CGVert. Projekt. 3D-Scannen. Multimarker Tracking. Triangulierung. Low-Cost Scanner P 4. Ball-Erkennung. 3D Positionsbestimmung. Kalmanfilter. CGVert.

Transkript

1 Seminar-Vortrag Projektgruppen der Vertiefung Computergrafik (Vorträge am ab 8.50Uhr) Themenauswahl Bis heute ( ) um 16.00Uhr Vortrag Am Dauer: 30min Medium Beamer und/oder echte Folien Struktur 1/3 Motivation, Problemstellung, Überblick, Grund-Gedanken/-Konzepte,... Projekt 3D-Scannen Multimarker Tracking Triangulierung Low-Cost Scanner Name Inhaltliche Gliederung (evtl. als roter Faden durch den Vortrag) 2/3 Spezifischer Teil Detailliert Behandlung des Kernthemas Zusammenfassung (der wesentlichen Teile) Ausarbeitung (Noten-relevant) Kurze Besprechung 1 Woche vor dem Vortrag ( ) Folien zum Zeitpunkt des Vortrags HTML-Dokumentation zum Zeitpunkt der Projektabgabe P 4 Ball-Erkennung 3D Positionsbestimmung Kalmanfilter FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 3 Projektaufteilung 3D-Scanner Projektaufteilung P 4 Thema Multimarker-Tracking Gesamtanwendung Literatur u/artoolkit Kato, H., Billinghurst, M.; Marker Tracking and HMD Calibration for a video-based Augmented Reality Conferencing System; Proceedings of the 2nd International Workshop on Aug-mented Reality (IWAR 99). Thema Triangulierung Gesamtanwendung Literatur Curless, B., Levoy, M.; Better Optical Triangulation through Spacetime Analysis; IEEE Int t Conference on Computer Vision '95, pp Thema Low-Cost Laser-Scans Gesamtanwendung Literatur Winkelbach, S., Molkenstruck, S.,Wahl, F.; Low-Cost Laser Range Scanner and Fast Surface Registration Approach; In: Franke, K.; Müller, K.-R.; Nickolay, B.; Schäfer, R. (Eds.): Pattern Recognition (DAGM 2006), Lecture Notes in Computer Science 4174, ISBN: , Springer 2006, pp Thema Ball-Erkennung Tracking (ARToolkit) Gesamtanwendung Literatur u/artoolkit Bruce, J.; Balch, T., Veloso, M.; Fast and Inexpensive Color Image Segmentation for Interactive Robots; In Proceedings of IROS Thema 3D (Ball)positionsbestimmung Tracking (ARToolkit) Gesamtanwendung Literatur u/artoolkit Forsyth, D., Ponce, J.; Computer Vision - A Modern Approach; Pearson, 2003 Hartley R., Zissermann, A..; Multiple View Geometry in Computer Vision; Cambridge University Press, 2004 Thema Kalmanfilter Tracking (ARToolkit) Gesamtanwendung Literatur u/artoolkit Welch, G., Bishop, G.; An Introduction to the Kalman Filter; Siggraph Course FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 5

2 OpenGL Übersicht: OpenGL & ergänzende Bibliotheken OpenGL = Open Graphics Library C-Bibliothek (~150 Befehle) als Schnittstelle zur (3D)-Grafikhardware Implementierung eines Zustandsautomaten Beschränkung sich auf Darstellung von Punkten, Linien und Polygonen Software-Implementierungen (Mesa) sorgen für Kompatibilität Plattform und Sprachunabhängig Windows, MacOS, Unix/Linux,... Bindings für Python, C/C++, Java, Fortran, Perl, Ada,... Vorteile von OpenGL Hohe Stabilität, Zuverlässigkeit, Portierbarkeit Erweiterbar Hohe Skalierbarkeit (Client-Server System) Einfache Handhabung Gute Dokumentation FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 6 GLX WGL PGL AGL Anwendung GLUT (wxwidget, Ot,...) System (Software/Hardware) GLU OpenGL FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 7 Die OpenGL Renderpipeline Geometrie Die OpenGL Datentypen OpenGL definiert (in Anlehnung an C) eigene Datentypen Modelview Transformation Beleuchtung Perspektivische Transformation Viewport Transformation Operationen pro (Eck-)Punkt (Transformation und Beleuchtung) 1.Transformation in Kamerakoordinaten 2. Berechnung der Eckpunktfarben 3. Abbildung in View-Frustum 4. Verschiebung/Skalierung in VP OpenGL Typ GLbyte GLshort Datentyp 8-bit integer 16-bit integer Suffix b s Skankonvertierung Texture Abfrage Rasterisierung Texture Anwendung Nebel 1.Pixelberechnung (Bresenham,...) 2. Abfrage der Texturfarbwerte 3.Mischen von Textur- und Beleuchtungs-Farbe 4. Atmosphärische (globale) Effekte GLint GLfloat, GLclampf GLdouble, GLclampd 32-bit integer 32-bit float 64-bit double i f d Scissor/Alpha/Stencil/Depth Test Blending Operationen pro Fragment Dithering/ logische Ops. Alle Operationen basieren auf Pixel-Position 1.Löschen/Setzen von Pixeln 2.Mischen von Pixelfarbe und anderen Framebuffer Farben 3. Anwendung von Filtern GLubyte, GLboolean GLushort GLuint, GLenum, GLbitfield 8-bit unsigned byte 16-bit unsigned short 32-bit unsigned integer ub us ui Frame Buffer FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 9

