Преимущества использования библиотеки ОpеnGL для создания программ с применением технологий трехмерной графики. Прорисовка основных частей модели лунохода, разработка интерфейса пользователя. Логическая структура и функциональная декомпозиция проекта.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

1. Программирование с использованием библиотеки OpenGL

1.1 Основные возможности

1.2 Работа с матрицами

1.3 Проекции

1.4 Освещение

1.5 Спецификация материалов

1.6 Создание эффекта тумана

2. Разработка приложения для построения динамического изображения трехмерной модели объекта «Луноход»

2.1 Разработка процедуры визуализации трехмерной сцены

2.2 Разработка интерфейса пользователя

2.3 Разработка подсистемы управлениями событиями

3. Информационное и программное обеспечение

3.1 Общие сведения о программе

3.2 Функциональное назначение

3.3 Логическая структура и функциональная декомпозиция проекта

3.4 Требования к техническому программному обеспечению

3.5 Руководство пользователя

Заключение и выводы

Список литературы

Приложения

Введение

OpenGL является одним из самых популярных прикладных программных интерфейсов (API - Application Programming Interface) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики.

Стандарт OpenGL (Open Graphics Library - открытая графическая библиотека) был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения как эффективный аппаратно-независимый интерфейс, пригодный для реализации на различных платформах. Основой стандарта стала библиотека IRIS GL, разработанная фирмой Silicon Graphics Inc. [1]

Библиотека насчитывает около 120 различных команд, которые программист использует для задания объектов и операций, необходимых для написания интерактивных графических приложений.

На сегодняшний день графическая система OpenGL поддерживается большинством производителей аппаратных и программных платформ. Эта система доступна тем, кто работает в среде Windows, пользователям компьютеров Apple. Свободно распространяемые коды системы Mesa (пакет API на базе OpenGL) можно компилировать в большинстве операционных систем, в том числе в Linux.

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. [3]

Наличие хорошего базового пакета для работы с трехмерными приложениями упрощает понимание студентами ключевых тем курса компьютерной графики - моделирование трехмерных объектов, закрашивание, текстурирование, анимацию и т.д. Широкие функциональные возможности OpenGL служат хорошим фундаментом для изложения теоретических и практических аспектов предмета. [1]

1. Программирование с использованием библиотеки OpenGL

1.1 Основные возможности

Возможности OpenGL описаны через функции его библиотеки. Все функции можно разделить на пять категорий.

Функции описания примитивов определяют объекты нижнего уровня иерархии (примитивы), которые способна отображать графическая подсистема. В OpenGL в качестве примитивов выступают точки, линии, многоугольники и т.д. [6]

Функции описания источников света служат для описания положения и параметров источников света, расположенных в трехмерной сцене.

Функции задания атрибутов. С помощью задания атрибутов программист определяет, как будут выглядеть на экране отображаемые объекты. Другими словами, если с помощью примитивов определяется, что появится на экране, то атрибуты определяют способ вывода на экран. В качестве атрибутов OpenGL позволяет задавать цвет, характеристики материала, текстуры, параметры освещения.

Функции визуализации позволяет задать положение наблюдателя в виртуальном пространстве, параметры объектива камеры. Зная эти параметры, система сможет не только правильно построить изображение, но и отсечь объекты, оказавшиеся вне поля зрения.[7]

Набор функций геометрических преобразований позволяют программисту выполнять различные преобразования объектов - поворот, перенос, масштабирование.

При этом OpenGL может выполнять дополнительные операции, такие как использование сплайнов для построения линий и поверхностей, удаление невидимых фрагментов изображений, работа с изображениями на уровне пикселей и т.д.[1]

1.2 Работа с матрицами

Для задания различных преобразований объектов сцены в OpenGL используются операции над матрицами, при этом различают три типа матриц: модельно-видовая, матрица проекций и матрица текстуры. Все они имеют размер 4x4. Видовая матрица определяет преобразования объекта в мировых координатах, такие как параллельный перенос, изменение масштаба и поворот. Матрица проекций определяет, как будут проецироваться трехмерные объекты на плоскость экрана (в оконные координаты), а матрица текстуры определяет наложение текстуры на объект.[9]

Умножение координат на матрицы происходит в момент вызова соответствующей команды OpenGL, определяющей координату (как правило, это команда glVertex*.

Для того чтобы выбрать, какую матрицу надо изменить, используется команда: void glMatrixMode (GLenum mode), вызов которой, со значением параметра «mode» равным GL_MODELVIEW, GL_PROJECTION, или GL_TEXTURE включает режим работы с модельно-видовой матрицей, матрицей проекций, или матрицей текстуры соответственно. Для вызова команд, задающих матрицы того или иного типа, необходимо сначала установить соответствующий режим.

Для определения элементов матрицы текущего типа вызывается команда void glLoadMatrix [fd] (GLtype *m), где «m» указывает на массив из 16 элементов типа float или double в соответствии с названием команды, при этом сначала в нем должен быть записан первый столбец матрицы, затем второй, третий и четвертый. Еще раз следует обратить внимание, в массиве «m» матрица записана по столбцам.

Команда void glLoadIdentity(void) заменяет текущую матрицу на единичную.[11]

1.3 Проекции

В OpenGL существуют стандартные команды для задания ортографической (параллельной) и перспективной проекций. Первый тип проекции может быть задан командами void glOrtho (GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far) и void gluOrtho2D (GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top).

Первая команда создает матрицу проекции в усеченный объем видимости (параллелепипед видимости) в левосторонней системе координат. Параметры команды задают точки (left, bottom, znear) и (right, top, zfar), которые отвечают левому нижнему и правому верхнему углам окна вывода. Параметры «near» и «far» задают расстояние до ближней и дальней плоскостей отсечения по удалению от точки (0,0,0) и могут быть отрицательными.

Рисунок 1. - Ортографическая проекция

Перспективная проекция определяется командой void gluPerspective (GLdouble angley, GLdouble aspect, GLdouble znear, GLdouble zfar), которая задает усеченный конус видимости в левосторонней системе координат. Параметр «angley» определяет угол видимости в градусах по оси у и должен находиться в диапазоне от 0 до 180. Угол видимости вдоль оси x задается параметром «aspect», который обычно задается как отношение сторон области вывода (как правило, размеров окна). Параметры «zfar» и «znear» задают расстояние от наблюдателя до плоскостей отсечения по глубине и должны быть положительными. Чем больше отношение zfar/znear, тем хуже в буфере глубины будут различаться расположенные рядом поверхности, так как по умолчанию в него будет записываться «сжатая» глубина в диапазоне от 0 до 1.[10]

Прежде чем задавать матрицы проекций, нужно включить режим работы с нужной матрицей командой glMatrixMode(GL_PROJECTION) и сбросить текущую, вызвав glLoadIdentity().[5]

Рисунок 2. - Перспективная проекция

1.4 Освещение

В OpenGL используется модель освещения, в соответствии с которой цвет точки определяется несколькими факторами: свойствами материала и текстуры, величиной нормали в этой точке, а также положением источника света и наблюдателя. Для корректного расчета освещенно...