Введение
OpenGL является на данный момент одним из самых популярных программных интерфейсов (API) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики. Стандарт OpenGL был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения, а его основой стала библиотека IRIS GL, разработанная Silicon Graphics.

На данный момент реализация OpenGL включает в себя несколько библиотек (описание базовых функций OpenGL, GLU,GLUT,GLAUX и другие), назначение которых будет описано ниже.

Что такое OpenGL?

С точки зрения программиста, OpenGL – это набор команд, которые описывают геометрические объекты и способ их отображения на экране. В большинстве случаев OpenGL предоставляет непосредственный интерфейс, т.е. определение объекта вызывает его визуализацию в буфере кадра.

Типичная программа, использующая OpenGL начинается с определения окна, в котором будет происходить отображение. Затем создается контекст OpenGL и ассоциируется с этим окном. Далее программист может свободно использовать команды и операции OpenGL API. Часть команд используются для рисования простых геометрических объектов (т.е. точек, линий, многоугольников), тогда как другие задают режимы отображения этих примитивов. Например, можно задать режимы заливки цветом, отображение из трехмерной системы координат в экранную систему. Есть возможности для прямого контроля над буфером кадра, такие как чтение и запись пикселей.

С точки зрения разработчика, OpenGL - это набор команд, которые управляют использованием графической аппаратуры. Если аппаратура состоит только из адресуемого буфера кадра, тогда OpenGL должен быть реализован полностью с использованием ресурсов центрального процессора. Обычно графическая аппаратура предоставляет различные уровни ускорения: от аппаратной реализации вывода линий и полигонов до изощренных графических процессоров с поддержкой различных операций над геометрическими данными.

OpenGL является прослойкой между аппаратурой и пользовательским уровнем. Это дает возможность использовать единый интерфейс для разных платформ, при этом получая оптимальную производительность с использованием аппаратной поддержки.

Вообще, OpenGL можно сравнить с конечным автоматом, состояние которого определяется множеством значений специальных переменных (их имена обычно начинаются с символов GL_) и значениями текущей нормали, цвета и координат текстуры. Все эта информация будет использована при поступлении в систему координат вершины для построения фигуры, в которую она входит. Смена состояний происходит с помощью команд, которые оформляются как вызовы функций.

Характерными особенностями OpenGL, которые обеспечили распространение и развитие этого графического стандарта, являются:

Стабильность

Дополнения и изменения в стандарте реализуются таким образом, чтобы сохранить совместимость с разработанным ранее программным обеспечением.

Надежность и переносимость

Приложения, использующие OpenGL, гарантируют одинаковый визуальный результат вне зависимости от типа используемой операционной системы и организации отображения информации. Кроме того, эти приложения могут выполняться как на персональных компьютерах, так и на рабочих станциях и суперкомпьютерах.

Легкость применения

Стандарт OpenGL имеет продуманную структуру и интуитивно понятный интерфейс, что позволяет с меньшими затратами создавать эффективные приложения, содержащие меньше строк кода, чем с использованием других графических библиотек. Необходимые функции для обеспечения совместимости с различным оборудованием реализованы на уровне библиотеки и значительно упрощают разработку приложений.

Основные возможности

q Набор базовых примитивов: точки, линии, многоугольники и т.п.

q Видовые и координатные преобразования

q Удаление невидимых линий и поверхностей (z-буфер)

q Использование сплайнов для построения линий и поверхностей

q Наложение текстуры и применение освещения

q Добавление специальных эффектов: тумана, изменение прозрачности, смешивание цветов (blending), устранение ступенчатости (anti-aliasing).

Как уже было сказано, существует реализация OpenGL для разных платформ, для чего было удобно разделить базовые функции графической системы и функции для отображения графической информации и взаимодействия с пользователем. Были созданы библиотеки для отображения информации с помощью оконной подсистемы для операционных систем Windows и Unix (WGL и GLX соответственно), а также библиотеки GLAUX и GLUT, которые используются для создания так называемых консольных приложений.