3 OpenGL Nomenklatur OpenGL unterstützt kein Überladen von Funktionen Die Namen aller Funktionen von OpenGL und der Hilfsbibliotheken GLU und GLUT werden nach folgendem Schema gebildet {gl,glu,glut}<funktionsname>[{d,f,u,...}][v] Das Präfix gibt an, ob es sich um eine OpenGL, GLU oder GLUT Funktion handelt Das Suffix gibt den Datentyp der Parameter der Funktion an Werden die Parameter als Vektor erwartet, so endet der Funktionsname mit einem v Konstanten werden groß geschrieben (Präfixe: GL_, GLU_, GLUT_) Beispiele für Namen von OpenGL Konstanten und Funktionen: GL_POINTS, GLU_FILL, GLUT_DOUBLE glfrustum, glvertex3f, glmaterialf, glmaterialfv glulookat, gluperspective glutsolidteapot, glutswapbuffers FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 10 Ein OpenGL Befehl OpenGL Funktion Anzahl der Komponenten 2- (x,y) 3- (x,y,z) 4- (y,x,z,w) glvertex3fv(...) Daten-Typ b - byte ub - unsigned byte s - short us - unsigned short i - int ui - unsigned int f - float d - double Vektor Bei der skalaren Form des Befehls wird das v weggelassen FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 11 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON Punkte glbegin(gl_points) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 12 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON Punkte glbegin(gl_lines) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 13

4 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode Wert von mode GL_POINTS Punkte GL_POINTS Punkte GL_LINES Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) GL_LINES Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) GL_LINE_STRIP Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) GL_LINE_STRIP Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) GL_LINE_LOOP Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) GL_LINE_LOOP Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) GL_QUADS Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) GL_QUADS Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) GL_QUAD_STRIP Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) GL_QUAD_STRIP Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) GL_POLYGON Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) GL_POLYGON Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) glbegin(gl_line_strip) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) glbegin(gl_line_loop) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 15 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode Wert von mode GL_POINTS Punkte GL_POINTS Punkte GL_LINES Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) GL_LINES Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) GL_LINE_STRIP Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) GL_LINE_STRIP Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) GL_LINE_LOOP Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) GL_LINE_LOOP Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) GL_QUADS Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) GL_QUADS Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) GL_QUAD_STRIP Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) GL_QUAD_STRIP Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) GL_POLYGON Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) GL_POLYGON Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) glbegin(gl_triangles) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) glbegin(gl_triangle_strip) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 17

5 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode Wert von mode GL_POINTS Punkte GL_POINTS Punkte GL_LINES Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) GL_LINES Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) GL_LINE_STRIP Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) GL_LINE_STRIP Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) GL_LINE_LOOP Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) GL_LINE_LOOP Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) GL_QUADS Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) GL_QUADS Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) GL_QUAD_STRIP Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) GL_QUAD_STRIP Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) GL_POLYGON Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) GL_POLYGON Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) glbegin(gl_triangle_fan) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) glbegin(gl_quads) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 19 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON Punkte Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) Polygone in OpenGL müssen konvex sein Ein Polygon P heißt konvex, wenn die beiden folgenden äquivalenten Bedingungen erfüllt sind Liegen zwei Punkte im Inneren von P, so liegt auch deren Verbindungslinie vollständig innerhalb von P Der Schnitt von P mit einer Geraden ist immer eine Strecke Dreiecke sind immer konvexe Polygone! Konvexe Polygone Nicht-Konvexe Polygone glbegin(gl_quad_strip) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 21

6 Die OpenGL Primitive glbegin(glenum mode) legt die OpenGL Primitive fest Wert von mode GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON Punkte glbegin(gl_polygon) glvertex2f( 1.0, 0.0 ) glvertex2f( 0.5, 0.866) glvertex2f(-0.5, 0.866) glvertex2f(-1.0, 0.0 ) glvertex2f(-0.5,-0.866) glvertex2f( 0.5,-0.866) Linien: Punkte 2n-1 und 2n definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N/2 Linien) Linienverbund: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N-1 Linien) Geschlossene Linie: Punkte n und n+1 definieren eine Linie (N Punkte erzeugen N Linien) Jeweils drei Punkte (3n-2, 3n-1, 3n) bilden ein Dreieck (N Punkte erzeugen N/3 Dreiecke) Dreiecksverbund: Jeder Punkt nach den ersten beiden erzeugt ein Dreieck (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Dreiecksverbund: Punkt 1, n+1, n+2 bilden Dreieck n (N Punkte erzeugen N-2 Dreiecke) Jeweils vier Punkte (4n-3, 4n-2, 4n-1, 4n) bilden ein Viereck (N Punkte erzeugen N/4 Vierecke) Vierecksverbund: Punkte 2n-1, 2n, 2n+2, 2n+1 bilden das Viereck n (N Punkte erzeugen N/2-1 Vierecke) Konvexes Polygon (Wird durch die Punkte 1 bis N definiert) (-0.5,0.866,0.0) (-1.0,0.0,0.0) (-0.5,-0.866,0.0) (0.5,0.866,0.0) (1.0,0.0,0.0) (0.5,-0.866,0.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 22 Zusätzliche (eck-)punktspezifische Daten Zwischen glbegin(glenum mode) und dürfen die folgenden Befehle stehen Funktion glvertex*() glcolor*() glindex*() glnormal*() gltexcoord*() glmultitexcoord*arb() gledgeflag*() glmaterial*() glarrayelement() glevalcoord*(), glevalpoint*() glcalllist(), glcalllists() Setzt Eckpunkt-Koordinaten Setzt aktuelle Farbe Setzt aktuellen Fabindex Setzt Koordinaten eines Normalen-Vektors Setzt Textur-Koordinaten Setzt Textur-Koordinaten für multitexturing Kontrolliert das Zeichnen von Kanten Setzt Material-Eigenschaften Extrahiert Eckpunkt Array Daten Erzeugt Koordinaten Führt eine Display-Liste aus FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 23 Die GLUT Primitive (Nomenklatur) Die GLUT Primitive (Übersicht) Das OpenGL Utility Toolkit stellt zusätzliche Funktionen zur Erzeugung einfacher 3D Objekte zur Verfügung Die Namen dieser Funktionen werden nach folgendem Schema gebildet glut{wire Solid}{Sphere,Cube,...}(<parameter>) glut{wire Solid} Sphere(GLdouble radius, GLint slices, GLint stacks) Cone(GLdouble base, GLdouble height, GLint slices, GLint stacks) Cube(GLdouble size) Beispiel glutwiresphere(1.0,20,20) glutsolidsphere(1.0,20,20) Octahedron(void) Tetrahedron(void) Icosahedron(void) Dodecahedron(void) Torus(GLdouble innerradius, GLdouble outerradius, GLint nsides, GLint rings) Teapot(GLdouble size) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 25

