2.2 OpenGL

Сейчас трёхмерные изображения можно увидеть везде, начиная от компьютерных игр и заканчивая системами моделирования в реальном времени. Раньше, когда трёхмерная графика существовала только на суперкомпьютерах, не существовало единого стандарта в области графики. Все программы писались с "нуля" или с использованием накопленного опыта, но в каждой программе реализовывались свои методы для отображения графической информации. С приходом мощных процессоров и графических ускорителей трёхмерная графика стала реальностью для персональных компьютеров. Но в тоже время производители программного обеспечения столкнулись с серьёзной проблемой - это отсутствие каких-либо стандартов, которые позволяли писать программы, независимые от оборудования и операционной системы. Одним из первых таких стандартов, существующий и по сей день является OpenGL.

OpenGL - это графический стандарт в области компьютерной графики. На данный момент он является одним из самых популярных графических стандартов во всём мире. Ещё в 1982 г. в Стенфордском университете была разработана концепция графической машины, на основе которой фирма Silicon Graphics в своей рабочей станции Silicon IRIS реализовала конвейер рендеринга. Таким образом была разработана графическая библиотека IRIS GL. На основе библиотеки IRIS GL, в 1992 году был разработан и утверждён графический стандарт OpenGL. Разработчики OpenGL - это крупнейшие фирмы разработчики как оборудования так и программного обеспечения: Silicon Graphics, Inc., Microsoft, IBM Corporation, Sun Microsystems, Inc., Digital Equipment Corporation (DEC), Evans & Sutherland, Hewlett-Packard Corporation, Intel Corporation и Intergraph Corporation.

OpenGL переводится как Открытая Графическая Библиотека (Open Graphics Library), это означает, что OpenGL - это открытый и мобильный стандарт. Программы, написанные с помощью OpenGL можно переносить практически на любые платформы, получая при этом одинаковый результат, будь это графическая станция или суперкомпьютер. OpenGL освобождает программиста от написания программ для конкретного оборудования. Если устройство поддерживает какую-то функцию, то эта функция выполняется аппаратно, если нет, то библиотека выполняет её программно.

Что же представляет из себя OpenGL? С точки зрения программиста OpenGL - это программный интерфейс для графических устройств, таких как графические ускорители. Он включает в себя около 150 различных команд, с помощью которых программист может определять различные объекты и производить рендеринг. Говоря более простым языком, вы определяете объекты, задаёте их местоположение в трёхмерном пространстве, определяете другие параметры (поворот, масштаб, ...), задаёте свойства объектов (цвет, текстура, материал, ...), положение наблюдателя, а библиотека OpenGL позаботится о том чтобы отобразить всё это на экране. Поэтому можно сказать, что библиотека OpenGL является только воспроизводящей (Rendering), и занимается только отображением 3Д обьектов, она не работает с устройствами ввода (клавиатуры, мыши). Также она не поддерживает менеджер окон.

OpenGL имеет хорошо продуманную внутреннюю структуру и довольно простой процедурный интерфейс. Несмотря на это с помощью OpenGL можно создавать сложные и мощные программные комплексы, затрачивая при этом минимальное время по сравнению с другими графическими библиотеками.

В некоторых библиотеках OpenGL (например под X Windows) имеется возможность изображать результат не только на локальной машине, но также и по сети. Приложение, которое вырабатывает команды OpenGL называется клиентом, а приложение, которое получает эти команды и отображает результат - сервером. Таким образом можно строить очень мощные воспроизводящие комплексы на основе нескольких рабочих станций или серверов, соединённых сетью [6]. Что предоставляет библиотека в распоряжение программиста? Основные возможности:

1) геометрические и растровые примитивы. На основе геометрических и растровых примитивов строятся все объекты. Из геометрических примитивов библиотека предоставляет: точки, линии, полигоны. Из растровых: битовый массив(bitmap) и образ(image)

2) использование В-сплайнов. B-сплайны используются для рисования кривых по опорным точкам.

