1.4.4 Операции
обработки вершин
Для данных по вершинам
следующей является стадия "операций
обработки вершин", которая преобразовывает
вершины в примитивы. Некоторые типы данных
по вершинам (например, пространственные
координаты) преобразовываются в матрицы
чисел с плавающей точкой размером 4x4.
Пространственные координаты проецируются
из положения в трехмерном пространстве
в положение на вашем экране.
Если разрешено использование
расширенных функциональных возможностей,
то данная стадия обработки данных еще
более насыщена. Если используется наложение
текстур, то на этой стадии могут быть
сгенерированы и преобразованы координаты
текстуры. Если разрешено освещение, то
здесь выполняются вычисления параметров
освещения, для чего используются преобразованные
вершины, нормаль к поверхности, положение
источника освещения, свойства материала
и другая информация освещения, необходимая
для получения значения цвета.
1.4.5 Сборка
примитивов
Операция отсечения,
основная часть сборки примитивов, представляет
собой удаление частей геометрии, которые
выходят за пределы полупространства,
определенного некоторой плоскостью.
При отсечении точек просто пропускаются
или отбрасываются вершины; при отсечении
линий или многоугольников могут добавляться
дополнительные вершины в зависимости
от того, как отсекается линия или многоугольник.
В некоторых случаях
этот процесс сопровождается перспективным
делением, которое заставляет удаленные
геометрические объекты казаться меньше,
чем более близкие объекты. После этого
применяются операции получения окна
просмотра (Viewport) и глубины (г-координата).
Если отбраковка разрешена, и данный примитив
представляет собой многоугольник, тогда
он может быть отброшен в процессе выполнения
теста на отбраковку. В зависимости от
способа построения многоугольник может
быть выведен на экран в виде точек или
в виде линий.
Результатом выполнения
этой стадии являются законченные геометрические
примитивы, которые представляют собой
преобразованные и отсеченные вершины
и связанные с ними значения цвета, глубины
и иногда координаты текстур, а также указания
для выполнения стадии растеризации.
1.4.6 Операции
обработки пикселей
В то время как геометрические
данные следуют одним путем по конвейеру
визуализации OpenGL, пиксельные данные следуют
другим маршрутом. Пиксели из определенного
массива в системной памяти сначала распаковываются
из какого-либо одного из множества форматов
в надлежащее количество компонентов.
Затем эти данные масштабируются, смещаются
и обрабатываются посредством карты элементов
отображения. После этого результаты фиксируются
и либо записываются в область памяти,
выделенную под текстуры, либо передаются
на стадию растеризации. (См. раздел "Конвейер
отображения" в Главе 8.)
Если пиксельные данные
считываются из буфера кадра, то выполняются
операции по передаче пикселя (масштабирование,
смещение, отображение и фиксация). Затем
полученные результаты упаковываются
в соответствующий формат и возвращаются
в некоторый массив системной памяти.
Существуют специальные
операции копирования пикселей для копирования
данных из буфера кадра в другие части
буфера кадра или в область памяти, выделенную
для текстур. Выполняется однопроходная
реализация операций при передаче пикселя,
а затем данные записываются в область
памяти, выделенную для текстур или обратно
в буфер кадра.
1.4.7 Сборка
текстуры
OpenGL-приложения могут
накладывать изображения текстуры на
геометрические объекты для того, чтобы
сделать их вид более реалистичным. Если
используется несколько изображений текстуры,
то весьма разумно будет поместить их
в объекты текстуры для упрощения переключения
между ними.
Некоторые реализации
библиотеки OpenGL могут иметь специальные
ресурсы для ускоренного выполнения операций
над текстурами. Это может быть реализовано
как специализированная, высокопроизводительная
область памяти, выделенная для текстур.
Если такая память доступна, объекты текстуры
могут быть упорядочены по приоритетам
для облегчения управления этим ограниченным
и ценным ресурсом.
1.4.8. Растеризация
Растеризация представляет
собой преобразование как геометрических,
так и пиксельных данных во фрагменты.
Каждый квадратный фрагмент соответствует
определенному пикселю в буфере кадра.
Штриховка линий и многоугольников, ширина
линии, размер точки, модель закраски и
вычисления покрытия, необходимые для
поддержки сглаживания, учитываются как
вершины, которые соединяются в линии,
или как внутренние пиксели, рассчитанные
для закрашенного многоугольника. Значения
цвета и глубины назначаются для каждого
квадратного фрагмента.
1.4.9 Операции
обработки фрагментов
Прежде чем значения
фактически сохраняются в буфере кадра,
выполняется ряд операций, в результате
чего фрагменты могут быть изменены или
даже отброшены. Все эти операции могут
быть включены или отключены.
Первой операцией,
с которой можно столкнуться, является
наложение текстур. Эта операция заключается
в том, что тексель (элемент текстуры) генерируется
из памяти текстур для каждого фрагмента
и применяется к конкретному фрагменту.
