy honlapja:

3 A tárgy oktatásának menete
Össz: 1 óra előadás, 2 óra laborgyakorlat felváltva, kéthetes periódusokkal Számonkérés: minden laborfeladat személyes bemutatása szóbeli vizsga Segédanyagok: Kötelező olvasmány: Szirmay-Kalos László: Számítógépes Grafika (elektronikus) Ajánlott olvasmányok: Szirmay-Kalos László, Antal György,Csonka Ferenc: Háromdimenziós grafika, animáció és játékfejlesztés OpenGL ‘Red Book’

4 Kitekintő MTA SZTAKI Elosztott Események Elemzése Kutatócsoport
Önálló labor, TDK témák képfeldolgozás + grafika témákban…

5 Meghirdetett témák/1 3D virtuális városrekonstrukció légi LIDAR pontfelhőkből

6 Légi LIDAR adatok Légi fotó LIDAR intenzitáskép 3D LIDAR pontfelhő
Lézer visszaverődések száma (növényzet)

7 Eddigi eredmények: automatikus épület-rekonstrukció légi LIDAR pontfelhőkből
1) Talaj síkjának detektálása 4) Épület tető-rekonstrukció és oldalfalal generálás Hangsúlyozd hogy saját eredmények! 2) Növényzet és ritka térrészek detektálása 3) Tetőszegmensek detektálása

8 Virtuális városrekonstrukció
Kontakt: Benedek Csaba,

9 Meghirdetett témák/2 Objektumfelismerés és rekonstrukció autós LIDAR pontfelhő-sorozatokon Hardver: Velodyne HDL-64E Lidar Kimenet: pontfelhő szekvencia nagyobb kültéri színterekről

10 Kezdeti eredmények: objektum szeparálás
Benedek Csaba, Szirányi Tamás,

11 További témák: képfeldolgozás, mintafelismerés…

12

13 Interaktív program struktúra
egér alkalmazás megjelenítő billentyűzet botkormány

14 Programvezérelt vs eseményvezérelt programozás

15 Interaktív program struktúra

16 2D grafikus rendszerek (funkcionális modell)
TV-1 TM-1 Bemeneti csővezeték Eszköz- képtér Képtér- világ Világ- lokális mod. Eszköz koord. (xe, ye) Kép frissités kamera Virtuális világ Kurzor (xp, yp) Pixel műveletek Raszteri- záció Vágás Világ- képtér Modellezési transzf. rasztertár Kimeneti csővezeték TV TM

17 Grafikus hardver illesztése, programozása
Grafikus könyvtárak A grafikus hardver szolgáltatásait ezen keresztül lehet elérni Hierarchikus rétegek, szabványosított interfészek Fő irányelvek: eszközfüggetlenség rajzolási állapot 2-D példák: Ablak, menü, egér: Win32 API Rajzolás: Ms-Windows GDI, GDI+, DirectDraw 3-D példák: OpenGL (platformfüggetlen), DirectX (csak MS-Windows)

18 OpenGL Értelmező szótár: Szül: 1992 Silicon Graphics (SG), GL néven
Open = hardver és szoftver platform független GL = Graphics Language Szül: 1992 Silicon Graphics (SG), GL néven OpenGL: közös specifikáció SG, IBM, Intel, MS stb Elérhetőség: Futtatható verzió Windows operációs rendszer része Ingyenes fejlesztői verzió Végfelhasználói verzió: videokártya gyártók illesztő programjaiban implementált Szintaxis: gl{FunctionName}, pl glClearColor()

19 GLU (OpenGL Utilities)
OpenGL-hez kapcsolódó szabványos kiegészítő csomag Pl: hasznos programozást könnyítő rutinok transzformációs mátrixok beállítására, felületek teszcellációjára Szintaxis: glu{FunctionName}, pl gluPerspective()

20 DirectX OpenGL alternatívája
Számítógépes játékok többsége ezt használja a színtér megjelenítésére Csak Windows platformon használható, Windows XP-től kezdve az operációs rendszer szerves része C++, C#, VB stb támogatja az API szintű programozását

