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Máster en Creación y Producción de Videojuegos

Máster en Creación y Producción de Videojuegos. OpenGL Gonzalo Mariscal Vivas http://www.esi.uem.es/~gonzalo/opengl. OpenGL - Índice. 1. Introducción 2. Operaciones OpenGL 3. Rasterización / Renderizado 4. Per-Fragment Operations and the Framebuffer 5. Special Functions

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  1. Máster en Creación y Producción de Videojuegos OpenGL Gonzalo Mariscal Vivashttp://www.esi.uem.es/~gonzalo/opengl

  2. OpenGL - Índice 1. Introducción 2. Operaciones OpenGL 3. Rasterización / Renderizado 4. Per-Fragment Operations and the Framebuffer 5. Special Functions 6. State and State Requests OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  3. Introducción • Definiciones • OpenGL (del inglés “Open Graphics Library”) es una interfaz software para el hardware orientado a gráficos [The OpenGL Graphics System: A Specification] • OpenGL es una especificación de una librería gráfica de bajo nivel [Terry OpenGL linux Tutorial] OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  4. Introducción • Características OpenGL • Aceleración hardware 3D rápida y completa • Efectos 3D en tiempo real • niebla • anti-aliasing (evita "efecto de sierra" o aliasing) • sombras volumétricas • bump mapping (detalle de imagen) • motion blur (efecto de movimiento) • Transparencias • Reflexiones • texturas 3D • ... • Innovaciones en software y hardware • Extensiones de OpenGL OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  5. Introducción • Características OpenGL (continuación) • Multiplataforma • Windows • MacOS • Linux/UNIX • Dispositivos móviles • Estaciones de juegos • Simuladores de vuelo • ... • Estable • Primeras versiones desde 1992 • High End 3D workstation y supercomputadoras OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  6. Sistema Operativo Usuario OpenGL Framebuffer 2.Operaciones OpenGL2.1.Fundamentos de OpenGL • OpenGL está concebido para renderizar sobre un framebuffer • Framebuffer: Zona de memoria especial de lectura / escritura donde se representan todos y cada uno de los píxeles de las imágenes desplegadas en un dispositivo de vídeo. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  7. 2.1.Fundamentos de OpenGL • Órdenes (procedimientos o funciones) para la especificación de objetos geométricos en 2D ó 3D: • Primitivas básicas de formas geométricas. • Primitivas se definen como un grupo de figuras geométricas formadas por uno o más vértices. • Primitivas básicas de OpenGL: • Puntos • Líneas • Polígonos • Imágenes • Bitmaps OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  8. 2.1.Fundamentos de OpenGL 2. Operaciones gráficas fundamentales 2D y 3D incluyendo especificación de parámetros: • como matrices de transformación, • coeficientes de luces, • métodos antialiasing, y • operadores de actualización de píxeles. 3. Órdenes para render de objetos dentro del framebuffer Rénderizar = Rasterizar = Representar Estas órdenes gestionan cómo los objetos son renderizados (3D => 2D) OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  9. 2.2.Sintaxis de las órdenes GL • Nomenclatura: • Órdenes comienzan por “gl” • Constantes comienzan por “GL_” • Tipos comienzan por “GL” OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  10. 2.2.Sintaxis de las órdenes GL • Órdenes incluyen tipos de parámetros: void Vertex3f( float x, float y, float z ); void Vertex2sv( short v[2] ); • En general: rtype Name{_1234}{_ b s i f d ub us ui}{_v} ( [args ,] T arg1 , . . . , T argN [, args] ); ·  “_” indica que no hay ningún carácter ·  “letras” indican tipos GL OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  11. 2.2.Sintaxis de las órdenes GL • Las letras definen tipos GL: OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  12. 2.2.Sintaxis de las órdenes GL • Descripción de tipos GL: OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  13. 2.3.Operaciones GL básicas • Pipeline del proceso de órdenes: OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  14. 2.4.Errores GL • enum GetError( void ); • Resumen de Errores: OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  15. 2.5. Paradigma Begin / End • void Begin( enum mode ); • void End( void ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  16. 