Graphische Datenverarbeitung I WS 2017/2018. OpenGL Einführung. Prof. Dr. techn. Dieter Fellner. Roman Getto. Julian Zobel

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1 Graphische Datenverarbeitung I WS 2017/2018 OpenGL Einführung Prof. Dr. techn. Dieter Fellner Roman Getto Julian Zobel

2 Was sind APIs API: Application Programming Interface Low-level graphic API Interface zwischen Hochsprache (z.b. C++) und Grafikhardware (GPU, Graphics Processing Unit) Beispiele: Direct3D, OpenGL Anforderungen: Qualitativ hochwertige Ergebnisse Flexibilität Effizienz (niedriger Overhead für Software-Level) Erweiterbarkeit (Unterstützung neuer Hardwarefeatures) Kompatibilität und Plattformunabhängigkeit High-level graphic API baut auf low-level graphic API auf besitzt höheren Abstraktionsgrad (Stichwort Scenegraph) Beispiele: (Java3D), OpenSG, OpenGL Performer, OpenInventor, GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 2

3 Kurze Geschichte der Graphik-APIs Am Anfang hatte jeder Hersteller seine eigene 3D-Graphik-API Ganze Reihe von Standardisierungsversuchen CORE, GKS/GKS-3D, PHIGS/PHIGS-PLUS, : SGI führt eigenen, proprietäre Graphikbibliothek ein (GL / IrisGL) 3D Rendering, Menüs, Eingabe, Events, Textausgabe,... OpenGL (1992, Mark Segal & Kurt Akeley): explizite Entwicklung eines allgemeinen, herstellerunabhängigen Standards hardwarenah, aber unabhängig von der Hardware effizient erweiterbar einheitliches Interface auf allen Plattformen (Mobiltelefon, PC, Supercomputer) heute einzige echte Alternative zu Microsoft s Direct3D GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 3

4 OpenGL API = Application Programming Interface OpenGL: Schnittstelle (Interface) zwischen Programmiersprachen und der Grafikhardware Plattformunabhängige Spezifikation von Befehlen Programmiersprachenunabhängig (C++, Java (z.b. JOGL), JavaScript (WebGL)) GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 4

5 OpenGL Implementierung durch Systembibliotheken oder Grafikkarten-Treibern Grafikkarte führt entsprechende Befehle aus Von der Grafikkarte nicht unterstützte Befehle müssen emuliert werden Die konkrete Implementierung der Befehle ist grafikkartenabhängig OpenGL definiert keine Funktionen, um auf Input/Output Geräte (z.b. Maus, Tastatur, Bildschirm) zuzugreifen, da diese betriebssystemabhängig sind GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 5

6 GLUT OpenGL Utility Toolkit Stellt einfache Funktionen zum Öffnen von Fenstern und Abfragen von User Inputs zur Verfügung Das Original GLUT wird nicht mehr erneuert und ist nicht Open Source Wir verwenden FreeGLUT GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 6

7 GLEW The OpenGL Extension Wrangler Library Hersteller können zusätzliche Befehle (extensions) definieren, die nicht in der aktuellen OpenGL Spezifikation enthalten sind Aktueller OpenGL Header in GLEW enthalten Kapselt (plattformabhängige) Extensions in eine plattformunabhängige Library C/C++ extension loading library GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 7

8 OpenGL Zustandsautomat OpenGL verwaltet Zustände und Parameter An- und Abschalten der Zustände: cap = GL capability Funktionen zur Festlegung verschiedener Parameter GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 8

9 OpenGL Anweisungssyntax Beispiele GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 9

10 Geometrische Primitive Alle geometrischen Primitive werden durch Vertices spezifiziert Strips und Fans reduzieren die Anzahl der benötigten Vertices GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 10

11 Immediate Mode Immediate Mode Anwendung verwaltet Szenendaten Rendering-Befehle werden beim Neuzeichnen eines Fensters ausgeführt Primitive zwischen glbegin und glend werden sofort gezeichnet Nicht effizient und veraltet, aber zunächst ausreichend um OpenGL und die GDV Grundlagen zu lernen GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 11

12 Immediate Mode Beispiele Zustandsautomat: Ein glcolor oder glnormal legt die Farbe oder die Normale für alle folgenden glvertex Befehle fest Für die Beleuchtung müssen Normalen pro Eckpunkt spezifiziert werden GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 12

