Grafika 3D czasu rzeczywistego - ebook
Grafika 3D czasu rzeczywistego - ebook
Przedmiotem książki jest OpenGL, czyli popularny interfejs programistyczny służący do tworzenia aplikacji z grafiką 3D. W ostatnich dwóch latach został on całkowicie zreformowany, w efekcie czego większość książek i materiałów na jego temat stała się nieaktualna. W publikacji przedstawione są nowe wersje OpenGL (od wersji 3.3 wzwyż) w sposób odpowiedni zarówno dla początkujących programistów grafiki 3D, w szczególności studentów informatyki, jak i tych, którzy ze starego OpenGL chcieliby „się przesiąść” na nowego. Książkę można traktować jak podręcznik akademicki, w którym na przykładzie OpenGL omówione są podstawowe pojęcia grafiki 3D. Poznasz:
● sposoby tworzenia aplikacji korzystających z grafiki trójwymiarowej tworzonej za pomocą OpenGL, w tym z nowych wersji tej biblioteki,
● metody programowania shakerów w GLSL,
● teoretyczne podstawy rachunku macierzy niezbędne w grafice trójwymiarowej,
● model oświetlenia Phonga i nauczysz się go implementować. Powinieneś znać:
● podstawy programowania w C++, w tym programowania obiektowego,
● podstawy programowania dla systemu Windows.
Spis treści
Wstęp
Rozdział 1. Inicjowanie okna w tradycyjnym OpenGL
Kilka ustaleń
Profil zgodności i profil rdzenny
Tworzenie projektu i dostosowanie go do współpracy z OpenGL
Tworzenie okna za pomocą funkcji WinAPI. Klasa okna
Przystosowanie okna do współpracy z OpenGL za pomocą funkcji biblioteki WGL. Klasa OknoGL
Informacje o używanej wersji OpenGL i karcie graficznej
Przygotowanie i rysowanie sceny
Kolory
Zabawy kamerą
Tryb pełnoekranowy
Rozdział 2. Wektory i macierze kwadratowe
Wektory
Zapis za pomocą wersorów
Iloczyn skalarny
Iloczyn wektorowy
Przykład
Macierze kwadratowe
Czym są macierze?
Iloczyn macierzy oraz mnożenie wektora przez macierz
Przykład
Mnożenie macierzy nie jest przemienne
Macierz jednostkowa
Macierz odwrotna
Wyznacznik macierzy
Przykład
Sprytny zapis iloczynu wektorowego
Obliczanie macierzy odwrotnej
Przykład
Macierz transponowana
Operator gwiazdka
Macierz ortonormalna
Macierz przekształcenia układu współrzędnych
Iloczyn skalarny wektorów i macierze
Rzut wektora na kierunek wyznaczony przez inny wektor. Składowa wektora w kierunku wyznaczonym przez inny wektor
Macierze 4 × 4
Zadania
Rozdział 3. Macierze w OpenGL i współrzędne jednorodne
Przekształcenia układów współrzędnych w potoku renderowania OpenGL
Macierz rzutowania
Macierz model-widok oraz macierze świata i widoku
Współrzędne jednorodne
Rozdział 4. Tworzenie kontekstu renderowania. Profil zgodności. Rozszerzenia
Korzystanie z rozszerzeń ARB
Zawirowania z tworzeniem kontekstu
Użycie glext.h i wglext.h
Użycie biblioteki GLEW, zarządzającej rozszerzeniami
Użycie biblioteki DLL
Dołączenie kodu źródłowego GLEW do projektu aplikacji
Rozdział 5. Profil rdzenny. Bufory
Bufory werteksów
Tablica indeksów i bufor indeksów
Nawijanie i ukrywanie tylnych powierzchni
Konsolidacja buforów
Klasa werteksu
Przełączenie na profil rdzenny i liczenie strat
Rozdział 6. Shadery
Podstawy GLSL
Najprostsze shadery
Kompilacja shadera
Kolor i indeksy atrybutów werteksu
Trochę zabawy
Parametry shadera
Macierze świata, widoku i rzutowania
Kolumny i wiersze
Plan awaryjny
Zadania
Rozdział 7. Macierze używane w grafice 3D
Macierze rzutowania
Macierz rzutowania izometrycznego
Macierz rzutowania perspektywicznego
Różnice funkcji glFrustum i gluPerspective
Współrzędne viewportu
Przykład
Macierz świata
Translacja
Skalowanie i odbicia względem płaszczyzn układu współrzędnych
Obroty
Obrót wokół dowolnej osi
Macierze obrotu a kwaterniony jednostkowe
Złożenie obrotów i translacji – obrót wokół dowolnego punktu 164 Pochylenie
Rzut na płaszczyznę
Macierz widoku
Przykład złożenia macierzy widoku, świata i rzutowania
Zadania
Rozdział 8. Implementacja wektorów i macierzy