7 Ein einfaches OpenGL Programm Die reshape Funktion from OpenGL.GLUT import * from OpenGL.GLU import * from OpenGL.GL import * import sys, math def init(width, height): """Initialize an OpenGL window""" glclearcolor(0.0, 0.0, 1.0, 0.0) #blue bg glmatrixmode(gl_projection) glloadidentity() glortho(-1.5, 1.5, -1.5, 1.5, -1.0, 1.0) def main(): glutinit(sys.argv) glutinitdisplaymode(glut_single GLUT_RGB) glutinitwindowsize(500, 500) glutcreatewindow("einfaches OpenGL Programm") glutdisplayfunc(display) #register displayf. init(500,500) #initialize OpenGL state def reshape(width, height): """ adjust projection matrix to window size""" glviewport(0, 0, width, height) glmatrixmode(gl_projection) glloadidentity() if width <= height: glortho(-1.5, 1.5,\ -1.5*height/width, 1.5*height/width,\ -1.0, 1.0) else: glortho(-1.5*width/height, 1.5*width/height,\ Ohne reshape Funktion def display(): """Render all objects""" glclear(gl_color_buffer_bit) glcolor3f(.75,.75,.75) #gray color glbegin(gl_polygon) glvertex3f( 1.0, 0.000, 0.0) glvertex3f( 0.5, 0.866, 0.0) glvertex3f(-0.5, 0.866, 0.0) glvertex3f(-1.0, 0.000, 0.0) glvertex3f(-0.5, , 0.0) glvertex3f( 0.5, , 0.0) glflush() glutmainloop() #start even processing if name == " main ": main() -1.5, 1.5,\ -1.0, 1.0) glmatrixmode(gl_modelview) def main():... glutreshapefunc(reshape) #register reshapefunc.... Mit reshape Funktion FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 27 Modelview-/Projektions-Matrix OpenGL speichert alle geometrischen Transformationen in zwei Matrizen Modelview-Matrix Transformation der Objekte (Translation, Rotation,...) Position (Transformation) der Kamera (des Auges) Pojektions-Matrix Speichert die Art der Abbildung Orthographische, Perspektivische,... Projektion Es kann jeweils nur eine der beiden Matrizen (die aktive) verändert werden Die aktive Matrix wird ausgewählt mittels glmatrixmode(gl_modelview) glmatrixmode(gl_projection) Alle nachfolgenden Matrix-Operationen beziehen sich auf die aktive Transformations-Matrix FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 28 Transformationen Alle Transformationen in OpenGL sind Multiplikationen mit oder Setzen der aktiven Matrix (Modelview-/Projektions-Matrix) Die OpenGL Matrizen können direkt verändert werden glloadidentity() glloadmatrix[f d](m) glmultmatrix[f d](m) Die Matrix-Elemente sind in Spalten gruppiert (column-major) " m[0] m[4] m[8] m[12] % $ ' $ m[1] m[5] m[9] m[13] ' $ m[2] m[6] m[10] m[14] ' $ ' # m[3] m[7] m[11] m[15] & Einfacher mittels vordefinierte Matrizen für Translation: gltranslate[d f](x, y, z) Rotation: glrotate[d f](angle, x, y, z) Skalierung: glscale[d f](x, y, z) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 29