Библиотека GLAUX уступает по популярности написанной несколько позже библиотеке GLUT, хотя они предоставляют примерно одинаковые возможности. В дальнейшем в данном пособии в качестве основной будет рассматриваться библиотека GLUT, предоставляющая широкий набор средств взаимодействия с пользователем.

В состав библиотеки GLU вошла реализация более сложных функций, таких как набор популярных геометрических примитивов (куб, шар, цилиндр, диск), функции построения сплайнов, реализация дополнительных операций над матрицами и т.п. Все они реализованы через базовые функции OpenGL.

Основы OpenGL
С точки зрения архитектуры графическая система OpenGL является конвейером, состоящим из нескольких этапов обработки данных:

q Аппроксимация кривых и поверхностей

q Обработка вершин и сборка примитивов

q Растеризация и обработка фрагментов

q Операции над пикселями

q Подготовка текстуры

q Передача данных в буфер кадра

GL обрабатывает и выводит так называемые примитивы (primitive) с учетом некоторого числа выбранных режимов. Каждый примитив – это точка, отрезок, многоугольник и т.д. Каждый режим может быть изменен независимо от других. Определение примитивов, выбор режимов и другие операции описывается с помощью команд в форме вызовов процедур.

Примитивы определяются набором из одной или более вершин (vertex). Вершина определяет точку, конец грани, угол многоугольника. С каждой вершиной ассоциируются некоторые данные (координаты, цвет, нормаль, текстурные координаты). В подавляющем большинстве случаев каждая вершина обрабатывается независимо от других.

Команды OpenGL всегда обрабатываются в том порядке, в котором они поступают, хотя могут происходить задержки перед тем, как проявится эффект от их выполнения.

Синтаксис команд

Для обеспечения интуитивно понятных названий в OpenGL полное имя команды имеет вид:

type glCommand_name[1 2 3 4][b s i f d ub us ui][v] (type1 arg1,…,typeN argN)

Таким образом, имя состоит из нескольких частей:

gl это имя библиотеки, в которой описана эта функция: для базовых функций OpenGL, функций из библиотек GLU, GLUT, GLAUX это gl, glu, glut, aux соответственно.

Command_name имя команды

[1 2 3 4] число аргументов команды

[b s i f d ub us ui] тип аргумента: символ b означает тип GLbyte (аналог char в С\С++), символ f – тип GLfloat (аналог float), символ i – тип GLint (аналог int) и так далее. Полный список типов и их описание можно посмотреть в файле gl.h

[v] наличие этого символа показывает, что в качестве параметров функции используется указатель на массив значений

Символы в квадратных скобках в некоторых названиях не используются. Например, команда glVertex2i() описана как базовая в библиотеке OpenGL, и использует в качестве параметров два целых числа, а команда glColor3fv() использует в качестве параметра указатель на массив из трех вещественных чисел.

Структура консольного приложения
Будем рассматривать построение консольного приложения при помощи библиотеки GLUT или GL Utility Toolkit, получившей в последнее время широкое распространение. Эта библиотека обеспечивает единый интерфейс для работы с окнами вне зависимости от платформы, поэтому описываемая ниже структура приложения остается неизменной для операционных систем Windows, Linux и многих других.

Функции GLUT могут быть классифицированы на несколько групп по своему назначению:

q Инициализация

q Начало обработки событий

q Управление окнами

q Управление меню

q Регистрация вызываемых (callback) функций

q Управление индексированной палитрой цветов

q Отображение шрифтов

q Отображение дополнительных геометрических фигур (тор, конус и др.)

