Curso de OpenGL Verano de 2012 40 hrs. de adrenalina 3D M.C. Luis A. Zarza López.

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1 Curso de OpenGL Verano de 2012 40 hrs. de adrenalina 3D M.C. Luis A. Zarza López

2 Cómo saldremos De aquí saldremos: FlipandoAlucinando Con la mirada perdida en el infinito Queriendo simular o graficar todo O de plano es que que no entendimos nada

3 Objetivos En este curso se introducirá a los participantes a las técnicas básicas para modelar en 2D y 3D con OpenGL, incluyendo animación, manejo de luces, colores y materiales En estas 40 horas: estarán listos para ponerse a programar aplicaciones 2D y 3D interactivas. Se les presentará el software libre necesario y se les facilitará plantillas para el desarrollo de aplicaciones simples.

4 Contenido del curso

5 Panorama de bibliotecas gráficas

6 1.1 El entorno gráfico Cada sistema operativo ofrecía sus gráficas por software El HW para gráficas requería sus propias bibliotecas Las gráficas avanzadas eran complejas

7 1.2 Soluciones GKS Primera plataforma, introducida en 1977. PHIGS Plataforma gráfica montada sobre Xwindow, surgida a principios de los 80’s, disponible de manera separada en sistemas DEC, Sun y otros. Estandarizada en ANSI, FIPS e ISO en 1989. OpenGL Direct3D, lanzado por Microsoft en 1995, siendo el principal competidor de OpenGL, pero limitado a plataformas de MS. VRML Diseñado para ser utilizado en la Web, con éxito limitado. WebGL También para ser utilizado en la Web, basado en JavaScript.

8 2. Historia de OpenGL Principios de los 90s: IRIS GL, desarrollado para las estaciones de trabajo de Silicon Graphics (SGI), compitiendo con PHIGS y superándolo. En 1992 SGI decidió convertirlo en estándar abierto para establecer su influencia en el mercado (abierto no significa gratuito ni código abierto). Se delegó las funciones para ventanas al sistema oerativo. Nació OpenGL. En 1993 surge Mesa, que es la versión abierta y libre de OpenGL.

9 3. Características, alcances y beneficios de OpenGL

10 3.1 ¿Qué es OpenGL? OpenGL es una especificación estándar que define un API para el desarrollo de aplicaciones para generar gráficas 2D y 3D. Soporta: Diferentes plataformas (Linux, Mac, Windows,etc.) Diferentes lenguajes (C,C++,Pascal,Java,etc.) Diferentes compiladores Diferentes tipos de computadoras (PCs, PDAs, celulares,etc.) Consiste en bibliotecas de funciones.

11 3.2 Beneficios de OpenGL Permite la producción de código ejecutable independiente (pero requiere que exista soporte nativo para OpenGL, ya sea en hardware o software) Muy universal Soportado completamente por aceleradores gráficos.

12 4. Arquitectura de bibliotecas de apoyo en OpenGL Y otros elementos necesarios

13 4.1 Componentes adicionales a OpenGL GLU Utilerías diversas complementarias Manejadores de ventanas GLUTGlutOpenGlutFreeGlutGLAUX Más elementos interactivos GLUI: Botones, controles, barras, etc. OpenAU: Para manejo de sonidos. Combinación básica recomendada: OpenGL, GLU, GLUT

14 4.2 Herramientas del curso Conocimientos previos CompiladorBibliotecas Computadora con Windows No olvidar que OpenGL es abierto en el sentido de que está disponible para muchas plataformas, y casi con el mismo código (aplican restricciones).

15 4.3 Compilador para este taller: DevC++ Gratuito y abierto, aunque ya no se esté actualizando. Fácil de instalar y usar (existe versión para usar en memoria USB). Módulos fáciles de incorporar e incluyen plantillas. También existe para Linux, pero aún no es muy confiable.

16 4.4 Conocimientos previos Programación en lenguaje C OpenGL está disponible para casi cualquier lenguaje, pero nos basaremos en éste, por ser poderoso. Geometría y trigonometría Imaginación espacial Parece broma, pero a mucha gente le cuesta trabajo crear modelos 3D en su mente para luego implantarlos.

17 5. Estructura de un programa en OpenGL

18 5.1 Estructura para el S.O. Se requiere una estructura muy específica para interactuar con el Sistema Operativo, ya que depende del sistema de ventanas, entradas y salidas El Sistema Operativo debe informar al programa de eventos: Cambio de tamaño de la ventana Es necesario redibujar la ventana El usuario hizo click El usuario movió el ratón Etc.

