Computer Graphik (CS231) - Installation der Software

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1 UNIVERSITÄT BASEL Prof. Dr. Thomas Vetter Departement Mathematik und Informatik Spiegelgasse 1 CH 4051 Basel Tobias Maier ([email protected]) Jasenko Zivanov ([email protected]) Marc Schmidlin ([email protected]) Computer Graphik (CS231) - Installation der Software Die Übungen werden in einer C++ Testumgebung implementiert. Das Software- Design ist vorgegeben, es müssen nur noch die Algorithmen implementiert werden. Als Build-System wird qmake verwendet. Zu libgravis gibt es eine Doxygen- Dokumentation. Abhängigkeiten Die Testprogramme wurden von uns unter Linux (Ubuntu) und gcc getestet. Neben den mitgelieferten Bibliotheken libgravis und libvistest benötigt sie die Bibliotheken QT, OpenGL und libpng. Der Computerraum U1075 dient als Referenzplattform, die Aufgaben können aber auch auf Laptops vorgeführt werden. Dazu empfehlen wir, die Programme und Bibliotheken (Entwicklungsversionen "dev") mit Hilfe der Paketverwaltung (z.b. apt-get) Ihrer Linux-Distribution einzuspielen. Beispiel unter Ubuntu: sudo apt-get install g++ libqt4-dev libpng12-dev doxygen graphviz \ subversion Qt Creator Als IDE empfehlen wir Qt Creator. Unter Qt Creator kann ein Installer heruntergeladen werden. Um diesen unter Linux ausführen zu können, müssen Sie die Datei noch ausführbar machen: chmod +x qt-creator-opensource-linux-[...].run./qt-creator-opensource-linux-[...].run

2 Subversion-Repository 2 Die Testumgebung und die Testprogramme liegen im Subversion-Repository und können von dort ausgecheckt werden: svn co --username [email protected] \ HINWEIS: Das Passwort ist das selbe wie in Courses. Dadurch erhalten Sie im Verzeichnis cs231 die folgenden Unterverzeichnisse und Dateien libgravis: libvistest: test: blatt1: Matrix-, Vektor- und Bildverarbeitungsroutinen Test-Framework Beispielprogramm zum Testen der Installation Testumgebung und Framework für das Lösen der Aufgaben Installation Erzeugen Sie die Dokumentation mit folgenden Befehlen: cd libgravis/doc doxygen Nach dem generieren der Dokumentation können Sie diese im Browser anschauen (html/index.html). Kompilieren Sie danach das Beispielprogramm in test. Es sollte beim Ausführen einige Testbilder anzeigen. cd test qmake make./cs231-test Sollte die Installation fehlschlagen, überprüfen Sie, dass Sie alle Software korrekt installiert haben. Entwicklung Zum Entwickeln Ihrer Programme kopieren Sie das Verzeichnis für das jeweilige Blatt blattx in ihr Gruppenverzeichnis gy und committen Sie die Änderung. Verwenden Sie dazu folgende Befehle:

3 svn cp blattx gy/ cd gy svn commit -m "BlattX angefangen" 3 HINWEIS: Sie haben zuerst nur Leserechte. Nach der Einteilung in Gruppen erhalten Sie Schreibrechte für ihren Gruppenordner. Sie werden individuell informiert sobald der Zugang zur Verfügung steht. Dadurch erhalten Sie im Laufe der Vorlesung folgende Verzeichnistruktur in Ihrem Gruppenverzeichnis: gy: Gruppenverzeichnis blatt1 blatt2 blatt3 blatt4 blatt5 blatt6 data: Testdaten Danach initialisieren Sie die Build-Umgebung des Testprogramms und überprüfen, ob sich das Program kompilieren lässt. cd gy/blattx qmake make./cs231-blattx Für jeden Test wird im rechten Fenster das zu erreichende Ziel dargestellt. Das linke Fenster ist noch schwarz, da Sie die nötigen Algorithmen noch nicht implementiert haben. Die Basisfunktionalität zur Bearbeitung von Bildern und zum Rechnen mit Matrizen und Vektoren finden Sie in der Bibliothek libgravis. Schauen Sie sich die Dokumentation unter libgravis/doc/ an, nachdem Sie diese wie oben beschrieben erzeugt haben. Auf den Übungsblättern sind für jede Aufgabe die benötigten Dateien angegeben. Obwohl die Klassenstruktur vorgegeben ist, kann es nützlich sein, weitere Methoden zu erstellen.

4 Computer Graphik (CS231) Projektübungsblatt 1 4 Ausgabe in Woche 8 ( ). Vorführung der laufenden Programme im Tutorium Woche 11 ( ). Zu erreichende Mindestpunktzahl: 13 von 26 Punkten Ziel dieses Blattes ist es, in der Vorlesung vorgestellte Algorithmen zum Zeichnen von Dreiecken und Linien in 2D zu implementieren. Dazu werden wir die abgebildete Klassenstruktur verwenden. Die Klassen sind so entworfen, dass sie im weiteren Verlauf dieser Übungen verwendet werden können. Die Klassenstruktur ist gegeben Ihre Aufgabe ist es, die fehlenden Rasteralgorithmen zu implementieren. Die Algorithmen sollen in den Klasse Rasterizer und StateMachineRenderer implementiert werden. Der Rasterizer verwendet den StateMachineRenderer als einen PixelShader. Der StateMachineRenderer ist das zum Zeichnen verwendete Interface, das den Rasterizer zum Rastern verwendet. Die Basisfunktionalität ist schon implementiert, Sie müssen nur noch das Shading und Rastern implementieren. Stellen, an denen Sie Code einfügen müssen, sind durch // Insert Code Here markiert. Aufgabe ein paar Vorbereitungen (6 Punkte ) Vervollständigen Sie die Klasse StateMachineRenderer, die das PixelShader-Interface implementiert. Diese Klasse dient auf diesem Aufgabenblatt dazu, einzelne Pixel eines Bildes auf bestimmte Farbwerte zu setzen und wird in späteren Aufgabenblättern weiter ausgebaut. Der StateMachineRenderer verwendet die Klasse gravis::timage als Framebuffer.