2.5.1. Begin / End • Points • Define un Vértice • mode= POINTS • Line Strips • Serie de líneas conectadas entre sí. • Se definen Vértices • mode= LINE STRIP. • Line Loops. • Serie de líneas conectadas entre sí. • Se definen Vértices. • El último vértice se conecta con el primeo • mode= LINE_LOOPS OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  17. 2.5.1. Begin / End • Separate Lines. • Líneas separadas • Se definen Pares de Vértices (inicio y fin de línea) • mode= LINES. • Polygons. • Se define la frontera igual que Line Loops. • mode= POLYGON. • TriangleStrips. • Se definen vértices y se van formando triángulos adyacentes. • Cada vértice se une a los dos anteriores para formar el triángulo. • mode= TRIANGLE STRIP. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  18. 2.5.1. Begin / End • Triangle Fan. • Se definen vértices y se van formando triángulos adyacentes. • Todos los triángulos comparten el vértice inicial. • mode= TRIANGLE FAN. • Separate Triangles. • Se definen los triángulos agrupando vértices de tres en tres. • mode= TRIANGLES. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  19. 2.5.1. Begin / End OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  20. 2.5.1. Begin / End • Quadrilateral (quad) strips • Se construyen los cuadrados compartiendo dos vértices con el anterior • mode=QUAD_STRIP • Separate quads • Se agrupan los vértices de cuatro en cuatro • mode=QUADS OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  21. 2.5.1. Begin / End • Quadrilaterals OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  22. 2.5.2 Polygon Edges • Etiquetar bordes: • void EdgeFlag( boolean flag ); • void EdgeFlagv( boolean *flag ); • Se usa para POLYGON, TRIANGLES, o QUADS • Si el flag de arista está activado a TRUE, cada vértice definido comienza una arista etiquetada como “borde” • Si el flag de arista está desactivado a FALSE, las aristas definidas están etiquetadas como “no borde” OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  23. 2.5.3 Órdenes GL entre pares Begin/End • Órdenes que especifican coordenadas de vértices • Vertex • Colores de vértices • Color • SecondaryColor • Index • Coordenadas normales • Normal • Coordenadas de textura • TexCoord • MultiTexCoord • Atributos genéricos de vértices • VertexAttrib OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  24. 2.5.3 Órdenes GL entre pares Begin/End • Coordenadas de niebla • FogCoord • Vector de Elementos • ArrayElement • Órdenes EvalCoordy EvalPoint • Órdenes para especificar parámetros iluminación de materiales: • Material • Órdenes para invocar una display list (lista de órdenes): • CallList • CallLists • OrdenEdgeFlag OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  25. 2.5.3 Órdenes GL entre pares Begin/End • Cualquier otra operación devolverá un error: INVALID_OPERATION • Operaciones NO permitidas entre Begin/End: EnableClientState, DisableClientState, PushClientAttrib, PopClientAttrib, ColorPointer, FogCoordPointer, EdgeFlagPointer, IndexPointer, NormalPointer, TexCoordPointer, SecondaryColorPointer, VertexPointer, VertexAttribPointer, ClientActiveTexture,InterleavedArrays y PixelStore • Ejecutar un Begin dentro de Begin/End genera error • Ejecutar End sin un Begin previo genera error OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  26. 2.6. Especificación de Vértices • Creación de un vértice en 2, 3 ó 4 coordenadas: • void Vertex{234}{sifd}( T coords ); • void Vertex{234}{sifd}v( T coords ); • Especificar Coordenadas de textura • void TexCoord{1234}{sifd}( T coords ); • void TexCoord{1234}{sifd}v( T coords ); • Especificar Multitextura • void MultiTexCoord{1234}{sifd}(enum texture,T coords) • void MultiTexCoord{1234}{sifd}v(enum texture,T coords) • texture = TEXTUREi • Asignar normales • void Normal3{bsifd}( T coords ); • void Normal3{bsifd}v( T coords ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  27. 2.6. Especificación de Vértices • Coordenadas de Niebla • void FogCoord{fd}( T coord ); • void FogCoord{fd}v( T coord ); • Colores en Modo RGBA • void Color{34}{bsifd ubusui}( T components ); • void Color{34}{bsifd ubusui}v( T components ); • void SecondaryColor3{bsifd ubusui}( T components ); • void SecondaryColor3{bsifd ubusui}v( T components ); • Colores en Modo color index • void Index{sifd ub}( T index ); • void Index{sifd ub}v( T index ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  28. 