После этого могут применяться вычисления
тумана, которые сопровождаются тестом
ножниц, альфа-тестом, тестом трафарета
и тестом буфера глубины (тест буфера глубины
представляет собой удаление невидимых
поверхностей). Неудачное завершение включенного
теста может прекратить длительную обработку
квадрата фрагмента. Затем могут быть
выполнены операции смешивания цветов,
псевдосмешивания (размывания) цветов
для передачи полутонов, логической обработки
и маскирования с помощью битовой маски.
Наконец, полностью обработанный фрагмент
выводится в соответствующий буфер, где
он окончательно превращается в пиксель
и достигает своего конечного местоположения.
2 Библиотеки,
относящиеся к OpenGL
2.1 Библиотека
OpenGL
Библиотека OpenGL предоставляет
мощный, но примитивный набор команд визуализации,
и все изображения более высокого уровня
должны быть созданы с использованием
именно этих команд. Кроме этого OpenGL-программы
должны использовать основные механизмы
системы управления окнами. Существует
несколько библиотек, которые позволяют
упростить решение ваших задач в области
программирования. В число этих библиотек
входят следующие:
Библиотека утилит
OpenGL (GLU — OpenGL Utility Library) содержит несколько
подпрограмм, которые используют OpenGL-команды
низкого уровня для выполнения таких задачи,
как установка матриц для определенного
ориентирования и проецирования просмотра,
выполнение тесселяции многоугольников(разбиение
произвольного многоугольника на выпуклые
многоугольники) и визуализация поверхности.
Эта библиотека предоставляется в качестве
составной части каждой реализации библиотеки
OpenGL. Составные части библиотекиGLU описываются
в Справочнике по OpenGL {OpenGL Reference Manual).
Для каждой оконной
системы существует библиотека, которая
расширяет функциональные возможности
данной оконной системы, чтобы обеспечить
поддержку визуализации OpenGL. Для вычислительных
машин, которые используют оболочку X Window
System, в качестве дополнения к библиотеке
OpenGL предоставляется Расширение библиотеки
OpenGL для оболочки X Window System(GLX — OpenGL Extension
to the X Window System). Подпрограммы GLX используют
префикс glX. Для операционных систем Microsoft
Windows 95/98/NT интерфейс операционной системы
Windows к библиотеке OpenGL обеспечивается
подпрограммами библиотеки WGL. Все подпрограммы
WGL используют префикс wgl.
Для операционной системы
OS/2 корпорации IBM используются PGL —интерфейс
Администратора представлений (Presentation
Manager) к библиотеке OpenGL, и его подпрограммы
используют префикс pgl. Для компьютеров
фирмы Apple интерфейсом для графических
систем, поддерживающих библиотеку OpenGL,
является AGL, и подпрограммы AGL используют
префикс agl.
Все эти библиотеки
расширения оконных систем более подробно
описываются в Приложении С. Кроме этого,
подпрограммы GLX также описываются в Справочнике
по OpenGL.
Инструментарий утилит
библиотеки OpenGL (GLUT — Graphics Library UtilityToolkit)
представляет собой независимый от оконной
системы инструментарий, написанный Марком
Килгардом (Mark Kilgard) для того, чтобы скрыть
сложность программного интерфейса прикладных
программ (API — ApplicationProgramming Interface) различных
оконных систем. Инструментарий GLUT является
предметом следующего раздела, но более
подробно он описывается в книге Марка
Килгарда OpenGL Programming for the X Window System (ISBN 0-201-48359-9).
Подпрограммы GLUT используют префикс glut
FSG (Fahrenheit Scene Graph) представляет
собой объектно-ориентированный набор
инструментальных средств, основанный
на библиотеке OpenGL и предоставляющий объекты
и методы для создания интерактивных трехмерных
графических прикладных программ. FSG написан
на языке программирования C++,содержит
предварительно подготовленные объекты
и встроенную модель обработки событий
при взаимодействии с пользователем, компоненты
прикладных программ высокого уровня
для создания и редактирования трехмерных
сцен и возможности для обмена данными
в других графических форматах. FSG не зависим
от OpenGL.
2.2. Подключаемые
файлы
Для всех OpenGL-приложений
вы можете подключить заголовочный файл
gl.h в каждый файл проекта. Почти все OpenGL-приложения
используют GLU, вышеупомянутую Библиотеку
утилит OpenGL, которая требует включения
заголовочного файла glu.h. Так что почти
каждый исходный файл OpenGL-приложения начинается
со следующих строк:
#include <gi/gl.h> «include
<gl/glu.h>
Операционная система
Microsoft Windows требует, чтобы заголовочный
файл windows.h был включен до подключения
заголовочных файлов gl.h или glu.h, поскольку
некоторые макрокоманды, определенные
в Microsoft Windows-версиях заголовочных файлов
gl.h и glu.h, определяются в заголовочном
файле windows.h.
Если вы обращаетесь
непосредственно к библиотеке оконного
интерфейса, которая обеспечивает поддержку
OpenGL, например, к библиотеке GLX, AGL, PGL или
WGL, то необходимо включить дополнительные
заголовочные файлы. Например, если вы
вызываете библиотеку GLX, то, возможно,
потребуется добавить к вашему программному
коду строки, приведенные ниже:
«include <X11/Xlib.h> «include
<GL/glx.h>
В операционной системе
Microsoft Windows для подключения подпрограмм
WGL следует добавить к вашему программному
коду следующую строку:
«include <windows.h>
(и строку
#include <GL/glaux.h>
если вам нужны расширенные
возможности OpenGL. Примечание научн. редактора.)