13 Retained Mode Retained Mode Graphiksystem verwaltet Szenendaten und löst Neuzeichnen aus OpenGL bietet einige Retained Mode-Funktionen Displaylisten: Kapselt und optimiert Immediate Mode-Befehle Vertex Arrays: Übergabe großer Mengen von Daten in einem Aufruf Vertex Buffer Objects: Übergabe der Datenmengen and den GPU-Speicher GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 13

14 Oberflächennormalen Zeigt von der Oberfläche weg (Orthogonal zur Tangentialebene) Unter anderem wichtig für die lokalen Beleuchtungsberechnungen Wird durch einen glnormal Aufruf vor einem glvertex Aufruf für ein Vertex spezifiziert GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 14

15 Füllung in OpenGL Aus Grafik-Primitiven zusammengesetzte 3D-Objekt können unterschiedlich gefüllt sein Befehl zur Festlegung von Polygonseite und Füllmodus: glpolygonmode(glenum face,glenum mode) Beispiele: glpolygonmode(gl_front_and_back,gl_fill) glpolygonmode(gl_front_and_back,gl_line) glpolygonmode(gl_front,gl_line) glpolygonmode(gl_back,gl_fill) glpolygonmode(gl_front_and_back,gl_point) GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 15

16 Farbe, Beleuchtung und Material glcolor legt die Farbe eines Vertex fest glenable(gl_lighting) Ist die Beleuchtung aktiviert wird nicht die Farbe des Vertex (glcolor) beachtet sondern die Farbe des Lichts (gllight) und die des Materials (glmaterial). glenable(gl_color_material) Ist zur Beleuchtung zusätzlich Color_Material aktiviert wird die Farbe des Vertex (glcolor) als Materialfarbe (glmaterial) verwendet, für die in glcolormaterial festgelegten Polygonseiten (GL_FRONT_AND_BACK) und Beleuchtungsanteile (GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE). glcolormaterial(gl_front_and_back,gl_ambient_and_diffuse) GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 16

17 Beleuchtungsanteile: Ambient, Diffuse und Specular Diffuse = Helligkeit abhängig von der Position des Lichts Specular (spiegelnde Highlights) Helligkeit abhängig von der Position des Lichts und des Betrachters Ambient = Helligkeit unabhängig von der Position der Lichtquelle und des Betrachters Mehr in der 8. Vorlesung: Lighting GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 17

18 Beleuchtung GLfloat ambient[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; Glfloat specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat position[] = { 1.0, 1.0, 0.0, 0.0 }; GLfloat global_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 }; gllightfv(gl_light0, GL_AMBIENT, ambient); gllightfv(gl_light0, GL_DIFFUSE, diffuse); gllightfv(gl_light0, GL_SPECULAR, specular); gllightfv(gl_light0, GL_POSITION, position); gllightmodelfv(gl_light_model_ambient, global_ambient); Position des Lichts: 0.0 = unendlich weit entfernt ( directional light ) 1.0 = lokale Lichtquelle ( positional light ) glenable(gl_light0); glenable(gl_lighting); [ ] gldisable(gl_lighting); [Render something without lighting] glenable(gl_lighting); [ ] GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 18

19 Material Gold: GLfloat mat_ambient[] = { 0.25, 0.2, 0.07, 1.0 }; GLfloat mat_diffuse[] = { 0.75, 0.61, 0.23, 1.0 }; GLfloat mat_specular[] = { 0.63, 0.65, 0.37, 1.0 }; GLfloat mat_shininess = 51.2; glmaterialfv(gl_front, GL_AMBIENT, mat_ambient); glmaterialfv(gl_front, GL_DIFFUSE, mat_diffuse); glmaterialfv(gl_front, GL_SPECULAR, mat_specular); glmaterialf(gl_front, GL_SHININESS, mat_shininess); GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 19

