Введение opengl трехмерная 3d графикаСовременный мир уже немыслим без трехмерной 3D графики - в том числе интерактивной. В свое время было предпринято множество попыток создать универсальный язык описания трехмерных сцен. Самой удачной оказалась попытка компании Silicon Graphics - ее язык OpenGL получил всемирное признание
Многие из вас знают, что все самые красивые спецэффекты, а также почти вся промышленная 3D графика рендерится в формате OpenGL 3D. Этот формат был разработан Silicon Graphics и в настоящее время стал стандартом де-факто для трехмерного моделирования. Я попытаюсь дать краткий обзор этой технологии. Принципы Основная идея OpenGL: графическая библиотека должна быть аппаратно независимой, но в то же время использовать аппаратные ускорители, если они доступны. Кроме того, этот язык с самого начала предусматривал механизм расширения и гибкости - по мере того как расширения становились "общепринятыми", они становились частью следующего релиза. Для любого протокола, будь то сетевой протокол или язык описания сцен, важным является вопрос уровня абстракции - то есть того, на каком уровне работает данная система или протокол, что является входными данными и что выходными, какие компоненты будут взаимодействовать в качестве поставщиков и приемников данных. Говоря попросту, нужно определиться по вопросу "что мы делаем и чего не делаем". Создатели OpenGL 3D планировали свой язык с явным намерением создать "виртуальный графический акселератор", так чтобы примитивы OpenGL максимально соответствовали примитивам современных графических карт и требовали минимум кода для трансляции из одной системы команд в другую. Фактически большинство современных графических процессоров (обычно называемых видеокартами, хотя к видео они имеют лишь касательное отношение) напрямую воспринимают OpenGL как язык входного уровня без какой-либо (или с минимумом) трансляции. OpenGL оперирует графическими примитивами "начального уровня", такими как точки трехмерного пространства (вертексы, вершины), отрезки прямых, выпуклые полигоны и растровые изображения. Поддерживаются аффинные и проективные преобразования, вычисление освещения. К "продвинутым" функциям можно отнести мэппинг текстур (натягивание битовых карт на трехмерные поверхности) и антиалиасинг (сглаживание цветовых переходов - как локальное, в рамках отдельного объекта, так и глобальное, по всей сцене). Предполагается, что приложение более высокого уровня будет выполнять операции, которых недостает в opengl 3D,- например, декомпозицию невыпуклых полигонов. С точки зрения программиста, opengl - это система вызовов процедур с передачей им параметров, то есть этот язык представляет собой Call Level API. Ключевым моментом с точки зрения производительности, особенно в сетевом окружении, является наличие двух режимов: пошагового и пакетного. Пакетный группирует команды описания объектов и режимы в пакет, называемый списком отображения (display list). Подобная техника применяется, например, при описании страниц в PostScript или, в несколько другом контексте, при создании хранимых процедур в SQL. Смысл ясен - инкапсуляция функциональности (в данном случае - объектов для последующего многократного использования). При этом можно провести несколько оптимизаций: предварительно один раз проверить синтаксис, а также кэшировать готовый объект при передаче по сети на целевой машине. Недостаток списка отображения проявляется при частом внесении в него изменений - при этом, понятно, ни один метод оптимизации не будет работать. Для работы с такими "изменчивыми" объектами и сценами в OpenGL предусмотрен режим прямого отображения, когда каждое предложение интерпретируется в порядке поступления, не дожидаясь закрывающего список тега или какой-то подобной команды на отрисовку. В практике оба метода нашли широкое применение. Архитектура Более глубоко погружаясь в технологию OpenGL 3d, мы обнаружим стройную и гармоничную архитектуру, общий вид которой показан на рисунке. Точно так же, как процессор имеет два типа конвейеров - для целочисленных вычислений и чисел с плавающей точкой, OpenGL имеет два конвейера для пиксельных данных и вертексных операций, то есть для операций с векторными данными. Каждый из потоков обрабатывается отдельно, до тех пор пока это возможно - то есть до стадии мэппинга, когда пиксельные растры как фактуры "натягиваются" на плоскости и более сложные поверхности. Первый этап - аппроксимация кривых и поверхностей вычислением полиномов от входных значений. Второй проход оперирует с примитивами типа точек, отрезков и полигонов - они преобразуются по правилам аффинных преобразований, совмещаются и сцена отсекается в подготовке к растрированию. Растрирование в качестве результата создает список объектов (точек, отрезков и треугольников) в двумерной плоскости. Над отдельными объектами может быть выполнена операция раскрашивания, градиентной заливки или применения мэппинга, то есть наложения фактуры. Готовые фрагменты окончательно обрабатываются перед тем, как они реально будут внесены в frame buffer. В частности, фрагменты сортируются зависимо от значений "глубины" - и эти значения сравниваются с известными на предмет рекомпозиции. Применение блендинга приводит к тому, что прозрачные фрагменты принимают цвет, состоящий из их собственного и цветов "ниже лежащих" фрагментов. Дополнительно может быть реализовано маскирование и другие эффекты. Пиксельный процессор в ходе растрирования встраивает двумерные битовые фрагменты прямо в кадр. Часть готового кадра также может быть прочитана для повторного использования как массив пикселей - так что данные, отображаемые в буфере, могут стать частью других сцен. Приоритеты При реализации авторы ставили себе пять ориентиров, важных с точки зрения получаемых результатов.
Функции Ниже перечислены основные функции OpenGL, о некоторых из них уже упоминалось. По ним вы можете судить об уровне языка и используемых примитивах.
Ресурсы Для быстрого и всестороннего "проникновения" идеями OpenGL вы должны (как минимум) детально изучить две книги, являющиеся "классикой жанра". Первая из них носит название Синей книги (на ее обложке действительно преобладает синий цвет) и представляет собой справочник по функциям и переменным. Вторая книга (а возможно, по порядку прочтения и первая) - это OpenGL Programming Guide, так называемая Красная книга. Красная книга снабжена примерами, на которые я бы советовал обратить самое пристальное внимание. К слову: указанные ссылки ведут к устаревшим версиям документации, не описывающим новые возможности. Новые версии доступны только в печатном виде. Можете попробовать найти их через сети P2P - однако результаты такого поиска предсказывать не берусь. |