Spiele, Simulation, dynamische Systeme

Transkript

1 Spiele, Simulation, dynamische Systeme Einführung in OpenGL und GLUT Sebastian Skalec ( ) Christian Fehmer ( )

2 Was können wir nach dem Vortrag? Erstellen eines OpenGL-Fensters Motivation Interaktion mit dem Programm (Tastatur/Maus) Einblick in Perspektive / Objekte in OpenGL Freie Bewegung der Kamera Kurzer Exkurs Performanceoptimierung Was lernen wir nicht? Tieferer Einblick in die Arbeitsweise von OpenGL z.b. Matrizenstapel, Koordinatensysteme, Texturen, Materialeigenschaften, Beleuchtung usw

3 Handout mir einigen wichtigen Funktionen Ordner Doku GL: OpenGL Manual Pages in HTML Dokumentation glspec13.pdf: OpenGL 1.3 Spezifikation glu1_3.pdf: Utility Library 1.3 glut-3.spec.pdf: GLUT 1.3 Spezifikation

4 OpenGL und GLUT Syntax Phase1: Initialisierung GLUT Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Phase3: Perspektive und Kamera Exkurs weitere Techniken Übersicht

5 Open Graphics Library für 3D-Grafik Standard 1992 ARB (Architecture Review Board) OpenGL ARB: 3DLabs, Apple, ATI, Dell, IBM, Intel, NVIDIA, SGI und Sun 2003 verlässt Microsoft das ARB (Direct3d?!) API im Grafikkartentreiber, d.h. OpenGL-Befehle werden direkt auf der Grafikkarte ausgeführt. Reine Grafik-Bibliothek. Keine Verwaltung von Fenstern Arbeitsweise: Zustandsautomat

6 OpenGL Utility Toolkit Verwaltung von Fenstern Ein-/Ausgaben GLUT Zeichnen einfacher Objekte(Würfel, Zylinder,Kugeln) Nutzt opengl GLU, opengl Utility Library, höhere Funktionen Betriebssystem spezifische Anbindung (WGL für Win) WGL Windows Graphics Library

7 OpenGL und GLUT Syntax Syntax in den Folien Syntax opengl/glut Phase1: Initialisierung GLUT Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Phase3: Perspektive und Kamera Exkurs weitere Techniken Übersicht

8 Syntax auf den Folien Falls eine Funktion keine Rückgabe hat, wird statt void fnkt(parameter...) einfach fnkt(parameter...) genutzt. {Option} = Optionale Parameter [Option Option2] = Notwendige Parameter Option Option2 = entweder/ oder

9 Syntax opengl/glut Prefix glut für GLUT-Befehle glu für GLU-Befehle (utility library) gl für opengl-befehle Funktionen z.b. gllight[i f]{v}(...,type); i=(gl)int, f=(gl)float, v=vektoriell Man erkennt an der Funktion die Parametertypen. Weiteres Beispiel glcolor3f(0.2, 0.5, 0.0);

10 OpenGL und GLUT Syntax Phase1: Initialisierung GLUT Initialisierung Übersicht Hands-On 1 Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Phase3: Perspektive und Kamera Exkurs weitere Techniken Übersicht

11 Phase 1: Initialisierung glutinit(int** argcp, char** argv) argcp: Zeiger auf argc (Anzahl der Parameter) argv: Vektor der Parameter Initialisiert GLUT und handelt eine Session mit dem Betriebsystem aus. Weitere Initialisierungsfunktionen glutinit... glutinitwindowposition(int x, int y) Legt das Fenster an die Position (x,y) glutinitwindowsize(int width, int height) Fenstergröße festlegen

12 Phase 1: Initialisierung glutinitdisplaymode(unsigned int mode) Darstellungsmodus, or verknüpfte GLUT-Konstanten: GLUT_RGBA RGBA Farbraum benuzten GLUT_SINGLE Single Buffer verwenden GLUT_DEPTH Fenster mit Tiefen-Puffer int glutcreatewindow(char* title) Öffnen des Fensters Titel festlegen Gibt den WindowIdentifier zurück.

13 Phase1: Übersicht #include <GL/Glut.h> int main(int argc, char **argv){ glutinit(&argc, argv); /* GLUT initialisieren */ glutinitdisplaymode( GLUT_DOUBLE GLUT_RGBA); /* Ausgabezustand festlegen */ glutinitwindowsize(600,600); /* Fenstergröße und -position festlegen */ glutinitwindowposition(100,100); glutcreatewindow("fenstertitel"); /* Fenster erzeugen */ glutmainloop(); /* Die GLUT-Eventloop starten */ return 0; }

14 Aufgabe: Hands-on 1: Das erste Fenster Erstellen Sie ein Fenster mit einer Auflösung von 640*480 Pixeln mit dem Namen Erstes Fenster in der Mitte Ihres Bildschirms. Hilfen: uebung1.c #include <GL/glut.h> void main(int argc, char **argv) { /* GLUT initialisieren */ /* Fenstergröße und -position festlegen */ /* Das Fenster erzeugen und Titeltext definieren */ /* Die GLUT-Eventloop starten */ }