21 OpenGL vs DirectX Összehasonlítás: állandó vitaforrás Tények:
Melyik a gyorsabb - ez sokszor a gyártók által implementált illesztő programtól függ. Melyik az egyszerűbben kezelhető – felhasználó és alkalmazás függő Tények: OpenGL platformfüggetlen, DirectX nem Számítógépes játékok 90%-a DirectX-t használ DOOM III-at OpenGL-ben írták 

22 Mit NE várjunk el az OpenGL-től?
Az OpenGL NEM geometriai modellező rendszer bemeneti eszközkezelő, ablakozó interaktív rajzoló vagy grafikus rendszer Viszont IGEN alkalmas különböző modellező, rajzoló rendszerek grafikai igényeinek a kielégítésére Geometriai modellező rendszer (nincsenek objektumok megadására, manipulálására vonatkozó parancsok

23 Alkalmazás: OpenGL „csak” megjelenítést támogat, kell hozzá ablakozó, eseménykezelő rendszer Az OpenGL platformfüggetlen, de az alkalmazás ettől még nem! egér alkalmazás megjelenítő billentyűzet botkormány Ablakozás: „operációs rendszer” pl Ms-Windows vagy XWindow 3-D grafikus ábrázolás: OpenGL Eseménykezelés: „operációs rendszer” pl Ms-Windows vagy XWindow

24 Ablakkezelés Windows-ban (részlet)
// void InitWindowClass( HANDLE hInstance, HANDLE hPrevInstance ) { WNDCLASS wndclass; strcpy(szClassName, "grafika"); if ( !hPrevInstance ) { wndclass.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW; wndclass.lpfnWndProc = WndProc; // ablakkezel˝o f¨uggv´eny wndclass.hInstance = hInstance; // program azonos´ıt´o wndclass.hIcon = LoadIcon( hInstance, IDI_APPLICATION ); wndclass.hCursor = LoadCursor( NULL, IDC_ARROW ); wndclass.hbrBackground = GetStockObject( WHITE_BRUSH ); wndclass.lpszMenuName = "windowsmenu"; // men¨un´ev az er˝oforr´as f´ajlban wndclass.lpszClassName = szClassName; // oszt´alyn´ev wndclass.cbClsExtra = 0; wndclass.cbWndExtra = 0; if ( !RegisterClass( &wndclass ) ) exit( -1 ); } void InitWindow( HANDLE hInstance, int nCmdShow ) { HWND hwnd = CreateWindow( szClassName, WS_OVERLAPPEDWINDOW, CW_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT, NULL, NULL, hInstance, NULL ); if ( ! hwnd ) exit( -1 ); ShowWindow(hwnd, nCmdShow ); // ablak megjelen´ıt´ese UpdateWindow( hwnd ); // ´erv´enytelen´ıt´es // egy Windows program itt indul int PASCAL WinMain( HANDLE hInstance, HANDLE hPrevInstance, LPSTR lpszCmdLine, int nCmdShow ) { InitWindowClass(hInstance, hPrevInstance); InitWindow( hInstance, nCmdShow ); AppStart( ); return 0;

25 GLUT= OpenGL Utility Toolkit
platformfüggetlen eseménykezelés és ablakozás  egyszerű inteface  használja az MS-Windows vagy XWindow rutinokat, de erről az alkalmazás nem kell, hogy tudjon  csak kis méretű, egyszerű programok megírására alkalmas  Laboron ezt fogjuk használni!

26 Input/Output kezelés OpenGL OpenGL Alkalmazás Alkalmazás MS-Window
XWindow OpenGL DirectX Alkalmazás Alkalmazás MS-Window MS-Window v. XWindow GLUT

27 GLUT jellemzői egyszerre több ablak
callback függvény alapú eseménykezelés időzítő (timer) üresjárat (idle) kezelés számos előre definiált tömör és drótváz test (pl teáskanna = glutWireTeapot() parancs) egyszerű menük

28 Input/Output kezelés init. callback regisztráció main Operating system
Windows main GLUT DisplayFunc KeyboadFunc SpecialFunc callback-ek Reshape MousePress OpenGL grafikus hardver MouseMotion IdleFunc applikáció