8 Zusammengesetzte Transformationen Matrix Stack Transformationen werden in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt gltranslatef(-0.5, 0.0, 0.0) glrotatef(30.0, 0.0, 0.0, 1.0) gltranslatef(-0.5, -0.5, 0.0) glbegin(gl_quads) glvertex2f(0.0, 0.0) glvertex2f(1.0, 0.0) glvertex2f(1.0, 1.0) glvertex2f(0.0, 1.0) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 30 OpenGL verwaltet (mindestens) 32 Modelview- und 2 Projektions- Matrizen auf jeweils einem Stack Matrix-Stack erleichtert Verwaltung hierarchischer Szenen Oberste Matrix ist die aktuelle Modellview- bzw. Projektions-Matrix Aktiver Matrix-Stack wird mit Hilfe von glmatrixmode() bestimmt 2 Methoden zur Manipulation der oberste Matrix des aktiven Stacks kopieren und auf den Stack legen: glpushmatrix() (Die 2 obersten Matizen sind danach gleich) vom Stack holen: glpopmatrix() (Inhalt der Matrix geht verloren) glpushmatrix glpopmatrix def zeichneradundschrauben(): zeichnerad() for i in range(0,6): glpushmatrix() glrotatef(60.0*i, 0.0, 0.0, 1.0) gltranslatef(6.0, 0.0, 0.0) zeichneschraube() glpopmatrix() Matrix-Stack FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 31 Matrix Stack Beispiel Kamera-Position und -Orientierung def zeichnequadrate(x,y,z): gltranslate(x, y, z) #7 glscalef(0.75, 0.75, 1.0) #6 gltranslatef(-0.1, 0.0, 0.0) #5 glpushmatrix() #Modelview Transformation gltranslatef(-0.5, 0.0, 0.0) #3 glrotatef(30.0, 0.0, 0.0, 1.0) #2 gltranslatef(-0.5, -0.5, 0.0) #1 glcolor3f(1.0, 0.0, 0.0) glrectf(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) # G=M7*M6*M5*M3*M2*M1 glpopmatrix() glpushmatrix() gltranslatef(1.0, 0.0, 0.0) #4 glrotatef(45.0, 0.0, 0.0,1.0) #3 glscalef(0.5, 0.5, 0.0) #2 gltranslatef(-0.5, -0.5, 0.0) #1 glcolor3f(0.0, 1.0, 0.0) glrectf(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) #G=M7*M6*M5*M4*M3*M2*M1 glpopmatrix() zeichnequadrate(0,0,0) zeichnequadrate(0,.5,0) Positionierung der Kamera durch Manipulation der Modelview-Matrix glmatrixmode(gl_modelview) gltranslate(0,0,-5) Komfortabler mittels GLU-Funktion glulookat(eyex, eyey, eyez, centerx, centery, centerz, upx, upy, upz) glulookat(0,0,0, 0,0,-100, 0,1,0) glulookat(4,2,1, 2,4,-3, 2,2,-1) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 33

9 Kamera-Parameter (Parallelprojektion) Kamera-Parameter (Zentralprojektion) Festlegen des View-Frustums (Parallelprojektion) glortho(left, right, bottom, top, near, far) Festlegen des View-Frustums (perspektivische Projektion) glfrustum(left, right, bottom, top, near, far) Multipliziert M ortho mit der aktuellen Matrix Beliebige (verschiedene) Werte für near und far Multipliziert M frustum mit der aktuellen Matrix Werte für near und far müssen positiv sein! # 2n r + l & % 0 0 r " l r " l ( % 2n t + b ( % 0 0 ( M frustum = % t " b t " b f + n 0 0 " 2 fn ( % ( f " n f " n % ( $ 0 0 "1 0 ' GLU-Funktion für 2D-Objekte gluortho2d(left, right, bottom, top) Identisch mit glortho(left,right,bottom,top,-1,1) Sollte zusammen mit glvertex2*(...) verwendet werden (z-koordinate identisch 0, homogene Koordinate w=1) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 34 Komfortabler mittels GLU-Funktion gluperspective(fovy, aspect, near, far) Multipliziert M frustum mit der aktuellen Matrix Werte für near und far müssen positiv sein! fovy muss im Intervall [0,180] liegen FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 35 Field of View Ermittlung Sichtkugelverfahren in OpenGL 1. Ermittlung der Objekt-Bounding-Box 2. Ermittlung einer Bounding-Kugel der Bounding-Box 3. Verwendung von Kugel-Mittelpunkt zur Bestimmung von distance 4. Verwendung von Kugel-Radius zur Bestimmung von Size 5. Bestimmung des Öffnungswinkels Beispiel Bounding-Box: [-1,3]x[5,7]x[-5,5] Mittelpunkt: M=(1,6,0) Radius der Bounding-Kugel (zu (3,7,5)) Abstand M zu Augpunkt (8,9,10): Tangens vom Halbwinkel: 5,48 / 12,57 = 0,436 Halbwinkel: atan(0,436) = 23,55 Grad Bestimmung des Öffnungswinkels theta def calculateangle(size, distance): radtheta = 2.0*atan2(size/2.0,distance) degtheta = (180.0*radtheta)/math.pi return degtheta FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 36 Gesamttransformation (Beispiel) glmatrixmode(gl_modelview) glloadidentity() glmatrixmode(gl_projection) glloadidentity() glmatrixmode(gl_projection) gluperspective(60.0, 1.0, 1.0, 10.0)... glmatrixmode(gl_modelview) glloadidentity() gltranslatef(0.0, 0.0, 1.0) glrotatef(45.0, 1.0, 0.0, 0.0) glbegin(gl_quads) glvertex3f(-0.5, -0.5, 0.0) glvertex3f(0.5, -0.5, 0.0) glvertex3f(0.5, 0.5, 0.0) glvertex3f(-0.5, 0.5, 0.0) Inhalt Modelview-Matrix Inhalt Projection-Matrix I I I PERSP... I T1 T1*R1... PERSP PERSP PERSP Transformation für jeden Eckpunkt: v = PERSP*T1*R1*v FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 37