15 OpenGL und GLUT Syntax Phase1: Initialisierung GLUT Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Events Übersicht Callback-Funktionen Tastatureingaben / Maus Hands-On 2 Phase3: Perspektive und Kamera Exkurs weitere Techniken

16 Events sind Ereignisse wie Maus- / Tastatureingaben Phase 2: Events Umgestalten(reshape) und Schließen des Fensters Idle ( das Ereignis ist, dass nichts passiert ist ) Callback-Funktionen werden in main() registriert Endlosschleife am Ende von main() Starten mit glutmainloop() Bei Event Aufruf des zugehörigen Callbacks

17 Phase2: Callback-Funktionen Funktion, die bei einem Ereignis gestartet wird Rücksprung in die glutmainloop() Syntax: glut[event]func(void(*func)... ) Werte für Event Keyboard{Up} / Special{Up}: Tastatureingaben Mouse / {Passive}Motion: Maustasten / Mausbewegung Reshape: Verschieben/Schließen des Fensters Display: Fenster muss neu gezeichnet werden Idle: falls kein anderes Event aufgetreten ist

18 Phase2: Tastatureingaben Registrieren des Callbacks mit glutkeyboardfunc(mykeyboard) Die Callback-Funktion: mykeyboard(unsigned char key, int x, int y) Key: gedrückte Taste x,y Position der Maus im Fenster Beispiel: void mykeyboard(unsigned char key, int x, int y){ switch(key){ case 'q': exit(0); break; case 'x': dosth(); break; }; }

19 Phase 2: Mausbuttons Registrieren des Callbacks mit glutmousefunc(mymouse) Die Callback-Funktion: mymouse(int button,int state,int x,int y) Button: GLUT_[LEFT MIDDLE RIGHT]_BUTTON State: [GLUT_UP GLUT_DOWN] x,y Position der Maus im Fenster Beispiel: void mymouse(int button,int state,int x,int y){ setfocus(x,y); }

20 Phase 2: Mausbewegung Registrieren des Callbacks mit glut{passive}motionfunc(mymotion) Die Callback-Funktion: mymotion(int x,int y) x,y Position der Maus im Fenster Aktive Motion= Maus bewegt sich bei gedrückter Taste Passive Motion= Maus bewegt sich ohne gedrückter Taste Beispiel: void mymotion(int x,int y){ if(button==glut_right_button && state==glut_down) { popupmenu(x,y); } }

21 Phase 2: Besondere Callbacks Registrieren der Callbacks mit glutreshapefunc(void (*func)(void)) glutidlefunc(void (*func)(void)) glutdisplayfunc(void (*func)(void)) Die Callback-Funktionen: Reshape, Idle und Display haben keine Parameter. myspecialcallback()

22 Übersicht #include <GL/Glut.h> int main(int argc, char **argv){ glutinit(&argc, argv); /* GLUT initialisieren */ glutinitdisplaymode( GLUT_DOUBLE GLUT_RGBA); /* Ausgabezustand festlegen */ glutinitwindowsize(600,600); /* Fenstergröße und -position festlegen */ glutinitwindowposition(100,100); glutcreatewindow("fenstertitel"); /* Fenster erzeugen */ glutdisplayfunc(display); /* Callback-Funktionen angeben */ glutreshapefunc(reshape); glutkeyboardfunc(keyboard); glutmousefunc(mouse); glutmousemotionfunc(mousemotion); glutidlefunc(idle); /* Weitere Initialisierungen durchführen, Hintergrundfarbe des Fensters, Kamera,... */ init(); glutmainloop(); /* Die GLUT-Eventloop starten */ return 0; }

23 Hands-on 2: CallBackFunktionen Aufgabe: Erweitern Sie das Programm um Tastatureingaben Hilfen: Beenden mit 'q' oder escape #include <GL/glut.h> void mykeyboard(...){... } void main(int argc, char **argv) { /* GLUT initialisieren */ /* Fenstergröße und -position festlegen */ /* Das Fenster erzeugen und Titeltext definieren */ /* Callback-Funktion für Keyboard registrieren */ /* Die GLUT-Eventloop starten */ }

24 OpenGL und GLUT Syntax Phase1: Initialisierung GLUT Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Phase3: Perspektive und Kamera 3D in OpenGL Perspektive Kamera Verschieben / Translation Einführung in das Beispielprogramm Exkurs weitere Techniken Übersicht

25 Phase3: wie stell ich mir 3D vor? Schau auf deinen Monitor. Das ist Punkt (0,0,0). Horizontal spannt sich die X-Achse auf. Links ins Negative, Rechts ins Positive. Vertikal spannt sich die Y-Achse auf. Oben ins Positive, Unten ins Negative Bei der Z-Achse ist es anders! Bewegst du dich mit dem Kopf zurück wird z größer, gehst du näher ran wird z kleiner. Alle Objekte hinter dem Bezugspunkt (also hier im Monitor) haben negative Z-Werte!