29 GLUT-OpenGL OpenGL: GLUT kimeneti csővezeték
tesszelláció (GLU), transzformáció, vágás, pick! raszterizáció GLUT Op. Rendszer, Ablakozó rendszer illesztés ablak létrehozás bemeneti események elkapása

30 Ablakozó – OpenGL – alkalmazás elhelyezkedése
applikáció glX, wgl GLUT gl glu X v. MS-Win hw Ablak-kezelés widgetek Ablakozó- gl híd Window menedzsment Utility-k, tesszellátorok

31 OpenGL szintaxis glVertex3dv( … ) gl könyvtár része Paraméterszám
2 - (x, y) 3 - (x, y, z), (R, G, B) 4 - (x, y, z, h) (R, G, B, A) Adattípus b - byte ub - unsigned byte s - short i - int f - float d - double Vektor vagy skalár v - vektor - skalár

32 Veremkezelés Állapotváltozók („rajzolási állapot” elv) tárolása veremben glPushAttrib(): kurrens állapotváltozók elmentése az aktuális veremben glPopAttrib(): a verem tetején lévő változók visszatöltése

33 OpenGL: GLUT inicializálás
#include <GL/gl.h> #include <GL/glu.h> #include <GL/glut.h> // download!!! main( int argc, char *argv[] ) { glutInitWindowSize(200, 200); glutInitWindowPosition(100, 100); glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode( GLUT_RGB ); glutCreateWindow("Sample Window"); // callback függvények glutKeyboardFunc( Keyboard ); glutDisplayFunc( ReDraw ); // transzformáció glViewport(0, 0, 200, 200); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity( ); glMatrixMode(GL_PROJECTION); gluOrtho2D(0., 100., 0., 100.); // fő hurok glutMainLoop(); } OpenGL: GLUT inicializálás KeyPress WM_KEYDOWN Expose WM_PAINT (200,200) window (100,100) viewport (0,0) (0,0)

34 GLUT: eseménykezelés main( int argc, char *argv[] ) {
… glutKeyboardFunc( Keyboard ); glutDisplayFunc( ReDraw ); glutMouseFunc( MousePress ); glutMotionFunc( MouseMotion ); …… } void Keyboard(unsigned char key, int x, int y) { if (key == ‘d’) myPressedKey_d(x, y); void ReDraw( ) { glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); myRender( ); void MousePress( int button, int state, int x, int y ) { if (button == GLUT_LEFT && state == GLUT_DOWN) myMouseLD(x, y); void MouseMotion( int x, int y ) { myMouseMov(x, y);

35 Vetítés (párhuzamos) Koordinátarendzser definíciója:
void gluOrtho2D(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top); Koordinátarendzser definíciója: left, right: bal- és jobboldali vágási sík (az ablak pixel koordinátáiban, ami a bal felső sarokhoz viszonyít) bottom, top: alsó és felső vágási sík 100 window gluOrtho2D(.0,200.0,100.0,.0) 200

36 Rajzolás az OpenGL-ben
ablak törlése geometriai objektumok rajzolása raszteres objektumok rajzolása

37 Ablak törlése void glClearColor(GLclampf red, GLclampf green, GLclampf blue, GLclampf alpha); háttérszín beállítása színkomponensek: [0 1] intervallumon belül void glClear(GLbitfield mask); GL_COLOR_BUFFER_BIT színpuffer GL_DEPTH_BUFFER_BIT mélységpuffer (lásd később...) GL_ACCUM_BUFFER_BIT gyűjtőpuffer (lk...) GL_STENCIL_BUFFER_BIT stencilpuffer (lk...)