10 Viewport z-buffer (verdeckte Flächen) Die Größe des Viewports wird standardmäßig auf die Größe des Fensters gesetzt, in das gerendert wird kann geändert werden mittels glviewport(x, y, width, height) Aktivieren des z-buffers glenable(gl_depth_test) Deaktivieren des z-buffers gldisable(gl_depth_test) Löschen (Werte auf Max. setzen): glclear(gl_depth_buffer_bit) // z-buffer Beispiel glutinit(sys.argv) glutinitdisplaymode(glut_rgb GLUT_DEPTH) glutinitwindowsize(400, 400) glutinitwindowposition(100, 100) glutcreatewindow( Depth-Buffer Test ) gluperspective(fovy, 1.0, near, far) glviewport(0,0,400,400) gluperspective(fovy, 1.0, near, far) glviewport(0,0,400,200) Keine Verzerrung, wenn (width/height) = aspect: gluperspective(fovy, 2.0, near, far) glviewport(0,0,400,200) Setzten von Min. und Max.: gldepthrange(near, far) Die Default-Werte near=0.0, far=1.0 passen in den meisten Fällen Damit GLUT den z-buffer verwendet: glutinitdisplaymode(mode) mit Parameter GLUT_DEPTH aufrufen glenable(gl_depth_buffer) glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT) glbegin(...) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 39 z-buffer (Beispiel) Polygon-Offset Polygon-Darstellung (ohne z-buffer) Polygon-Darstellung (mit z-buffer) Festlegung der Darstellungsart eines Polygons mittels glpolygonmode(glenum face, GLenum mode) Ohne Offset face kann sein GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK mode kann sein GL_POINT, GL_LINE, GL_FILL Wireframe-Darstellung Gemischte Darstellung (Polygon und Wireframe) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 40 Kombinierte Darstellung kann z.b. räumlichen Eindruck verbessern Stitching kann durch geeignete Offsetbildung vermieden werden Ein- und Ausschalten der Offsetbildung mittels glenable(glenum cap) und gldisable(glenum cap) cap kann sein GL_POLYGON_OFFSET_FILL GL_POLYGON_OFFSET_LINE GL_POLYGON_OFFSET_POINT Einstellen der Offsetgröße mittels void glpolygonoffset(glfloat factor, GLfloat units) Fast immer passt: units = 1, factor = gewünschte Liniendicke Mit Offset FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 41

11 Polygon-Offset (Beispiel) /* Darstellung eines Objekts und seiner Kanten. Hidden-Line-Darstellung durch Objektfarbe = Hintergrundfarbe */ def tetrahedron(): glbegin(gl_triangles) glvertex3f(0.0, 0.0, 0.0)... glenable(gl_polygon_offset_fill) glpolygonoffset(2.0,1.0) glcolor3f(0.0, 0.0, 1.0) #blue solid tetrahedron() gldisable(gl_polygon_offset_fill) glpolygonmode(gl_front_and_back, GL_LINE) glcolor3f(1.0, 1.0, 1.0) #white lines gllinewidth(2.0) tetrahedron() glpolygonmode(gl_front_and_back, GL_FILL) Bewegte Bilder (Double-Buffering) Simulation einer Filmkamera durch Double-Buffering (zeige nur fertige Bilder) Vermeidet Flackern Realisierung durch zwei Bildschirm-Speicher (Color-Buffer): Front-Buffer und Back-Buffer 1. Zeige den Inhalt des Font-Buffers an 2. Rendere nächstes Bild in den Back-Buffer 3. Vertausche Front- und Back-Buffer 4. Gehe zu 1. Realisierung des Double-Buffering hängt von der Hardware und der GUI ab OpenGL hat keine Funktion zum Vertauschen von Front- und Back- Buffer GLUT kennt die Funktion glutswapbuffers() FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 43 Interaktions-Loop GLUT-Callback Funktionen Rendern Simulation glutdisplayfunc() glutidlefunc() gluttimerfunc() Simulation (Hintergrundprozesse) void glutidlefunc(void (*func)(void)); setzt den globalen idle-callback auf die Funktion idle Sollte erst nach glutmainloop() aufgerufen werden Die Funktion idle hat im Allgemeinen die Gestalt: def idle():... glutpostredisplay() Sorgt dafür, dass beim nächsten Durchlaufen von glutmainloop der display-callback aufgerufen wird Tastatur- Maus-Abfrage glutkeyboardfunc()... glutmousefunc() glutmotionfunc() glutpassivemotionfunc() glutmainloop() glutvisibilityfunc(void (*func)(int state)); setzt den Sichtbarkeits-Callback auf die Funktion visible Die Funktion visible hat im Allgemeinen die Gestalt: def visible(vis): if vis==glut_visible: glutidlefunc(idle) else: glutidlefunc(null) Sorgt dafür, dass der idle-callback Nur aufgerufen wird, wenn das Fenster auch sichtbar ist FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 45