20 Farbe, Beleuchtung und Material: Beispiel Das Licht ist Weiß. Es wird der ambiente und diffuse Anteil der Vertex-Farbe (glcolor) genommen und der spiegelnde Anteil vom Material als glänzendes Weiß definiert. GLfloat global_ambient[] = { 0.2f, 0.2f, 0.2f, 1.0f }; GLfloat ambientlight[] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f }; GLfloat diffuselight[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f }; GLfloat specularlight[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f }; gllightmodelfv(gl_light_model_ambient, global_ambient); gllightfv(gl_light0, GL_AMBIENT, ambientlight); gllightfv(gl_light0, GL_DIFFUSE, diffuselight); gllightfv(gl_light0, GL_SPECULAR, specularlight); glenable(gl_light0); glenable(gl_lighting); GLfloat mat_specular[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f }; GLfloat mat_shininess = 128.0; glmaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular ); glmaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess ); glenable(gl_color_material); glcolormaterial(gl_front_and_back, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE); GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 20

21 Initialisierung durch GLUT und Callbacks int main(int argc, char** argv) { } // initialize opengl window glutinit(&argc, argv); glutinitwindowposition(300,200); glutinitwindowsize(600,400); glutinitdisplaymode(glut_rgb GLUT_DOUBLE GLUT_DEPTH); glutcreatewindow("tu Darmstadt, GDV1 WS 14, OpenGL"); // Callbacks: link functions to certain OpenGL events glutdisplayfunc(renderscene); // call for frame rendering glutreshapefunc(reshape); glutmousefunc(mousepressed); glutmotionfunc(mousemoved); glutkeyboardfunc(keypressed); // further initializations initialize(); // activate main loop glutmainloop(); return 0; GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 21

22 Initialisierungen und Rendering void initialize(){ } // the color of a cleared scene glclearcolor(0,0,0,0); // enable depth buffer glenable(gl_depth_test); // set shading model glshademodel(gl_smooth); [Light and Material initalization] void renderscene(){ // clear the scene glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT); [scene rendering] // swap buffers glutswapbuffers(); // GLUT command } GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 22

23 Kamera-Analogie Position der Objekte in 3D-Koordinaten spezifiziert Wie erhält man die gewünschte Ansicht auf einem 2D-Bildschirm? Kamera-Analogie: Vorgehen ähnlich wie bei einer Fotographie Platziere die Objekte in der Szene, lege Position und Orientierung der Kamera fest viewing and modeling transformations Wähle ein Objektiv (Weitwinkel, Tele) und Projektionsparameter projection transformation Lege Bildausschnitt fest viewport transformation GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 23

24 Transformationen Verschiebungen (Translationen), Rotationen und Skalierungen von Objekten im Raum werden durch 4x4-Matrizen beschrieben Mehr Informationen in Vorlesung 4: Transformations OpenGL-Funktionen zur Erzeugung von Transformationsmatrizen: Die Hintereinanderausführung solcher Transformationen kann durch Matrizenmultiplikation beschrieben werden GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 24

25 Matrix Stacks OpenGL behält die aktuelle Matrix an oberster Position des Matrix Stack Genauer: OpenGL verwaltet 2 Matrixstacks, einen für Objekt-Transformationen (Modelview Matrix), einen weiteren für Projektionsmatrizen (Projection Matrix) Mit den Aufrufen glmatrixmode ( GL PROJECTION ) ; glmatrixmode ( GL MODELVIEW ) ; kann zwischen den beiden Stacks umgeschaltet werden Jeder Aufruf von gltranslatef, glrotatef, glscalef erzeugt eine Matrix, die auf die aktuelle Matrix aufmultipliziert wird Wird üblicherweise nur für die Modelviewmatrix verwendet GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 25

26 Matrix Stacks Die Einheitsmatrix ersetzt die aktuelle Matrix: glloadidentity(); Eine Kopie der aktuellen Matrix wird auf den Stack gelegt: glpushmatrix(); Die oberste Matrix des Stacks wird verworfen glpopmatrix(); Beispiel: // Matrix M ist oben auf dem Stack glpushmatrix(); // Lege Kopie M von M auf Stack gltranslatef(0.0,1.0,0.0); // Arbeite auf M [Zeichnen eines Objekts] glpopmatrix(); // Nehme oberste Matrix M vom Stack // Matrix M ist wieder die oberste Matrix des Stacks GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 26

27 Transformationen: Achtung! Reihenfolge beachten Die Reihenfolge der Transformationen ist zu beachten Grund: Die Matrixmultiplikation ist nicht kommutativ: Transformationen sollten von unten nach oben gelesen werden Grund: Matrizen werden in OpenGL von rechts multipliziert Sei R eine Rotationsmatrix, T eine Translationsmatrix, v die Koordinaten eines Vertex Dann gilt: (TR)v = T(Rv) GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 27

