计算机图形学（二）Graphics Programming

1. OpenGL Evolution

• start

  • Silicon Graphics （SGI）revolutionized the graphics workstation by implementing the pipeline in hardware（1982）.
  • The success of GL lead to OpenGL（1992）, a platform-independent API.

• Modern OpenGL

  • 流程图

    graph LR
      A[Vertices]-->B[Vertex prcessor]-->C[Clipper and primitive assembler]-->D[Rasterizer]-->E[Fragment processor]-->Pixel

  • Shaders: control GPU through programs

  • GPU does all rendering

• OpenGL 3.1

  • Totally shader-based
  • No immediate mode
    • 立即绘制（immediate mode） & 延迟绘制（retained mode）

• Direct X

  • windows only
  • Advantages
    • Better control of resources
    • Access to high level functionality
  • Disadvantages
    • New versions not backward compatible
    • Windows only

2. OpenGL Libraries

• OpenGL core library
• OpenGL Utility Library （GLU）
  • Provides functionality in OpenGL core but avoids having to rewrite code
• OpenGL Utility Toolkit（GLUT）
  • Provides functionality common to all window systems
  • Code is portable but GLUT lacks the functionality of a good toolkit for a specific platform
• FreeGLUT
• GLEW

3. OpenGL Introduction

• OpenGL Function

  • 图元函数 Primitives：定义了系统可以显示的低级对象或最基本的实体（如Points, Line Segments, Triangles）

  • 属性函数 Attribue：如图形颜色信息，光源属性，材质属性

  • 变换函数 Transformations：

    • Viewing 观察函数：定义各种视图
    • Modeling 模型函数

  • 控制函数 Control（GLUT）：与窗口系统通信

  • 查询函数 Query：如照相机的参数或者帧缓存中的值

  • 函数命名格式：

    Lib name:gl, glu, glut, glew + Command name + {dimension: 2,3,4} + {parameter data type: sifdb(wb)} + {array identification: v} (parameter)

    如 glUniform3f(x,y,z)

• OpenGL State

  • OpenGL is a state machine
    • 状态机，即一个包含有限状态机的黑盒子
  • OpenGL functions are of two types
    • Primitive generating：定义图元
    • State changing：改变机器内部的状态或者返回状态信息

• Lack of Object Orientation

• GLSL ：OpenGL Shaing Language

  • Vertex Data
  • Vertex Shader
  • Tessellation Control Shader
  • Tessellation Evalution Shader
  • Geometry Shader
  • Primitive Setup
  • Clipping
  • Rasterization
  • Fragment Shader

4. A Simple Program

• Display, init, glutMainLoop

5. OpenGL Primitives

• GL_POINTS, GL_LINES, GL_LINE_STRIP, GL_TRIANGLES, GL_LINE_LOOP, GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN（扇形）
• OpenGL will only display triangles
  • Simple: 线没有交叉
  • Convex 凸性：多边形任意两点连线上的点仍然在多边形内部
  • Flat: 所有的点在相同的平面

6. OpenGL Shaders Programming

• 流程

  • Vertex processing：计算每个顶点的颜色
  • Clipping and primitive assembly：剪裁，图元计算
  • Rasterization：光栅化，将图元转换为像素点
  • Fragment Processing：计算每个像素点的颜色

• Vertex Array Object（VAO）

  • 绑定所有顶点数据（位置，颜色等）
  • glBindVertexArray：和VBO能够交互

• Vertex Buffer Object （VBO）

  • Buffers objects allow us to transfer large amount of data to the GPU

  • Need to create, bind and identify data

    glGenBuffers(NumBuffers, Buffers);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, Buffers[ArrayBuffer]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFFER, sizeof(vertices), vertices);

• 执行模型图

  • 顶点着色

    

  • 片元着色

    

7. 2D Sierpinski gasket