Инициализация проводится с помощью функции

glutInit (int *argcp, char **argv)

Переменная argcp есть указатель на стандартную переменную argc описываемую в функции main(), а argv – указатель на параметры, передаваемые программе при запуске, который описывается там же. Эта функция проводит необходимые начальные действия для построения окна приложения, и только несколько функций GLUT могут быть вызваны до нее. К ним относятся:

glutInitWindowPosition (int x, int y)

glutInitWindowSize (int width, int height)

glutInitDisplayMode (unsigned int mode)

Первые две функции задают соответственно положение и размер окна, а последняя функция определяет различные режимы отображения информации, которые могут совместно задаваться с использованием операции побитового “или” ( “ | “ ) :

GLUT_RGBA Режим RGBA. Используется по умолчанию, если не указаны явно режимы GLUT_RGBA или GLUT_INDEX.

GLUT_RGB То же, что и GLUT_RGBA.

GLUT_INDEX Режим индексированных цветов (использование палитры). Отменяет GLUT_RGBA.

GLUT_SINGLE Окно с одиночным буфером. Используется по умолчанию.

GLUT_DOUBLE Окно с двойным буфером. Отменяет GLUT_SINGLE.

GLUT_STENCIL Окно с трафаретным буфером.

GLUT_ACCUM Окно с буфером накопления.

GLUT_DEPTH Окно с буфером глубины.

Это неполный список параметров для данной функции, однако для большинства случаев этого бывает достаточно.

Двойной буфер обычно используют для анимации, сначала рисуя что-нибудь в одном буфере, а затем меняя их местами, что позволяет избежать мерцания. Буфер глубины или z-буфер используется для удаления невидимых линий и поверхностей.

Работа с трафаретным буфером и буфером накопления описана в разделе Спецэффекты.

Функции библиотеки GLUT реализуют так называемый событийно-управляемый механизм. Это означает, что есть некоторый внутренний цикл, который запускается после соответствующей инициализации и обрабатывает, один за другим, все события, объявленные во время инициализации. К событиям относятся: щелчок мыши, закрытие окна, изменение свойств окна, передвижение курсора, нажатие клавиши, и "пустое" (idle) событие, когда ничего не происходит. Для проведения периодической проверки совершения того или иного события надо зарегистрировать функцию, которая будет его обрабатывать. Для этого используются функции вида:

void glutDisplayFunc (void (*func) (void))

void glutReshapeFunc (void (*func) (int width, int height))

void glutMouseFunc (void (*func) (int button, int state, int x, int y))

void glutIdleFunc (void (*func) (void))

То есть параметром для них является имя соответствующей функции заданного типа. С помощью glutDisplayFunc() задается функция рисования для окна приложения, которая вызывается при необходимости создания или восстановления изображения. Для явного указания, что окно надо обновить, иногда удобно использовать функцию

void glutPostRedisplay (void)

Через glutReshapeFunc() устанавливается функция обработки изменения размеров окна пользователем, которой передаются новые размеры.

glutMouseFunc() определяет обработчика команд от мыши, а glutIdleFunc() задает функцию, которая будет вызываться каждый раз, когда нет событий от пользователя.

Контроль всех событий происходит внутри бесконечного цикла в функции

void glutMainLoop (void)

которая обычно вызывается в конце любой программы, использующей GLUT. Структура приложения, использующего анимацию, будет следующей:

#include <GL/glut.h>

void MyIdle(void)

{

/*Код, который меняет переменные, определяющие следующий кадр */

…

};

void MyDisplay(void)

{

/* Код OpenGL, который отображает кадр */

…

/* После рисования переставляем буфера */

glutSwapBuffers();

};

void main(int argcp, char **argv)

{

/* Инициализация GLUT */

glutInit(&argcp, argv);

glutInitWindowSize(640, 480);

glutInitWindowPosition(0, 0);

/* Открытие окна */

glutCreateWindow("My OpenGL Application");

/* Выбор режима: двойной буфер и RGBA цвета */

glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH);

/* Регистрация вызываемых функций */

glutDisplayFunc(MyDisplay);

glutIdleFunc(MyIdle);

/* Запуск механизма обработки событий */

glutMainLoop();

};

В случае если приложение должно строить статичное изображение, можно заменить GLUT_DOUBLE на GLUT_SINGLE, так как одного буфера в этом случае будет достаточно, и убрать вызов функции glutIdleFunc().