3) видовые и модельные преобразования. С помощью этих преобразований можно располагать обьекты в пространстве, вращать их, изменять форму, а также изменять положение камеры, из которой ведётся наблюдение.

4) работа с цветом. OpenGL предоставляет программисту возможность работы с цветом в режиме RGBA (красный-зелёный-синий-альфа) или, используя индексный режим, где цвет выбирается из палитры.

5) удаление невидимых линий и поверхностей. Z-буферизация.

Двойная буферизация. OpenGL предоставляет как одинарную, так и двойную буферизацию. Двойная буферизация используется для того, чтобы устранить мерцание при мультипликации, т.е. изображение каждого кадра сначала рисуется во втором (невидимом) буфере, а потом, когда кадр полностью нарисован, весь буфер отображается на экране.

6) наложение текстуры. Позволяет придавать объектам реалистичность. На объект, например шар, накладывается текстура(просто какое-то изображение), в результате чего наш объект теперь выглядит не просто как шар, а как разноцветный мячик.

7) сглаживание. Сглаживание позволяет скрыть ступенчатость, свойственную растровым дисплеям. Сглаживание изменяет интенсивность и цвет пикселей около линии, при этом линия смотрится на экране без всяких зигзагов.

8) освещение. Позволяет задавать источники света, их расположение, интенсивность, и т.д.

9) атмосферные эффекты. Например туман, дым. Всё это также позволяет придать объектам или сцене реалистичность, а также "почувствовать" глубину сцены.

10) прозрачность объектов.

2.3 Библиотека GDI+

GDI+ - это набор программных средств, которые используются в .NET.

GDI+ позволяют создателям приложений выводить данные на экран или на принтер без необходимости обеспечивать работу с определенными типами устройств отображения. Для отображения информации программисту достаточно вызывать нужные методы классов GDI+. При этом автоматически учитываются типы определенных устройств и выполняются вызовы соответствующих драйверов. Интерфейс GDI+ является развитием GDI (Graphic User Interace), использованного в ранних версиях Windows. Таким образом, модификация GDI для .NET называется GDI+.

При создании ОС Microsoft Windows компания Microsoft избавила программистов от необходимости учитывать аппаратные особенности видеоадаптеров, переложив эту задачу на драйверы видеоадаптеров. Эти драйверы создаются разработчиками видеоадаптеров и наилучшим образом реализуют возможности аппаратуры.

Что же касается приложений, то для них в составе ОС Microsoft Windows был предусмотрен набор системных функций, реализующих интерфейс графических устройств (Graphics Device Interface, GDI).

Интерфейс графических устройств GDI, как это можно предположить из названия, предназначен для взаимодействия приложений Microsoft Windows с графическими устройствами, такими как видеоадаптер, принтер или плоттер.

Когда приложения обращаются к GDI для выполнения операции вывода графического изображения, они работают не с реальными (физическими) устройствами вывода, а с логическими устройствами. Приложения Microsoft Windows не определяют тип видеоадаптера (EGA, VGA, SVGA и т.п.), а работают с логическим видеоадаптером, имеющим феноменальные характеристики: способность отображать практически любой цвет, имеющим огромное разрешение и т. д.

Выполняя запрос приложения, GDI обращается к драйверу соответствующего устройства вывода, работающему, в свою очередь, непосредственно с физическим устройством вывода. В процессе выполнения запроса GDI (или драйвер) учитывает ограниченные возможности видеоадаптера и его аппаратные особенности, делая необходимые приближения.

Например, приложение может указать для цвета линии любой из примерно 16 млн. цветов, однако не всякое устройство обладает таким цветовым разрешением (ограничения на количество одновременно отображаемых цветов присутствуют, например, в карманных компьютерах). В зависимости от типа физического устройства, используемого для вывода, GDI может выбрать для отображения цвет, наиболее соответствующий запрошенному цвету, и допустимый для устройства.

Например, если устройство вывода монохромное, вместо различных цветов могут использоваться градации серого цвета. Поэтому приложение может запросить для вывода любой цвет, но для рисования будет использован только такой, который может использовать данное физическое устройство [4].