12 Beispiel: Rotierendes Viereck (idle-callback) Beispiel: Tastatureingabe (keyboard-callback) def init(width, height): global angle angle = 0 glclearcolor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0) glmatrixmode(gl_projection) glloadidentity() glortho(-1.5, 1.5, -1.5, 1.5, -1.0, 1.0) glmatrixmode(gl_modelview) def display(): global angle glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT) glloadidentity() def animate(): global angle angle = (angle+.1)%360 glutpostredisplay() def main(): glutinit(sys.argv) glutinitdisplaymode(glut_double GLUT_RGB GLUT_DEPTH) glutinitwindowsize(500, 500) glutcreatewindow("spinning Rectangle") glutdisplayfunc(display) glutidlefunc(animate) def init(width, height):... def reshape(width, height):... def keypressed(key, x, y): global anglerotz if key=='z': anglerotz = (anglerotz+5)%360; elif key=='z': anglerotz = (anglerotz-5)%360; elif key==char(27): sys.exit() glutpostredisplay(); def display(void): glclear(gl_color_buffer_bit) glpushmatrix() gltranslatef(-1.0, 0.0, 0.0) glrotatef(anglerotz, 0.0, 0.0, 1.0) gltranslatef(1.0, 0.0, 0.0) glutwirecube(1.0) glpopmatrix() glutswapbuffers() def main(): glutinit(sys.argv) glutinitdisplaymode(glut_double GLUT_RGB) glutinitwindowsize(500, 500) glutcreatewindow( Animation Test ) glrotate(angle,1.0,1.0,1.0) glbegin(gl_polygon) glvertex3f(-1.0, -1.0, 0.0) init(500,500) glutmainloop() glutdisplayfunc(display) glutreshapefunc(reshape) glutkeyboardfunc(keypressed) glvertex3f(-1.0, 1.0, 0.0) glvertex3f( 1.0, 1.0, 0.0) glvertex3f( 1.0, -1.0, 0.0) if name == " main ": main() init(500,500) glutmainloop() glutswapbuffers() if name == " main ": main() FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 47 Menüs in GLUT Display Listen GLUT bietet die Möglichkeit einfache Popup-Menüs zu erzeugen Beispiel (man glutcreatemenu) Zwei Unter-Menüs Mit rechter Maustaste verknüpft submenu1 = glutcreatemenu(selectmessage) glutaddmenuentry("abc", 1) glutaddmenuentry("abc", 2) submenu2 = glutcreatemenu(selectcolor) glutaddmenuentry("green", 1) glutaddmenuentry("red", 2) glutaddmenuentry("white", 3) glutcreatemenu(selectfont) glutaddmenuentry("9 by 15", 0) glutaddmenuentry("times Roman 10", 1) glutaddmenuentry("times Roman 24", 2) glutaddsubmenu("messages", submenu1) glutaddsubmenu("color", submenu2) glutattachmenu(glut_right_button) def selectmessage(value): pass def selectcolor(value): pass def selectfont(value): pass FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 48 Häufig benutzte OpenGL Kommandos können in Display Listen zusammengefasst werden Wird zur Darstellung vielfach vorhandener Objekte verwendet Die Kommandos werden nur einmal an den OpenGL Server (Grafikkarte) geschickt, aber häufig angewandt Es können Vorberechnungen gemacht werden Displaylisten werden erzeugt mittels i = glgenlists(n) Erzeugt die n Display Listen i, i+1,..., i+n Display Liste mit Inhalt füllen: glnewlist(name, mode) //OpenGL Befehle glendlist() GLuint name: Name (Nummer) der Liste GLenum mode GL_COMPILE: OpenGL Befehle in Display Liste speichern ohne auszuführen GL_COMPILE_AND_EXECUTE: Speichern und sofort ausführen FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 49

13 Ausführen und Löschen von Display Listen Display Liste (Beispiel Torus) Zuvor definierte Display Listen können ausgeführt werden mittels glcalllist(name) Existiert keine Display Liste mit Name (Index) name passiert nichts glcalllist kann innerhalb einer Display Liste aufgerufen werden Es können mehrere Display Listen auf einmal ausgeführt werden: glcalllists(n,type, lists) n: Anzahl der auszuführenden Display Listen type: Datentyp in lists: GL_BYTE, GL_INT,... lists: Liste von Namen von Display Listen In Python: glcalllists(list) Display Listen können mit Hilfe des folgenden Befehls wieder gelöscht werden gldeletelists(name, n) Löscht die Display Listen mit Namen name, name+1,..., name+n+1 Definition der Torus Geometrie def torus(numc, numt): twopi=2*pi for i in range(0,numc): glbegin(gl_quad_strip) for j in range(0,numt+1): for k in range(1,-1,-1): s = (i+k)%numc+0.5 t = j%numt x =(1+.3*cos(s*twopi/numc))*\ cos(t*twopi/numt) y =(1+.3*cos(s*twopi/numc))*\ sin(t*twopi/numt) z =.3 * sin(s*twopi/numc) glvertex3f(x, y, z) def init(width, height): global toruslist glclearcolor(0.0, 0.0, 1.0, 0.0) glmatrixmode(gl_projection) glloadidentity() glortho(-1.5, 1.5, -1.5, 1.5, -1.0, 1.0) toruslist = glgenlists(1) glnewlist(toruslist, GL_COMPILE) torus(8,25) glendlist() def display(): glclear(gl_color_buffer_bit) glcolor(0.0, 0.0, 1.0) glcalllist(toruslist) glutswapbuffers() Aufrufen der Display Liste Definition der Display Liste FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 51 Polygonale (Netz-) Darstellung von Objekten Objekte werden als Netze (Ansammlung von Polygonen) dargestellt Eckpunkte und Flächen werden üblicherweise in Arrays gespeichert Jeder Eckpunkt hat verschiedene Attribute, die in unterschiedlichen Arrays gespeichert werden Eckpunktkoordinaten in einem Array mit Eckpunktkoordinaten (Vertex-Array) Farbe in einem Array mit Farbkoordinaten (Color-Array) Normalen in einem Array mit Normalenkoordinaten (Normal-Array)... Flächen (Polygone) werden in Arrays meist als Indexed-Face-Set gespeichert Liste von Polygonen Jede Fläche enthält eine Liste von Indizes aus dem zugehörigen Vertex-Array FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke Vertex Arrays (einschalten, füllen) In OpenGL wird die Verwendung von Vertex Arrays gesteuert mittels glenableclientstate(arraytype) gldisableclientstate(arraytype) arraytype kann sein GL_VERTEX_ARRAY, GL_COLOR_ARRAY, GL_INDEX_ARRAY, GL_NORMAL_ARRAY, GL_TEXTURE_COORD_ARRAY, GL_EDGE_FLAG_ARRAY Vertex Arrays werden gefüllt mittels glvertexpointer(size, type, stride, array) GLint size ist die Anzahl der Koordinaten (2,3 oder 4) GLenum type Datentyp: GL_SHORT, GL_INT, GL_FLOAT, GL_DOUBLE GLsizei stride Byte-Offset zwischen den Punkten (normalerweise 0) const GLvoid *array Zeiger auf das eigentliche Daten-Array Analoges gilt für die Arrays der anderen Attribute glcolorpointer(size, type, stride, array) glnormalpointer(type, stride, array) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 53