26 zfar znear Phase 3: Perspektive OpenGL kümmert sich um die perspektivische Darstellung gluperspevtive(fovy,aspect,znear, zfar); fovy=field of View in Grad (Berechnung siehe [arbpg] S.100f) Aspect= Größe des Bildschirmes znear, zfar Begrenzung des Kegelstumpf Es werden nur Objekte im Kegelstumpf dargestellt

27 Phase 3: Kamera In OpenGL gibt es keine Kamera, wir können unseren Betrachtungspunkt nicht verändern. Also bewegen wir die Welt! Bewegt sich alles nach Rechts (X vergrößern), sieht es so aus als bewegten wir uns nach Links und vice versa. Bewegt sich alles nach oben (Y vergrößern), sieht es so aus, als bewegten wir uns nach Unten und vice versa. Bewegt sich alles nach Hinten(Z verkleinern), sieht es so aus, als bewegten wir uns nach zurück. Beispiel Zugfenster.

28 Phase3: Verschieben der Welt gltranslate[f d](x,y,z); Verschieben des Koordinatensystems um x,y,z Beispiel: Verschieben nach links (Kamerabewegung nach rechts) float x=0.0, y=0.0, z=0.0; void movecamright(){ x-=1.0; glloadidentity(); gltranslate(x,y,z); }

29 Phase3: Das Beispielprogramm Das Beispielprogramm zeigt 36 Schneemänner auf einer Tischplatte. Es folgt eine kleine Einführung in der Programm und Erläuterung der zu erweiternden Punkte.

30 OpenGL und GLUT Syntax Phase1: Initialisierung GLUT Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Phase3: Perspektive und Kamera Exkurs weitere Techniken Effizienz der Tastatur verbessern Depth-Test und Culling Displaylisten Übersicht

31 Performanceverbesserung: Tastatur Alt: Bei jedem Tastendruck wird das Callback aufgerufen Neu: Wir merken uns beim Drücken der Taste die Aktion und heben diese beim Loslassen wieder auf! Aktivieren mit: GlutIgnoreKeyRepeat(1); Callback für das Drücken wie gehabt registrieren glutkeyboardfunc(processnormalkeys); glutspecialfunc(presskey); Callback für das Loslassen: glutkeyboardupfunc(releasenormalkeys); glutspecialupfunc(releasekey);

32 Depth-Test: Exkurs: Depth-Test, Culling Normalerweise nach der Reihenfolge im Quellcode gezeichnet. So müsste man erst die hinteren, dann die vorderen Objekte zeichnen. (Schwierig!) OpenGL übernimmt dies für uns, wenn wir DepthTest aktivieren. Culling () Performance einsparen, indem man manche Polygone nicht zeichnet Backface Culling: Verdeckte Polygone nicht zeichnen.

33 Exkurs: Displaylisten Festlegen von Renderpaketen aus einzelnen Anweisungen (meist ein komplexes Objekt) Wird direkt in der GPU optimiert und gespeichert Daher enormer Geschwindigkeitsvorteil, weil CPU und BUS nicht verwendet werden. Beispiel 8xAGP entspricht ca 2GByte/s Grafikkarte 256Bit/300Mhz Speicheranbindung 20GByte/s Also 10Mal schneller. (in der Theorie) Verwendung siehe createdl()

34 OpenGL und GLUT Syntax Phase1: Initialisierung GLUT Phase2: Interaktion (Tastatur und Maus) Phase3: Perspektive und Kamera Hands-On 3 Drehungen / Rotate Hands-On 4 Übersicht

35 Hands-On 3: Bewegen der Kamera Aufgabe: Bewege die Kamera: w,s = Bewegung nach vorne/hinten Pfeil links/rechts = Bewegung nach links/rechts Pfeil oben/unten = Bewegung nach oben/unten Hilfen: Vorlage uebung3.c Extrapunkt: Wer fertig ist, kann versuchen zu verhindern, dass man unter den Tisch schauen kann oder diesen verlassen kann.

36 glrotate[f d](angle,x,y,z); Phase3: Drehen der Welt Drehen des Koordinatensystems im mathematisch positiven Sinn (Gegenuhrzeigersinn). Angle: in Grad x,y,z: Uhrsprungsvektor Beispiel: Drehen um die y-achse GlRotatef(45.0, 0.0, 1.0, 0.0);

37 Hands-On 4: Drehen der Kamera Aufgabe: Drehen der Kamera bei gedrückter linken Maustaste Hilfen: Vorlage uebung4.c

38 ... und danke für den Fisch Vielen Dank fürs Zuhören und mitmachen. Weitere Fragen?

39 Literatur/Quellen [claussen97] Programmieren in OpenGL, Ute Claussen, Springer Verlag, 97 [rbapg93] OpenGL Programming Guide,Architecture Review Board, Addison-Wesley 93 [rbarm93] OpenGL Reference Manual,Architecture Review Board, Addison-Wesley 93 OpenGL-Tutorial,António Ramires Fernandes, Glut Programmierung, Miguel Angel Sepulveda, Wikipedia, OpenGL Spezifikation, Architecture Review Board, OpenGL Tutorial, Christian Marten, Heise Verlag Freie OpenGL Wikipedia für Delphi-Programmierer, 2007,