19 5.1 Estructura general Función main: Inicializar ventana Establecer modos Crear ventana(s) Establecer callbacks (mensajes del sistema) Iniciar ciclo de operación Función display: Redibujar la escena cuando se requiera Función reshape: Recalcular razón de aspecto (proporción ancho-alto) Recalcular dimensiones Otras funciones en respuesta a callbacks idlekeyboardmouse

20 display Se invoca cada vez que se necesita una imagen fresca glClear Borrar pantalla Código o funciones para dibujar glFlush Procesar gráficos pendientes y mostrarlos

21 reshape Se ejecuta cuando se crea una ventana o cambia de tamaño Recibe como parámetros las dimensiones de la ventana Define razón de aspecto y dimensiones

22 5.2 ¡Un esqueleto! Se les ha proporcionado un programa OpenGL mínimo pero funcional para empezar a experimentar

23 6. Modelado 2D y 3D Se pueden realizar todo tipo de aplicaciones

24 6.1 Modelado 2D Todas las operaciones se hacen en 2 dimensiones En Reshape (preferentemente) se debe especificar: gluOrtho2D( izq, der, sup, inf ) Se utilizan funciones para 2D De ser necesario se pueden utilizar 3D, poniendo en 0 el valor para Z.

25 6.2 Modelado 3D Las operaciones se realizan en 3 dimensiones En Reshape (preferentemente) se debe especificar: gluPerspective( ángulo, aspecto, dist-min, dist-max ) Angulo: Es el ángulo de visión Entre más estrecho, abarca menos, pero todo aparece más grande Razón de aspecto: Relación entre ancho y alto Aspecto=1: cuadrado Distancia mínima: Objetos más cercanos serán ignorados Distancia máxima: Objetos más lejanos serán ignorados

26 7. Primitivas Algunos elementos básicos para dibujo básico

27 7.1 Colores planos (o hasta degradados) Para definir color (sin iluminación): static GLfloatrojo[] = { 1.0, 0.0, 0.0 }; glColor3fv ( rojo ); glColor3f( 1.0, 1.0, 0.0 );

28 7.2 Pa’l comienzo

29 7.3 Líneas glBegin( GL_LINES ); glVertex2i( 100, 100 ); glVertex2i( 100, 100 ); glVertex2i( 100, 500 ); glVertex2i( 100, 500 ); glVertex2i( 100, 100 ); glVertex2i( 100, 100 ); glVertex2i( 500, 100 ); glVertex2i( 500, 100 );glEnd Otros tipos de líneas: GL_LINE_STRIPGL_LINE_LOOP

30 7.4 Polígonos rellenos Estos son rellenados GL_POLYGON GL_TRIANGLES (de 3 en 3 vértices) GL_TRIANGLE_STRIP (3 primeros, y luego de 1 en 1) GL_TRIANGLE_FAN (1 vértice central, y luego de 1 en 1) GL_QUADS (de 4 en 4) GL_QUAD_STRIP (2 primeros, y luego de 2 en 2)

31 8. Transformaciones A ver, tíos, aquí la cosa se pone buena, pongan atención

32 Transformaciones (cuidado!) Ocurren sobre una matriz de transformaciones Siempre que se convierte algo de 2D a 2D y de 2D a 3D se requiere realizar multiplicaciones de matrices En OpenGL no se requiere programar estas operaciones, pero se debe mantener un ojo en las transformaciones realizadas (o se pierde uno) Las transformaciones modifican las matrices de transformaciones

33 Transformaciones La mejor manera de entenderlas es imaginar que se está transformando a un dibujante Las transformaciones son acumulativas Para evitar acumulación (limpiar toda transformación), se usa glLoadIdentity();

34 Traslación Después de esta transformación, el origen para el dibujante se ha desplazado. glTranslatef( 10.0, 5.0, 0.0 );

35 Escalamiento Después de esta transformación, las dimensiones han cambiado El dibujante se ha hecho más grande o más pequeño Este cambio puede ocurrir de manera diferente en cada eje El desplazamiento después del escalamiento se verá afectado por la nueva escala glScalef( 0.8, 1.2, 1.0 );

36 Rotación Después de esta transformación, la orientación ha cambiado El dibujante ha girado en torno a uno o más ejes El desplazamiento después de la rotación se realizará de acuerdo a la nueva orientación glRotatef( 45.0, 0.0, 0.0, 1.0 );

37 9. Proyecciones Además de movernos en la superficie o en el espacio, se necesita establecer cómo mira la cámara (o el usuario) la escena. Los elementos básicos ya los mencionamos en el punto 6. Las operaciones de proyección ocurren sobre la matriz de proyección

38 9.1 Resultado de la proyección Es importante saber que el resultado de la proyección y las transformaciones es convertir coordenadas (2D y 3D) de objetos, a coordenadas 2D de la pantalla, pues ésta siempre es plana.

39 ¡¡ Proyección 3D !! ¡¡ Proyección 3D !! Ya no es un simple lienzo para dibujar. Es necesario establecer: Modo de proyección Ubicación del observador Cada vértice es 3D Al colocar objetos en el espacio, es muy fácil perderlos (que no aparezcan en la ventana)

40 Proyección y modelado 3D Matriz de proyección glMatrixMode( GL_PROJECTION ); gluPerspective( 90.0, (float)w/(float)h, 10.0, 40.0 ); Ángulo de apertura: 90º Razón de aspecto: w/h Lo más cercano visible: 10 Lo más lejano visible: 40 Modelado glMatrixMode( GL_MODELVIEW ) glTranslatef( 0.0, 0.0, -20.0 ); Desplazo al dibujante hacia delante para que yo vea lo que dibuja

41 Proyección 3D

42 10. Búfer de profundidad En la vida real no vemos lo que se oculta.