14 Vertex Arrays (zeichnen) Vertex Arrays können auf drei Arten zur Darstellung verwendet werden (Reihenfolge spiegelt die Effizienz wieder) 1. Zugriff auf die Daten aller aktiven Vertex Arrays eines Punktes über glarrayelement(index) 2. Zugriff auf die Daten aller aktiven Vertex Arrays der Punkte mit Index first bis first+count-1 gldrawarrays(mode, first, count) GLenum mode: Irgendeine OpenGL Primitive: GL_POINTS, GL_LINES,... GLint first: Start-Index Glsizei count: Anzahl der Indizes im Array 3. Zugriff auf die Daten aller aktiven Vertex Arrays der ersten count Punkte (am effizientesten) über gldrawelement(mode, count, type, indices) GLsizei count: Anzahl der Indizes im Array GLenum type: Type: GL_UNSIGNED_BYTE, GL_UNSIGNED_INT,... GLvoid *indices: Zeiger auf das eigentliche Daten-Array FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 54 Vertex Arrays (Beispiel glarrayelement) vertices = Numeric.array([[25,25], [100,325], [175,25], [175,325], [250,25], [325,325]], f ) colors = Numeric.array([[1.00,0.20,0.20], [0.20,0.20,1.00], [0.80,1.00,0.20], glenableclientstate(gl_vertex_array) glenableclientstate(gl_color_array) [0.75,0.75,0.75], [0.35,0.35,0.35], [0.50,0.50,0.50]], f ) glvertexpointer(2, GL_INT, 0, vertices.tostring()) glcolorpointer(3, GL_FLOAT, 0, colors.tostring()) glbegin(gl_triangles) glarrayelement(2) glarrayelement(3) glarrayelement(5) gldisableclientstate(gl_vertex_array) gldisableclientstate(gl_color_array) glbegin(gl_triangles) glcolor3fv(colors[2]) glvertex2iv(vertices[2]) glcolor3fv(colors[3]) glvertex2iv(vertices[3]) glcolor3fv(colors[5]) glvertex2iv(vertices[5]) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 55 Vertex Arrays (Beispiel gldrawelements) Darstellung eines Würfels 1. Möglichkeit frontindices = Numeric.array([4,5,6,7], b ) rightindices = Numeric.array([1,2,6,5], b ) bottomindices = Numeric.array([0,1,5,4], b ) backindices = Numeric.array([0,3,2,1], b ) leftindices = Numeric.array([0,4,7,3], b ) topindices = Numeric.array([2,3,7,6], b ) 7 6 gldrawelements(gl_quads, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, frontindices.tostring()) gldrawelements(gl_quads, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, rightindices.tostring()) gldrawelements(gl_quads, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, bottomindices.tostring()) gldrawelements(gl_quads, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, backindices.tostring()) gldrawelements(gl_quads, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, leftindices.tostring()) gldrawelements(gl_quads, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, topindices.tostring()) Beleuchtung/Shading Definiere Normalenvektoren für alle Eckpunkte aller Objekte Definiere Licht Erzeuge Lichtquelle Positioniere Lichtquelle Aktiviere Lichtquelle Wähle ein Beleuchtungsmodell Definiere Material-Eigenschaften für alle Objekte def display(): glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT); glutsolidsphere(1.0, 100, 100) glflush() def init(): glenable(gl_depth_test) glenable(gl_lighting) glenable(gl_light0) 2. Möglichkeit allindices = Numeric.array([4,5,6,7,1,2,6,5,0,1,5,4,0,3,2,1,0,4,7,3, 2,3,7,6], b ).tostring() gldrawelements(gl_quads, 24, GL_UNSIGNED_BYTE, allindices) Einfarbige Kugel Schattierte Kugel FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 57