2.6. Especificación de Vértices • Carga de Atributos genéricos de vértices void VertexAttrib{1234}{sfd}( uint index, T values ); void VertexAttrib{123}{sfd}v( uint index, T values ); void VertexAttrib4{bsifd ubusui}v( uint index, T values ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  29. 2.7 Vertex Arrays • Datos de vértices almacenados en arrays • Espacio del cliente • Usados en múltiples primitivas • Posibles datos: coordenadas de vértices, normales, colores, colores secundarios, índices de colores, flags de bordes, coordenadas de niebla, coordenadas de texturas, atributos genéricos de vértices. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  30. 2.7 Vertex Arrays • Para lolalizar y organizar arrays: • void VertexPointer( int size, enum type, sizei stride, void *pointer ); • void NormalPointer( enum type, sizei stride, void *pointer ); • void ColorPointer( int size, enum type, sizei stride, void *pointer ); • void SecondaryColorPointer( int size, enum type, sizei stride, void *pointer ); • void IndexPointer( enum type, sizei stride, void *pointer); • void EdgeFlagPointer( sizei stride, void *pointer ); • void FogCoordPointer( enum type, sizei stride, void *pointer ); • void TexCoordPointer( int size, enum type, sizei stride, void *pointer ); • void VertexAttribPointer( uint index, int size, enum type, boolean normalized, sizei stride, const void *pointer ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  31. 2.8 Buffer Objects • Almacenar Datos del cliente en el servidor • Construir Buffer • void BindBuffer( enum target, uint buffer ); • Borrar Buffer • void DeleteBuffers( sizei n, const uint *buffers ); • Obtener n buffers anteriores no utilizados • void GenBuffers( sizei n, uint *buffers ); • Almacenar datos • void BufferData( enum target, sizeiptr size, const void *data, enum usage ); • Modificar datos • void BufferSubData( enum target, intptr offset, sizeiptr size, const void *data ); • Actualizar cliente • void *MapBuffer( enum target, enum access ); • boolean UnmapBuffer( enum target ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  32. 2.9 Rectangles • A partir de dos esquinas: • void Rect{sifd}( T x1, T y1, T x2, T y2 ); • void Rect{sifd}v( T v1[2], T v2[2] ); • Ejemplo: Rect (x1, y1, x2, y2); • Equivalente a: Begin(POLYGON); Vertex2(x1, y1); Vertex2(x2, y1); Vertex2(x2, y2); Vertex2(x1, y2); End(); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  33. 2.10 Transformaciones de coordenadas • Coordenadas de vértices, normales y texturas se transforman antes de que se usen para producir una imagen en el framebuffer. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  34. 2.10 Transformaciones de coordenadas • Coordenadas de objeto, coordenadas de ojo, y coordenadas de clip son 4-D: (x, y, z, w) • La matriz del modelo de vista y la matriz de proyección son de tamaño 4x4 • Coordenadas de objeto  Coordenadas de ojo = M donde M es la matriz del modelo de vista Xe ye ze we X0 y0 z0 w0 OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  35. 2.10 Transformaciones de coordenadas • Coordenadas de ojo  Coordenadas de clip = P donde P es la matriz del proyección • Coordenadas normalizadas: = Xc yc zc wc Xe ye ze we xd yd zd xc/wc yc/wc zc /wc OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  36. 2.10.1. Control del viewport • La transformación al campo de visualización (viewport transformation) se determina por: • ancho y alto en píxeles: (px, py) • Centro de referencia: (ox, oy) • Las coordenadas de ventana se calculan: = donde f y n  [0,1]se establecen mediante: void DepthRange( clampd n, clampd f ); xw yw zw (px / 2 )xd + ox (py / 2 )yd + oy [(f − n)/2] zd + (n + f)/2 OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  37. 2.10.1. Control del viewport • Los parámetros de configuración del viewport se especifican mediante: void Viewport( int x, int y, sizei w, sizei h ); donde: (x, y): esquina inferior izquierda de la ventana (w, h): ancho y alto de ventana • A partir de estos valores calculamos el resto de parámetros del viewport: ox = x + w/2 oy = y + h/2 px = w py = h OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  38. 2.10.2. Matrices • Elección de la matriz a modificar void MatrixMode( enum mode ); donde: mode = TEXTURE, MODELVIEW, COLOR, PROJECTION • Modificación de matrices: void LoadMatrix{fd}( T m[16] ); //Intercambia matriz void MultMatrix{fd}( T m[16] ); //Multiplica matriz donde: a1 a5 a9 a13 m = a2 a6 a10 a14 a3 a7 a11 a15 a4 a8 a12 a16 OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  39. 