28 Transformations Beispiel: Denkansatz Weltkoordinatensystem Denkt man im Weltkoordinatensystem, dann müssen die Matrizen von unten nach oben gelesen werden. Zuerst Translation entlang x, dann Rotation um z-achse Zuerst Rotation um z, dann Translation entlang x-achse GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 28

29 Transformations Beispiel: Denkansatz Lokales Koordinatensystem Kompliziertere Überlegung, aber dafür stehen die Operationen in der korrekten Reihenfolge Zuerst Rotation um z, dann translation entlang der lokalen x-achse x y y x x y z z z Zuerst Translation entlang x, dann Rotation um die lokale z-achse y x y x y x GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 29 z z z

30 Kameraveränderung Utility-Library Funktion glulookat Wenn nicht anders spezifiziert, befindet sich die Kamera im Ursprung und schaut entlang der negativen z-achse entspricht glulookat(0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, 1, 0) GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 30

31 Alternative: Kamera Veränderung Alternativ zur Verschiebung/Rotation der Objekte der Szene kann auch die Kameraposition/-orientierung geändert werden GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 31

32 Parallelprojektion Vordere Ebene: near clipping plane Hintere Ebene: far clipping plane Projektionsstrahlen sind parallel (unendlich weit enfernter Betrachter) Weiter entfernte Objekte erscheinen nicht kleiner Unrealistischer Effekt GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 32

33 Perspektivische Transformation Vordere Ebene: near clipping plane Hintere Ebene: far clipping plane Sichtvolumen in Form einer abgeschnittenen Pyramide (view frustum oder view volume) Weiter entfernte Objekte erscheinen kleiner GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 33

34 Perspektivische Transformation Alternative: GLU-Library Funktion gluperspective Wird umgerechnet in glfrustum GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 34

35 Zoom Skalierung (Zoom) mittels glscalef oder glfrustum glscalef: Die Objekte werden vergrößert/verkleinert und erscheinen dadurch auch größer/kleiner auf dem Bildschirm glfrustum: Die Kamera wird näher/entfernter zu den Objekten platziert, wodurch diese ebenfalls größer/kleiner auf dem Bildschirm werden GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 35

36 Viewport Transformation Spezifizierung des rechteckigen Bildausschnitts in dem gezeichnet wird Die Werte sollten immer relativ zu der Gesamtgröße des Bildaussschnitts berechnet werden Es ist möglich mehrere Bilder während eines Aufrufes von renderszene zu rendern (zu Beginn von renderszene wird der Framebuffer geleert) Mit Viewport Transformations kann man dadurch sehr einfach mehrere Bilder nebeneinander setzen oder ein Bild vor ein anderes setzen GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 36

37 Häufige Fehler Für die Beleuchtung müssen (normalisierte!) Normalen für jeden Vertex definiert sein Nach einer Skalierung müssen die Normalen der Vertices erneut normalisiert werden. Dies muss manuell geschehen oder man aktiviert die automatische Normalisierung die jedoch ineffizient ist da sie nach jeder Transformation für alle vertices geschieht: glenable(gl_normalize) Man muss bei einem Aufruf von glvertex genau beachten in welchem Zustand mit welchen Parametern man sich befindet. Insbesondere auch ob GL_LIGHTING und GL_COLOR_MATERIAL aktiviert sind. Zu Beginn von renderszene sollte der Framebuffer IMMER geleert werden GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 37

38 OpenGL Onlinequellen offizielle Seite der Khronos Group guter Startpunkt; aktuelle Spezifikationen, viele Code-Beispiele Brian Paul s Mesa 3D (OpenGL in Software) GLUT, interaktive Tutorials Beispiele, Tutorials, Tips und Tricks Beispiele, Tutorials, Tips und Tricks Beispiele, Tutorials, Tips und Tricks GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 38

39 Bücher OpenGL Programming Guide, 7th Edition ältere Version auch online verfügbar: OpenGL Reference Manual, 4th Edition ältere Version auch online verfügbar : GDV1 WS 17/18 Fellner, Getto, Zobel 39