15 Normalenvektoren Shading-Verfahren benötigen pro Eckpunkt einen Normalenvektoren GLUT-Primitive haben bereits Normalenvektoren Bei allen anderen Objekten müssen Normalenvektoren berechnet und den Eckpunkten zugewiesen werden Zuweisung von Normalenvektor zu Eckpunkt mittels glnormal3{b,s,i,d,f}[v](type x, Type y, Type z) Beispiel: glbegin(...) glnormal3f(0.0, 0.0, 1.0) glvertex3f(0.0, 0.0, 1.0) Normalenvektoren müssen die Länge 1 haben! OpenGL kann Normalenvektoren automatisch normieren Einschalten: glenable(gl_normalize) Ausschalten: gldisable(gl_normalize) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 58 Beleuchtung/Shading in OpenGL OpenGL implementiert das Phong Beleuchtungsmodell Licht setzt sich zusammen aus einem ambienten Teil (Umgebungslicht) diffusen Teil (ungerichteter Anteil) spekularen Teil (gerichteter Anteil) Beleuchtung wir eingeschaltet mittels glenable(gl_lightning) OpenGL unterstützt (mindestens) 8 Lichtquellen Einschalten: glenable(gl_light$i), 0! $i < GL_MAX_LIGHTS Ausschalten: gldisable(gl_light$i), 0! $i < GL_MAX_LIGHTS Von OpenGL direkt unterstütze Schattierungsverfahren Flat-Shading (1 Normalenvektor pro Fläche) Einschalten: glshademodel(gl_flat) Gouraud-Shading (default) (1 Normalenvektor pro Punkt) Einschalten: glshademodel(gl_smooth) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 59 Lichtquellen Basis Eigenschaften der OpenGL Lichtquellen setzen: gllight{i,f}v(glenum light, GLenum pname, Type *param) Parameter: light: Zu verändernde Lichtquelle (GL_LIGHT$i, 0!$i<GL_MAX_LIGHTS) pname: Zu verändernder Parameter GL_POSITION (Position/Richtung (x,y,z,w) der Lichtquelle, default (0,0,1,0)) w"0: Punktlichtquelle ((x,y,z) ist Position der Lichtquelle) w=0: Gerichtete Lichtquelle ((x,y,z) ist Richtung der Lichtquelle, Abschwächung wird nicht berücksichtigt) GL_AMBIENT (Farbe des ambienten Lichtanteils, default (0,0,0,1)) GL_DIFFUSE (Farbe des diffusen Lichtanteils) Default für GL_LIGHT0: (1,1,1,1) Default für alle anderen Lichter: (0,0,0,0) GL_SPECULAR (Farbe des spiegelnden Lichtanteils) Defaultwerte analog zum diffusen Lichtanteil *param: Werte des zu verändernden Parameters FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 60 Abschwächung Abschwächung des Lichts mit zunehmendem Abstand d von einer Punktlichtquelle durch Multiplikation mit Abschwächungsfaktor Abschwächungsverhalten einer OpenGL Lichtquelle setzen: gllight{i,f}(glenum light, GLenum pname, Type param) Parameter (wirkt nur bei Punktlichtquellen): pname: Zu verändernder Parameter GL_CONSTANT_ATTENUATION (Default: k c =1) GL_LINEAR_ATTENUATION (Default: k l =0) GL_QUADRATIC_ATTENUATION (Default: k q =0) param: Wert des zu verändernden Parameters FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 61

16 Spotlicht Die Parameter einer Punktlichtquelle können so eingestellt werden, dass ein Spotlicht entsteht Eine OpenGL Lichtquelle als Spotlight einstellen: gllight{i,f}(glenum light, GLenum pname, Type param) Parameter (wirkt nur bei Punktlichtquellen): pname: Zu verändernder Parameter GL_SPOT_CUTOFF (Wertebereich [0,90], Default: 180 (kein Spotlicht)) Hälte des Öffnungswinkels des Lichtkegels GL_SPOT_DIRECTION (Default: (0,0,-1)) Richtung des Lichtkegels GL_SPOT_EXPONENT (Wertebereich [0,128], Default: 0 (kein Spotlicht)) Abschwächung des Lichts vom Zentrum des Lichtkegels nach außen Je größer der Wert, desto stärker wird das Licht zum Zentrum hin gebündelt param: Wert des zu verändernden Parameters GL_POSITION GL_SPOT_ CUTOFF GL_SPOT_DIRECTION GL_SPOT_ EXPONENT FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 62 gllight{i,f},gllight{i,f}v (Parameter-Übersicht) Parameter GL_AMBIENT GL_DIFFUSE GL_SPECULAR GL_POSITION GL_SPOT_DIRECTION GL_SPOT_EXPONENT GL_SPOT_CUTOFF GL_CONSTANT_ATTENUATION GL_LINEAR_ATTENUATION GL_QUADRATIC_ATTENUATION Default-Wert (0.0, 0.0, 0.0, 1.0) (1.0, 1.0, 1.0, 1.0) (1.0, 1.0, 1.0, 1.0) (0.0, 0.0, 1.0, 0.0) (0.0, 0.0, -1.0) Ambiente RGBA Licht-Intensität Diffuse RGBA Licht-Intensität Spiegelnde RGBA Licht- Intensität (x,y,z,w) Licht-Position (x,y,z) Spotlicht-Richtung Spotlicht-Exponent Spotlicht Cutoff Winkel Konstanter Abschwächungsfaktor Linearer Abschwächungsfaktor Quadratischer Abschwächungsfaktor FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 63 Position und Richtung von Lichtquellen OpenGL behandelt Position und Richtung von Lichtquellen analog zur Position und Richtung von geometrischen Primitiven Die Modelview Transformationen werden angewandt Drei grundsätzlich verschiedene Verhalten 1. Lichtquelle bleibt fix (stationäre Lichtquelle) 2. Lichtquelle bewegt sich um ein (unbewegliches) Objekt 3. Lichtquelle bewegt sich zusammen mit der Kamera 1. Stationäre Lichtquelle def display(): glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT) glpushmatrix() glrotatef(roty, 0.0, 1.0, 0.0) light_position = [0.0, 0.0, 5.0, 1.0] gllightfv(gl_light0, GL_POSITION, light_position) # Keine weiteren Modelview-Transformationen glutsolidteapot(1.0) glpopmatrix() glswapbuffers() FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 64 Bewegliche Lichtquelle (Stationäres Objekt) 2. Lichtquelle bewegt sich um eine stationäres Objekt def display(): glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT) glpushmatrix() glulookat(0.0,0.0,5.0, 0.0,0.0,0.0, 0.0,1.0,0.0) glpushmatrix() glrotatef(roty, 0.0, 1.0, 0.0) light_position = [0.0, 0.0, 5.0, 1.0] gllightfv(gl_light0, GL_POSITION, light_position) glpopmatrix() glutsolidteapot(1.0) glpopmatrix() glutswapbuffers() FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- WS 06/ Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 65