38 A rajzolás befejezéséne kikényszerítése
Teljes megjelenítési lánc: a rajzolási parancs és az objektum megjelenés között a kirajzolás késhet... void glFlush() kikényszeríti a korábban kiadott OpenGL parancsok azonnali végrehajtását

39 Geometriai alapelemek megadása
Csúcspont = vertex void glVertex[234]{sifd}(TYPE coords); void glVertex[234]{sifd}v(const TYPE* coords); Példák: glVertex2s(2, 3); glVertex3d(0.0, 0.0, ); glVertex4f(2.3, 1.0, -2.2, 2.0); GLdouble dvect[3] = {5.0, 9.0, }; glVertex3dv(dvect); glBegin() és glEnd() között kell kiadni

40 Normálvektor void glNormal3{bsidf}(TYPE nx, TYPE ny, TYPE nz);
void glNormal3{bsidf}v(const TYPE *v); Adott (3D) pontban megjelenítendő felület normálvektora Árnyalási, megvilágítási feladatokhoz szükséges Felületek közelítése poligonokkal: csúcsponthoz a pontban találkozó lapok normálisának átlagát rendeljük – így az élek nem fognak látszani

41 Geometriai alapelemek
Csúcspontok -> pont, szakasz, poligon Téglalap: külön függvény (mert gyalkori) void glRect{sifd}(TYPE x1, TYPE y1, TYPE x2, TYPE y2); void glRect{sifd}v(const TYPE *v1, const TYPE *v2);

42 Geometriai alapelemek
Poligon: zárt törött vonallal határolt KONVEX terület csak egyszerű (nem lyukas) alakzatok mindig síkbeli tetszőleges felület = háromszögek egyesítése Nem egyszerű poligon helyett általában a konvex burok jelenik meg:

43 Geometriai alapelemek felsorolása
Geometriai elemek felsorolása: glBegin() és glEnd() parancsok között void glBegin(GLenum mode); void glEnd(void); „mode” adja meg az alapelem típusát, pl háromszög rajzolás példa: glBegin(GL_TRIANGLES); glVertex2d(10.0, 10.0); glVertex2d(20.0, 100.0); glVertex2d(90.0, 30.0); glEnd( );

44 OpenGL: primitívek GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_POINTS GL_POLYGON
GL_LINE_LOOP GL_QUADS GL_TRIANGLES GL_QUAD_STRIP GL_TRIANGLE_FAN GL_TRIANGLE_STRIP

45 Eseménykezelés és rajzolás
void ReDraw( ) { glClearColor(0, 0, 0, 0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); } void Keyboard(unsigned char key, int x, int y) { if (key == ‘d’) { glColor3d( 0.0, 1.0, 0.0 ); glBegin(GL_TRIANGLES); glVertex2d(10.0, 10.0); glVertex2d(20.0, 100.0); glVertex2d(90.0, 30.0); glEnd( ); glFlush( ); window (100,100) (0,0) viewport (200,200) (0,0)

46 Primitívek rajzolása A glBegin() és glEnd() között kiadható még:
szín glColor*() normális: glNormal*() textúra: glTexCoord*() lásd később... stb

47 Geometriai alapelemek megjelenését befolyásoló tényezők
void glPointSize(GLfloat size); pontot reprezentáló pixeltömb mérete void glLineWidth(GLfloat width); szakasz szélessége

48 Szaggatott szakaszok Szaggatottság be-kikapcsolása
glEnable(GL_LINE_STIPPLE); glDisable(GL_LINE_STIPPLE); void glLineStipple(GLint factor, GLushort pattern); szaggatottság egységének (factor) és mintájának (pattern) beállítása factor: minta nagyítása

49 Szín megadása void glColor3{bsifdu}(TYPE r, TYPE g, TYPE b)
void glColor3{bsifdu} (TYPE r, TYPE g, TYPE b, TYPE a) void glColor{3,4} {bsifdu}(const TYPE *v)

50 Árnyalás void glShadeModel(GLenum mode); mode
GL_FLAT: a teljes objektumot egy meghatározott csúcspont színével színezi ki. A kiválasztott csúcspont objektumtípusonként változik, pl törött vonal esetén a végpont, GL_POLYGON esetén az első csúcspont GL_SMOOTH a csúcspontok színéből lineárisan interpolálja a belső pontok színét

