Математики и кибернетики
Примеры практических заданий Cornell Box
жүктеу/скачать 0.67 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Виртуальные часы
- Интерактивный ландшафт
- Литература
- Предметный указатель
Примеры практических заданий
Целью задания является создание изображения заданной трехмерной статичной сцены средствами OpenGL с использованием, возможно, стандартных геометрических примитивов. Требуется создать изображение сцены Cornell Box. Эта классическая сцена представляет собой комнату кубического вида, с отсутствующей передней стенкой. В комнате находятся геометрические предметы различных форм и свойств (кубы, параллелепипеды, шары), и протяженный источник света на потолке. Присутствует также камера с заданными параметрами (обычно она расположена так, чтобы была видна вся комната). В одной из лабораторий Корнельского университета (http://graphics.cornell.edu) такая комната существует в реальности, и ее фотографии сравниваются с изображениями, построенными методами трассировки лучей для оценки точности методов. На странице лаборатории можно найти описание геометрии сцены в текстовом формате. Реализации сцены, приведенной на рисунке достаточно для выполнения задания, хотя возможно введение новых предметов дополнительно к существующим, или вместо них. Приветствуется использование примитивов библиотек GLUT и GLU. Внимание! Сцена не должна превращаться в набор разнородных предметов. Эстетичность и оригинальность выполненного задания принимается во внимание. Протяженный источник света на потолке комнаты можно эмулировать несколькими точечными источниками. За простейшую реализацию сцены ставится 7 баллов. Реалистичность сцены можно значительно повысить за счет разбиение многоугольников. Суть этого в том, что модели освещение OpenGL освещенность вычисляется в вершинах многоугольника с учетом направления нормалей в этих вершинах, а затем линейно интерполируется по всей поверхности. Если используются относительно большие многоугольники, то, очевидно, невозможно получить действительно плавные переходы и затенения. Для преодоления этого недостатка можно разбивать большие грани (стены, например) на множество меньших по размерам. Соответственно разброс в направлении нормалей в вершинах одного многоугольника не будет столь велик и затенение станет более плавным. (1 балл) Наложение текстур на объекты сцены поощряется 2-мя баллами. Дополнительными баллами оценивается присутствие в сцене теней. Один из простейших алгоритмов наложения теней приведен в разделе 7.2. За его реализацию можно получить до 2 баллов. Использование более продвинутых алгоритмов (например, shadow volumes) будет оценено дополнительными баллами. Реализация устранения ступенчатости (antialiasing) методом, предложенным в разделе 7.1. или каким-либо другим оценивается в 2 балла. За введение в сцену прозрачных объектов и корректный их вывод дается 1 балл. Механизм работы с прозрачными объектами описан в разделе 6.1. Задание оценивается, исходя из 15 баллов. В приведенной ниже таблице указано распределение баллов в зависимости от реализованных требований:
Дополнительные баллы можно получить за хорошую оптимизацию программы, необычные решения, эстетичность и т.д.
Целью задания является создание трехмерной интерактивной модели аналоговых часов. Обязательные требования к программе:
Пожелания к программе:
Максимальная оценка - 20 баллов. За минимальную реализацию требований ставиться 10 баллов. Еще до 10 баллов можно получить за использование в работе возможностей OpenGL (текстур, прозрачности , environment mapping и пр.), оригинальных и продвинутых алгоритмов, количество настроек, а также за эстетичность и красоту сцены.