43 10.1 Líneas y superficies ocultas Normalmente, si no se considera la profundidad, lo último que se dibuja es lo que se impone Es muy difícil organizar los objetos para que se dibujen en orden inverso a la profundidad Se requiere guardar información sobre la profundidad de cada pixel dibujado: búfer de profundidad Si un píxel nuevo es más profundo que otro anterior: no se pone Si un píxel nuevo es más cercano que otro, lo reemplaza (y se actualiza la profundidad)

44 10.2 Búfer de profundidad Al inicializar el despliegue se debe indicar la utilización del búfer: glutInitDisplayMode( GLUT_DEPTH | otros-modos ) Al borrar un lienzo, se debe borrar también el búfer de profundidad: glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT ); Al dibujar, se debe habilitar la prueba de profunidad: glDepthFunc(GL_LEQUAL);glEnable(GL_DEPTH_TEST);glClearDepth(1.0);

45 Líneas y superficies ocultas

46 11. Animación Si no se mueve, no parece vivo

47 ¡¡ Animación !! Requiere que el programa dibuje continuamente la escena, introduciendo cambios Una función (idle) será invocada continuamente Esta función definirá los cambios e invocará el refresco de pantalla main: gluIdleFunc( idle )

48 Animación Se deben usar variables globales para mantener los estados de la animación Se debe usar búfer doble: glutInitDisplayMode( GLUT_DOUBLE | otros-modos ); Búfer doble: dibujar en un lienzo mientras muestra el otro Cambio de lienzo: glutSwapBuffers();

49 12. Iluminación, materiales y vector normal Que se haga la luz

50 Iluminación Se debe establecer la ubicación de las fuentes de luz Coordenadas Vector de dirección (distancia infinita) Cada píxel en cada línea o superficie tiene un vector normal (perpendicular) El color de cada píxel se calcula de acuerdo al color del material, la luz ambiental y el ángulo de su normal con respecto a cada fuente de luz.

51 Iluminación Habilitar iluminación: glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0); Establecer posición: GLfloat light_position0[] = { 1.0, 1.0, 0.5, 0.0 }; glLightfv( GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position0 ); Establecer color de luz glLightfv( GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, azul ); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, azul );

52 Tipos de fuentes de luz

53 Material Cada objeto dibujado está asociado a un material definido por sus modos de iluminación: Color con luz ambiental Cuando no le incide la luz de alguna fuente Color con luz difusa Cuando le incide una luz de una fuente Color con luz especular Cuando el ángulo entre el observador y el píxel con el vector normal es el mismo que entre el vector normal y la fuente, y están en el mismo plano (¡como en espejo, vaya!)

54 Material y luz

55 Material Definir color de ambiente para objeto glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, gris1 ); Definir color difuso de objeto glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, gris1 ); Definir brillo de objeto glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 50.0 ); Definir color especular de objeto glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, blanco );

56 Vector normal Para cada superficie o para cada vértice se debe especificar su vector normal Si es para un vértice, se especifica justo antes. Si es para la superficie, se especifica antes de los tres vértices que lo conforman.

57 Vector normal Si se usan primitivas de objetos 3D, los vectores normales ya están calculados. Si uno traza polígonos, es necesario definir el vector normal para cada superficie, o mejor aún: para cada vértice. La magnitud del vector normal debe ser siempre 1.0. Se puede habilitar la normalización automática, y así se garantiza que siempre estarán normalizados.

58 Vector normal Si se especifican diferentes normales para un polígono, el efecto de la luz se interpola.

59 13. Aplicaciones de textos Las imágenes son geniales, pero los textos también cuentan

60 Técnicas para textos Por vectores Están sujetos a las transformaciones No se ven tan bien No maneja acentos, eñes ni otros símbolos Por mapa de bits Se ven mejor Tampoco aceptan caracteres latinos

61 14. Texturas Si lo pensamos bien, es como ponerle ropa a nuestras figuras

62 Texturas 2D Se aplican imágenes sobre los objetos. Se debe establecer la correspondencia.

63 Texturas 3D La textura no es una imagen, sino imágenes por capas La figura 3D adopta la textura por capas, de acuerdo al volumen

64 15. Técnicas avanzadas Para el que quiera, hay muchas más técnicas

65 Qué técnicas avanzadas hay

66 ¿Qué sigue? Se ha visto lo básico e incompleto Para continuar: Practicar lo ya visto Investigar qué más es básico y faltó por cubrir Investigar técnicas más avanzadas

67 ¡Gracias! Luis Ansemo Zarza López zarza@mixteco.utm.mxhttp://www.utm.mx/~zarza