51 Gouroud árnyalás a szine: c1 c3 alapján b szine c2 c3 alapján
p szine a b alapján

52 Flat vs. smooth árnyalás

53 Egyéb alapvető GLUT funciók:
Mintaobjektumok rajzolása teszteléshez: void glutSolidTeapot(GLdouble size); void glutWireTeapot(GLdouble size);

54 Mintaobjektumok rajzolása teszteléshez
void glutSolidCube(GLdouble size); void glutWireCube(GLdouble size); void glutSolidIcosahedron(void); void glutWireIcosahedron(void); void glutSolidTetrahedron(void); void glutWireTetrahedron(void); Stb…

55 Egyéb alapvető GLUT funciók: Menükezelés
int glutCreateMenu(void (*func)(int value)); Létrehoz egy új menüt (vagy almenüt) Callback függvényt regisztrál a menühöz Visszatérési érték: egyedi azonosító A program aktuális menüjének az új menüt állítja void glutAddMenuEntry(char *name, int value); Új menübejegyzést ad az aktuális menühöz. Ha majd ráklikkelünk a bejegyzésre az aktuális menü Callback-je „value” paraméterrel hívódik meg Látjuk: callback bemeneti paramétere int

56 Menükezelés void glutAddSubMenu(char *name, int submenuID);
Almenüt ad az aktuális menühöz. Az almenüt korábban létre kellet hozni, és az azonosítóját eltárolni void glutAttachMenu(int button); Az aktuális menüt a „button” egérgombhoz rendeli, azaz azzal lehet majd előhívni

57 Minta: menürendszer létrehozása
int submenu=glutCreateMenu(MenuFunc); glutAddMenuEntry("ElsoFunkcio",0); glutAddMenuEntry("MasodikFunkcio",1); glutAddMenuEntry("HarmadikFunkcio",2); glutAddMenuEntry("NegyedikFuncio",3); glutCreateMenu(MenuFunc); glutAddSubMenu("Type",submenu); glutAddMenuEntry("Exit",4); glutAddMenuEntry("About",5); glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);

58 Minta: menücallback implementációja
void MenuFunc(int menuItemIndex) { switch(menuItemIndex) { case 0: … ; break; case 1: … ; break; case 2: … ; break; case 3: … ; break; case 4: exit(0); case 5: MessageBox(NULL,"Hello Glut","About",MB_OK); break; } glutPostRedisplay();

59 2D grafikus editor L L L R MouseLDown első pont MouseLDown második ...
MouseLDown n. MouseRDown utolsó

60 2D grafikus editor: GUI, use-case, dinamikus modell
LD L LU L R MouseLDown első pont MouseLDown második ... MouseLDown n. MouseRDown utolsó MouseLDown pick? MouseMove mozgat MouseLUp letesz

61 Glut/OpenGL program architektúra
Operating system Windows GLUT main Redraw MousePress transzform vágás MouseMotion Color buffer: RGB raszterizáció Raszter műveletek API

62 Osztálydiagram Scene actobj actprim InputPipe() Pick() Render() Window
state MouseLD() MouseLU() MouseMov() PutPixel() Object transform AddPrimitive() GetPrimitive() VirtualWorld AddObject() GetObject() RenderPrimitive Transform() Clip() Draw() Primitive color AddPoint() Vectorize() Point x,y Camera ClipWindow() ViewTransform() window viewport Polyline Vectorize() Curve Interpolate() Vectorize() Polygon Vectorize() LineList Clip() Draw() Polygon Clip() Draw() PointList Clip() Draw() Bezier Interpolate() B-Spline Interpolate()

63 GLUT: inicializálás main(argc, argv) { glutInitWindowSize(200, 200);
glutInitWindowPosition(100, 100); glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode( GLUT_RGB ); glutCreateWindow("2D graphics editor"); glutMouseFunc(MousePress); // callback glutMotionFunc(MouseMotion); glutDisplayFunc(ReDraw); glutMainLoop(); // fő hurok }

64 OpenGL LineList void Draw( ) { glColor3d( color.R, color.G, color.B );
glBegin( GL_LINE_STRIP ); for( i = 0; i < npoints; i++ ) glVertex2d(points[i].x, points[i].y); glEnd( ); glFlush( ); }