2.10.2. Matrices • Transpuesta: • LoadTransposeMatrix[fd](m); • LoadMatrix[fd](mT ); • Multiplicar matriz transpuesta: • MultTransposeMatrix[fd](m); • MultMatrix[fd](mT ); • Cargar Identidad: • void LoadIdentity( void ); • Manipular Matrices: • void Rotate{fd}( T , T x, T y, T z ); : ángulo en grados v = (x y z): vector de giro OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  40. 2.10.2. Matrices • Manipular Matrices (continuación) • void Rotate{fd}( T , T x, T y, T z ); : ángulo en grados v = (x y z): vector de giro • void Translate{fd}( T x, T y, T z ); • void Scale{fd}( T x, T y, T z ); • void Frustum( double l, double r, double b, double t, double n, double f ); donde: (l b − n), (r t − n) coordenadas de clipping cercanas (l b − f), (r t − f) coordenadas de clipping lejanas • Matriz de proyección paralela: void Ortho(double l, double r, double b, double t, double n, double f); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  41. 2.10.2. Matrices • Activar textura: • void ActiveTexture( enum texture ); • Almacenar matrices en la pila • void PushMatrix( void ); • void PopMatrix( void ); • Reescalado y normalización: • void Enable( enum target ); • void Disable( enum target ); • Generar coordenadas de textura: • void TexGen{ifd}( enum coord, enum pname, T param ); • void TexGen{ifd}v( enum coord, enum pname, T params ); • pname:TEXTURE_GEN_MODE, OBJECT_PLANE, EYE_PLANE • params: valores ó OBJECT_LINEAR, EYE_LINEAR (por defecto), SPHERE_MAP, REFLECTION_MAP, NORMAL_MAP. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  42. 2.11 Clipping • Las primitivas son ajustadas al volumen de corte (clip volume). • Volumen de vista (view volume) viene definido por: − wc xc wc − wc yc wc − wc zc wc • Por defecto, el volumen de corte es el volumen de vista • Se puede definir un plano de corte cliente: • void ClipPlane( enum p, double eqn[4] ); • p: identifica plano de corte cliente CLIP_PLANEi, i  [0,.., n-1] • eqn: coeficientes de la ecuación de un plano en coordenadas de objeto: (p1, p2, p3, p4) OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  43. 2.12 Current Raster Position • La posición actual de renderizado se puede obtener mediante: • void RasterPos{234}{sifd}( T coords ); • void RasterPos{234}{sifd}v( T coords ); • Se usa por órdenes que afectan directamente a los píxeles del framebuffer • Se puede modificar la posición actual: • void WindowPos{23}{ifds}( T coords ); • void WindowPos{23}{ifds}v( const T coords ); OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  44. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  45. 2.13 Colores • Proceso de colores RGBA e índices de color anterior a la rasterización: OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  46. 2.13.1 Iluminación • La iluminación de OpenGL calcula los colores por vértices • Sentido de la luz (front color / back color) : • void FrontFace( enum dir ); • Aplica la dirección en el sentido de las agujas del reloj o al contrario (igual que los polígonos): • CCW (counter-clockwise orientation) OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  47. 2.13.2 Especificación de parámetros de luz • void Material{if}( enum face, enum pname, T param ); • void Material{if}v( enum face, enum pname, T params ); • void Light{if}( enum light, enum pname, T param ); • void Light{if}v( enum light, enum pname, T params ); • void LightModel{if}( enum pname, T param ); • void LightModel{if}v( enum pname, T params ); • pname: identifica el parámetro a modificar • face: FRONT, BACK óFRONT_AND_BACK, • light: LIGHTi, i  [0,.., n-1], identifica una luz concreta. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  48. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  49. 2.13.3 ColorMaterial • Es posible aplicar más de una propiedad de material • El modo se selecciona mediante: • void ColorMaterial( enum face, enum mode ); • face: FRONT, BACK, ó FRONT_AND_BACK, • mode: EMISSION, AMBIENT, DIFFUSE, SPECULAR, ó AMBIENT_AND_DIFFUSE • Ejemplo: • ColorMaterial(FRONT, AMBIENT) OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

  50. OpenGL – Gonzalo Mariscal Vivas – Universidad Europea Madrid

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