5 Hier einige wichtige Methoden der Klasse StateMachineRenderer: 5 die Methode getframebuffer() liefert das gespeicherte Bild als timage<frgb>. Um innerhalb der Klasse StateMachineRenderer in den Framebuffer zu schreiben, können Sie direkt auf die Variable framebuffer zugreifen. die Methode clear(..) löscht alle Buffer. die Methode setlinecolor(..) bekommt zwei frgb-objekte übergeben. Diese dienen dazu die Farben für die Anfangs- und Endpunkte der Linien zwischenzuspeichern. Diese beiden Farbwerte werden in einer member-variable frgb linecolor[2] der Klasse gespeichert. die Methode settrianglecolor(..) setzt analog die drei Eckfarben eines Dreicks (in frgb trianglecolor[3]). die Methoden drawline(..) und drawtriangle(..) rufen den Rasterizer auf, welcher die zu zeichnenden Pixel bestimmt. Für jeden Pixel ruft der Rasterizer den PixelShader auf, welcher dann die Farbe des Pixels berechnet und im Framebuffer setzt. Als PixelShader dient in diesem Fall der StateMachineRenderer. Analog zur Dokumentation von libgravis können Sie die Dokumentation zu Blatt1 erzeugen, indem Sie in blatt1/doc doxygen ausführen. Dort finden Sie dann alle Klassenvariablen und Methoden von StateMachineRenderer, PixelShader und Rasterizer. Alternativ können Sie auch direkt in den Header-Files nachschauen. Folgende Methoden müssen noch implementiert werden: durch setframebuffersize(..) wird die Grösse des Bildes festgelegt. die Methode shadetrianglepixel(..) setzt den Pixel an der Position x, y im Bild auf den aus den Eckfarben interpolierten Farbwert: c(x, y) = λ 0 c t 0 + λ 1 c t 1 + λ 2 c t 2 die Methode shadelinepixel(..) setzt den Pixel an der Position x, y im Bild auf den aus den beiden Endpunkten interpolierten Farbwert: blatt1/src/statemachinerenderer.cpp c(x, y) = λ 0 c l 0 + λ 1 c l 1 Aufgabe 2 - Linie zeichnen (6 Punkte) Implementieren Sie die Funktion rasterline(..) der Klasse Rasterizer, die eine Linie in einen PixelShader zeichnet. Es sollen dabei ausschliesslich Methoden des In-

6 terfaces PixelShader eingesetzt werden, um auf das Bild zuzugreifen. Verwenden Sie dazu den Bresenham-Algorithmus (s. Vorlesung). Testen Sie Ihre Implementierung mit den zur Verfügung gestellten Tests. blatt1/src/rasterizer.cpp 6 Aufgabe 3 - Gefüllte Dreiecke zeichnen (6 Punkte ) Implementieren Sie die Funktion rastertriangle(..) der Klasse Rasterizer, die analog zur Linie ein ausgefülltes Dreieck in einen PixelShader zeichnet. Dabei können Sie eines der in der Vorlesung vorgestellte Verfahren einsetzen. Zum Interpolieren der Farbe innerhalb des Dreiecks werden die baryzentrischen Koordinaten benötigt. Punkte p innerhalb eines Dreiecks ( a, b, c) lassen sich mit Hilfe der baryzentrischen Koordinaten darstellen als p = λ 0 a + λ 1 b + λ2 c mit 0 λ i 1; i {0, 1, 2} und i {0,1,2} λ i = 1. Testen Sie Ihre Klasse mit den zur Verfügung gestellten Tests. Tipp: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die baryzentrischen Koordinaten zu berechnen. blatt1/src/rasterizer.cpp Aufgabe 4 - Clipping (4 Punkte) Implementieren Sie die Funktionen aus Aufgaben 2 und 3 so, dass Sie auch funktionieren, wenn Koordinaten ausserhalb der Grösse des Framebuffers angegeben werden (Clipping; siehe Vorlesung). Testen Sie Ihre Implementierung mit dem zur Verfügung gestellten Test (Clipping). blatt1/src/rasterizer.cpp Aufgabe 5 - Warp (4 Punkte) (a) Implementieren Sie die Methode forwardwarp(), die einen Vorwärts-Warp auf

7 einem Bild durchführt. Verweden Sie dabei Ihre Methode zum Rastern von Dreiecken aus Blatt 1. (b) Wie können beliebige Mischungsverhältnisse λ Thomas + (1 λ)annette bezüglich Form und Farbwerten erreicht werden? Implementieren Sie dies in der Methode morph(). Für Werte λ < 0 und λ > 1 erhält man Karrikaturen, die alle Merkmale verstärken, in denen sich das eine Bild vom anderen unterscheidet. Das Ergebnis können Sie mit dem Testprogramm überprüfen. blatt1/include/timage/warp.h 7