Если вы используете
библиотеку GLUT для управления задачами
оконного менеджера, то необходимо будет
включить следующую строку:
#include <GL/glut.h>
Большинство OpenGL-приложений
также используют системные вызовы для
стандартной библиотеки языка программирования
С, поэтому обычно следует включать заголовочные
файлы, не связанные с обработкой графики
(если вы программируете консольное \Ут32-приложение
на языке программирования С/С-н— прим.
научн. ред.), такие как:
#include <stdlib.h> #include
<stdio.h>
2.3 GLUT, инструментарий
утилит библиотеки OpenGL
2.3.1. Инструментарий
библиотек
Как вы уже знаете,
библиотека OpenGL содержит команды визуализации,
однако она разрабатывалась таким образом,
чтобы быть независимой от любой конкретной
оконной или операционной системы. Следовательно,
эта библиотека не содержит никаких команд
для открытия окон или считывания событий
от клавиатуры или мыши. К сожалению, невозможно
написать законченную графическую программу,
не открывая, по крайней мере, одно окно,
а наиболее интересные программы требуют
определенного объема обработки данных,
вводимых пользователем, или других услуг
от оконной или операционной системы.
Во многих случаях законченные программы
дают наиболее интересные примеры, поэтому
настоящая книга использует библиотеку
GLUT для того, чтобы упростить процедуры
открытия окон, обнаружения ввода данных
пользователем и т.д. Если на вашей системе
имеется реализация библиотеки OpenGL и инструментария
GLUT, то примеры, приведенные в данной книге,
должны работать без изменений при связывании
с вашими библиотеками OpenGL и GLUT.
Кроме того, поскольку
состав команд рисования в библиотеке
OpenGL ограничен только командами, которые
генерируют простые геометрические примитивы
(точки, линии и многоугольники), библиотека
GLUT включает несколько подпрограмм, создающих
более сложные трехмерные объекты, такие
как сфера, тор и чайник. Таким образом,
можно получить для просмотра достаточно
интересные кадры вывода программы. (Обратите
внимание на то, что Библиотека утилит
OpenGL, GLU, также имеет в своем составе подпрограммы
построения двумерных поверхностей, которые
создают некоторые трехмерные объекты,
такие же, как и те, которые создает инструментарий
GLUT, в том числе сферу, цилиндр или конус.)
Инструментарий GLUT
может быть не достаточным для полнофункциональных
OpenGL-приложений, но он может оказаться
хорошей отправной точкой для изучения
OpenGL. Остальная часть настоящего раздела
кратко описывает небольшое подмножество
подпрограмм библиотеки GLUT таким образом,
чтобы вы смогли разобраться с примерами
программирования в остальной части данной
книги.
2.3.2 Управление
окнами
Пять подпрограмм инструментария
GLUT выполняют задачи, необходимые для
того, чтобы инициализировать окно.
Подпрограмма glutlnit(int
*argc, char **argv) инициализирует библиотеку
GLUT иобрабатывает любые аргументы командной
строки (для оболочки X WindowSystem это могли
бы быть такие опции, как -display и -geometry).
Подпрограмма glutlnit() должна быть вызвана
перед любой другой подпрограммой библиотеки
GLUT.
Подпрограмма glutInitDisplayMode(unsigned
int mode) определяет, какую цветовую модель
следует использовать: режим RGBA или режим
индексации цвета. Можно также определить,
хотите ли вы работать с буфером кадра
окна с одинарной или с двойной буферизацией.
(Если вы работаете в режиме индексации
цвета, то вы, возможно, захотите загрузить
некоторые цвета в таблицу компонентов
цвета; для того чтобы сделать это, воспользуйтесь
командой glutSetColor().) Наконец, можно использовать
эту подпрограмму для того, чтобы указать,
что вы хотите связать с данным окном буферы
глубины, трафарета и/или буфер-накопитель.
Например, если вы хотите использовать
окно с двойной буферизацией, цветовой
моделью RGBA и буфером глубины, то для этого
можно вызвать рассматриваемую подпрограмму
со следующими параметрами: g\utlnitmsv\&yMote{GLUT_DOUBLE\
GLUT^RGB \ GLUTJ)EPTH).
Подпрограмма glutInitWindowPosition(int
х, int у) определяет местоположение левого
верхнего угла создаваемого окна на экране
монитора.
Подпрограмма glutInitWindowSize(int
width, int size) определяет размер создаваемого
окна в пикселях.
Подпрограмма int glutCreateWindow(char
*string) создает окно с контекстомOpenGL. Эта
подпрограмма возвращает уникальный идентификатор
для нового окна. Имейте в виду: до тех
пор, пока вызывается подпрограмма glutMainLoopO,
это окно еще не отображается на экране.