Wektory
Projekt interfejsu
Szablon TWektor
Specjalizacje szablonu dla wektora trój- i czteroelementowego
Testy
Macierze
Szablon TMacierzKwadratowa
Szablon TMacierzGrafika3D
Klasa MacierzOpenGL
Użycie obiektów macierzy w programie
Zadania
Rozdział 9. Sterowanie kamerą
Kontrola obrotów kamery za pomocą klawiszy
Tryby działania kamery
Kontrola orientacji kamery za pomocą myszy
Przesuwanie kamery myszą
Użycie rolki myszy
Swobodne obroty i ich powolne wygaszanie
Zadania
Rozdział 10. Aktorzy. Rysowanie brył. Animacja
Abstrakcja
Kwadrat
Zmiany w klasie okna
Pierwsza bryła
Optymalizacja rysowania wielu ciągów
Bufor głębi i pomijanie tylnych powierzchni
Kwadryki
Sfera
Aktor z buforem indeksów
Sfera z buforem indeksów
Końcowy zestaw brył: sfera, walec i sześcian
Animacja sceny
Zadania
Rozdział 11. Oświetlenie. Model Phonga
Model Phonga
Model Lamberta światła rozproszonego
Model rozbłysku Phonga
Uśrednianie normalnych
Definiowanie normalnych
Implementacja oświetlenia w shaderze werteksów
Aktualizacja położenia kamery
Ustawianie parametrów oświetlenia i materiału
Macierz normalnych
Osłabienie oświetlenia wraz z odległością
Obliczanie oświetlenia per pixel
Cel-shading
Zadania
Rozdział 12. Cienie rzucane
Implementacja metody rzutowania cieni
Materiał jako źródło informacji o kolorze aktorów
Rozdział 13. Odwzorowywanie tekstur
Współrzędne teksturowania
Filtrowanie tekstur i mipmapy
Zmiany w klasie werteksu i klasach aktorów
Wczytanie tekstur
Przygotowanie zestawu tekstur
Implementacja teksturowania w shaderze fragmentów
Tworzenie i usuwanie tekstur
Zawijanie tekstur
Tekstury w służbie realizmu
Zadanie
Rozdział 14. Użycie wielu tekstur
Dwie tekstury
Kombinacje tekstur
Globus i odwzorowywanie rozbłysku
Zadania
Dodatek. Biblioteki GLFW i GLM
Biblioteka GLM
Dodanie biblioteki GLM do projektu
Przykład użycia funkcji GLM
Biblioteka GLFW
Dodanie biblioteki GLFW do projektu
Inicjowanie okna z użyciem GLFW
Pętla główna
Obsługa zdarzeń
Indeks
| Kategoria: | Grafika komputerowa |
| Zabezpieczenie: |
Watermark
|
| ISBN: | 978-83-01-18047-8 |
| Rozmiar pliku: | 4,6 MB |
FRAGMENT KSIĄŻKI
Oto podręcznik podstaw programowania grafiki trójwymiarowej za pomocą biblioteki OpenGL. Zaplanowałem go jako aktualizację książki Grafika. Fizyka. Metody numeryczne wydanej przez WN PWN w 2010 roku. Składała się z kilku części: pierwsza dotyczyła właśnie grafiki trójwymiarowej OpenGL, kolejne – fizyki klasycznej punktów materialnych i brył sztywnych oraz metod numerycznych używanych w symulacjach ciał miękkich i brył sztywnych.
Cztery lata, które minęły od wydania tamtej książki, w najmniejszym stopniu nie wpłynęły na aktualność opisanej w niej fizyki. Niestety część dotycząca grafiki zdążyła się bardzo zestarzeć. Niedługo po wydaniu książki, w marcu 2010 roku pojawiły się nowe wersje OpenGL o numerach 3.3 i 4.0, które w tej książce będę nazywał nowoczesnym OpenGL. Problem polega na tym, że te wersje nie dodają do poprzednich nowych funkcji, rozbudowujących je o nowe możliwości. Mamy tu raczej do czynienia z nowym otwarciem albo wręcz rewolucją. Wiele funkcji tradycyjnych, często wykorzystywanych, uznano za przestarzałe i są one obsługiwane wyłącznie w mniej wydajnym profilu zgodności. Profil rdzenny pozbawiony jest takich udogodnień, jak natychmiastowe przesyłanie werteksów, obsługa macierzy czy domyślne shadery implementujące oświetlenie i teksturowanie. To sporo rzeczy, które teraz należy obsłużyć w inny sposób – korzystając z bibliotek znalezionych w internecie lub zaimplementować samodzielnie. Wysiłek, jaki wiąże się z przejściem do nowoczesnego OpenGL w profilu rdzennym, jest na tyle duży, że wielu programistów nie chce go podejmować. W rezultacie sporo nowych aplikacji nadal korzysta z OpenGL w profilu zgodności, nie wykorzystując pełnych możliwości współczesnych kart graficznych.