Такая ситуация, когда приложение запрашивает у ОС Microsoft Windows одно, а получает другое, возникает не только при работе с цветом. Приложение может запросить для вывода шрифт, описав его характеристики. Интерфейс GDI подберет для вывода наиболее подходящий (с его точки зрения) шрифт, соответствующий описанию, и предоставит его приложению.

Приложения Microsoft Windows способны работать в неизменном виде на любом оборудовании, лишь бы был соответствующий драйвер. Чем лучше используемая аппаратура, чем большими возможностями она обладает, тем ближе будут параметры полученного шрифта и цвета соответствовать запрошенным.

Поэтому даже если сейчас в нашем распоряжении есть только видеоадаптер с ограниченным количеством отображаемых цветов, при разработке приложений Microsoft Windows Вы можете не ограничивать себя дюжиной цветов. Ваше приложение должно быть сделано так, чтобы оно могло использовать любой цвет. Со временем, когда у Вас появится современный видеоадаптер, окно Вашего приложения засветится всеми цветами радуги, причем для этого не придется вносить никаких изменений в само приложение.

С точки зрения приложений, интерфейс GDI состоит из контекста отображения и инструментов, предназначенных для рисования.

Контекст отображения можно сравнить с листом бумаги, на котором приложение рисует то или иное графическое изображение, а также пишет текст. Инструменты для рисования -- это перья, кисти (а также шрифты и даже целые графические изображения), с помощью которых создается изображение.

Кроме контекста отображения и инструментов для рисования, приложениям доступны десятки функций программного интерфейса GDI, предназначенные для работы с контекстом отображения и инструментами. Что же касается приложений Microsoft .NET Framework, то они реализуют возможности интерфейса GDI+ с помощью набора соответствующих классов и интерфейсов.

В терминах ОС Microsoft Windows контекст отображения (display context) представляет собой структуру данных, описывающую устройство отображения. В этой структуре хранятся различные характеристики устройства и набор инструментов для рисования, выбранный по умолчанию. Приложение может выбирать в контекст отображения различные инструменты (например, перья различной толщины и цвета, с различными «наконечниками»). Поэтому если Вам надо нарисовать линию красного или зеленого цвета, перед выполнением операции следует выбрать в контекст отображения соответствующее перо.

Заметим, что функции рисования GDI, входящие в программный интерфейс Win32 API, не имеют параметров, указывающих цвет или толщину линии. Такие параметры хранятся в контексте отображения.

Приложение может создать контекст отображения не только для окна приложения, но и для любого другого графического устройства вывода, например, для принтера. В последнем случае оно может рисовать на принтере различные изображения, используя те же функции, что и для рисования в окне приложения.

Можно создать контекст отображения для метафайла. Метафайл -- это обычный файл или файл в памяти, в котором хранятся последовательности команд интерфейса GDI. Приложение может выполнять графический вывод в метафайл как в обычное устройство вывода, а затем «проигрывать» метафайл на реальном устройстве вывода.

Контекст устройства в терминах ОС Microsoft Windows выступает в роли связующего звена между приложением и драйвером устройства (рис. 1) и представляет собой структуру данных размером примерно 800 байт. Эта структура данных содержит информацию о том, как нужно выполнять операции вывода на данном устройстве (цвет и толщину линии, тип системы координат и т. д.).

Рисунок 2.1 - Вывод данных через контекст устройства

Если приложение получает или создает контекст для устройства отображения, такой контекст называется контекстом отображения (display context). Поэтому когда, например, приложение получает контекст для отображения в одном из своих окон, такой контекст называется контекстом отображения. Если же ему требуется выполнять операцию вывода для устройства (для принтера или для экрана дисплея), приложение должно получить или создать контекст устройства (device context).

Следует понимать, что контексты устройства и отображения содержат описания одних и тех же характеристик и имеют одинаковую структуру. Название контекста определяется только тем, относится ли контекст к окну отображения или устройству вывода.

Страницы: 1, 2, 3