Zadaniem, które sobie postawiłem, pisząc tę książkę, było wprowadzenie Czytelnika w świat nowoczesnego, ale jednocześnie bardziej wymagającego OpenGL, a na jego przykładzie – w świat nowoczesnej grafiki trójwymiarowej, nie uciekając się do gotowych rozwiązań. Nie chodzi mi zatem o to, żeby ominąć problem, korzystając z gotowych bibliotek, a o samodzielną implementację całego potrzebnego kodu. Dla przykładu: w przypadku macierzy można by użyć popularnej biblioteki GLM, która nie wymaga znajomości algebry macierzy i umiejętności jej samodzielnej implementacji, a przy tym jest już dobrze przetestowana i wobec tego wiarygodna. Ale wówczas nie wykorzystalibyśmy tej szansy, jaką daje nowoczesny OpenGL – szansy pełnego zrozumienia podstaw grafiki 3D, a w tym macierzy (przynajmniej w zakresie, w jakim są potrzebne w grafice). Idąc tym tropem, przedstawiam też kod, który korzystając wyłącznie z funkcji WinAPI, umożliwia tworzenie okien gotowych do wyświetlania grafiki generowanej z użyciem OpenGL w profilu rdzennym, wraz z obsługą klawiatury i myszy. Bibliotekę GLFW, która mogłaby nas w tym wyręczyć, podobnie jak bibliotekę GLM, omawiam w dodatku do książki.
Takie podejście powoduje, że w wielu miejscach książka ma bardzo „techniczny” charakter. Opisuję w niej każdą zmianę kodu, starając się unikać niedopowiedzeń – każdy zmodyfikowany fragment jest zaznaczony i omówiony. Jedną z konsekwencji takiego podejścia jest spora różnorodność omawianych zagadnień. Mimo że głównym tematem pozostaje oczywiście grafika 3D, omawiam także zagadnienia związane z WinAPI, takie jak tworzenie okna, obsługa urządzeń wejścia czy implementacja wektorów i macierzy w C++. Korzystam również z języka GLSL pozwalającego na bezpośrednie programowanie karty graficznej. Należy się wobec tego spodziewać sporej liczby listingów, które trzeba będzie analizować.
Choć książka pomyślana jest jako podręcznik akademicki, w którym nie stronię od wzorów (w części rozdziałów jest ich nawet całkiem sporo) i który pozwoli studentowi lub osobie zainteresowanej programowaniem grafiki 3D na stosunkowo pełne zrozumienie podstaw tej dziedziny, poziom trudności nie jest wyśrubowany. Wzory nie wykraczają poza proste operacje na macierzach.
Książkę tę można traktować również jako opis prostej platformy do tworzenia aplikacji korzystających z grafiki 3D w OpenGL. Wszystkie elementy zamknięte są w klasy (np. Okno lub Aktor), których można swobodnie używać w swoich projektach, w postaci opisanej w książce lub dowolnie przekształconych.
A zatem Czytelnik trzyma w ręku podręcznik podstaw grafiki trójwymiarowej omawianych na przykładzie OpenGL. Zasadne jest pytanie, dlaczego wybrałem OpenGL, skoro świat gier komputerowych jest dziś zdominowany przez konkurencyjny DirectX Microsoftu. Owa dominacja jest niezaprzeczalna i niewiele zmienia fakt, że OpenGL znajduje obecnie nowe przyczółki: jest jedynym API pozwalającym na tworzenie aplikacji 3D w systemie Android (mam na myśli OpenGL ES), obiecujące jest także włączenie go do HTML5 (moduł WebGL). Najważniejszym powodem wyboru OpenGL było jednak coś innego. Zaimponowało mi śmiałe posunięcie grupy Khronos zarządzającej rozwojem OpenGL, która zdecydowała się na odświeżenie tego interfejsu programistycznego, dostosowując go do możliwości współczesnych kart graficznych, ale jednocześnie rezygnując ze zgodności ze starszymi wersjami. Biorąc pod uwagę model dystrybucji nowych wersji, mocno związany z zakupem nowego sprzętu, to było bardzo odważne posunięcie. Wprawdzie nie do końca udało się je konsekwentnie utrzymać – konieczny był kompromis w postaci profilu zgodności, ale profil rdzenny jest coraz częściej używany i powoli staje się standardem OpenGL, choć uczciwie trzeba przyznać, że nadal daleko mu do zdobycia dominacji na rynku gier.
Jacek Matulewski, maj 2014 rok