Целью данного задания является генерация и вывод с помощью OpenGL поверхности ландшафта, а также обеспечение интерактивного передвижения над ней. Обязательная часть задания Для выполнения обязательной части задания необходимы:
Более подробное описание: Генерация ландшафта Один из вариантов задания поверхности ландшафта - задание так называемого "поля высот" - функции вида z=f(x, y), которая сопоставляет каждой точке (x, y) плоскости OXY число z - высоту поверхности ландшафта в этой точке. Один из способов задания функции f - табличный, когда функция f представляется матрицей T размера M x N, и для целых x и y f=T[x, y], а для дробных x и y из диапазонов [0..M-1] и [0..N-1] соответственно f вычисляется интерполяцией значений f в ближайших точках плоскости OXY с целыми x и y, а вне указанных диапазонов x и y значение функции считается неопределенным. Допустим, в памяти лежит двухмерный массив со значениями матрицы T. Пусть N=M. Если теперь для каждого квадрата [x, x+1] x [y, y+1], где x и y принадлежат диапазону [0..N-2] построить две грани: ((x, y, T[x, y]), (x+1, y, T[x+1, y]), (x+1, y+1, T[x+1, y+1])) и ((x, y, T[x, y]), (x+1, y+1, T[x+1, y+1]), (x, y+1, T[x, y+1])), то мы получим трехмерную модель поверхности, описываемой матрицей Т. Но каким образом задать массив значений матрицы Т? Один из способов - сгенерировать псевдослучайную поверхность с помощью фрактального разбиения. Для этого положим размерность матрицы T равной 2^N+1, где N - натуральное число. Зададим некоторые произвольные (псевдослучайные) значения для четырех угловых элементов матрицы Т. Теперь для каждого из четырех ребер матрицы Т (это столбцы или строки элементов, соединяющие угловые элементы) вычислим значение элемента матрицы Т, соответствующего середине ребра. Для этого возьмем среднее арифметическое значений элементов матрицы Т в вершинах ребра и прибавим к получившемуся значению некоторое псевдослучайное число, пропорциональное длине ребра. Значение центрального элемента матрицы Т вычислим аналогично, только будем брать среднее арифметическое четырех значений элементов матрицы в серединах ее ребер. Теперь разобьем матрицу Т на четыре квадратные подматрицы. Значения их угловых элементов уже определены и мы можем рекурсивно применить к подматрицам Т описанную выше процедуру. Будем спускаться рекурсивно по дереву подматриц, пока все элементы Т не будут определены. С помощью подбора коэффициентов генерации псевдослучайной добавки можно регулировать "изрезанность" поверхности. Для реалистичности поверхности важно сделать величину псевдослучайной добавки зависящей от длины текущего ребра - с уменьшением размера ребра должно уменьшаться и возможное отклонение высоты его середины от среднего арифметического высот его вершин. Один из других вариантов - использовать изображения в градациях серого для карты высот. (В этом случае ландшафт можно оттекстурировать с помощью соответствующей цветной картинки и линейной генерации текстурных координат) Внимание: использование NURBS возможно, но не приветствуется в силу ограниченности использования NURBS для реальных приложений.
Чтобы сделать получившуюся модель немного более напоминающей ландшафт, ее можно раскрасить. Каждой вершине можно сопоставить свой цвет, зависящий от высоты этой вершины. Например, вершины выше определенного уровня можно покрасить в белый цвет в попытке сымитировать шапки гор, вершины пониже - в коричневый цвет скал, а вершины уровнем еще ниже - в зеленый цвет травы. Значения "уровней" раскраски поверхности следует подобрать из эстетических соображений. Освещение ландшафта Для еще большего реализма и для подчеркивания рельефа осветить модель ландшафта бесконечно удаленным источником света (как бы солнцем). Цвет вершин можно задавать через glColor*() совместно с glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
Чтобы усилить (или хотя бы создать) иллюзию больших размеров модели и ее протяженности, можно воспользоваться эффектом тумана. Тип тумана (линейный или экспоненциальный) следует выбрать из индивидуальных эстетических предпочтений. Способ создания тумана описан в разделе 4.4. Управление Элементарное управление движением камеры по клавиатурным "стрелочкам". Нажатие на стрелку "вверх" - передвижение по направлению взгляда вперед. "Назад" - по направлению взгляда назад. "Влево", "Вправо" по аналогии, "Page Up", "Page Down" - вверх, вниз, соответственно. В GLUT'е получать нажатия не алфавитно-цифровых клавиш можно через функцию glutSpecialFunc(void (*)(int key, int x, int y)), где key - константа, обозначающая клавишу (см. в glut.h - GLUT_KEY_). Функция используется аналогично glutKeyboardFunc().
Движение мыши в горизонтальной плоскости (смещение по оси X) управляет углом поворота направления взгляда в горизонтальной плоскости (альфа, от 0 до 2*PI). Движение мыши в вертикальной плоскости (смещение по оси Y) управляет углом поворота направления взгляда в вертикальной плоскости относительно горизонта (бета, от -PI до PI). Зная оба угла, вектор направления взгляда в мировых координатах вычисляется следующим образом: direction_z = sin(бета);
а затем нормализуется. Вектор направления "вбок" вычисляется как векторное произведение вектора направления вертикально вверх, то есть вектора (0, 0, 1) и уже известного вектора направления взгляда. Вектор направления "вверх" вычисляется как векторное произведение вектора направления взгляда и вектора направления "вбок". Положение камеры в OpenGL можно передать через gluLookAt(). Подсказка: параметр target можно положить равным position + direction Смещение позиции камеры должно происходить не на фиксированное расстояние за один кадр, а вычисляться, исходя из скорости передвижения камеры, и времени, ушедшего на обсчет последнего кадра. Передвижение камеры должно осуществляться в направлении взгляда. Скажем, по левой кнопке мыши - вперед, а по правой - назад. Для того, чтобы засечь время, можно воспользоваться функцией timeGetTime(), описанной в "mmsystem.h", и реализованной в библиотеке "winmm.lib" (только для Windows) #include "mmsystem.h" ...
void Display() { ... int system_time_before_rendering; system_time_before_rendering = timeGetTime(); RenderFrame(); int time_spent_rendering_msec = timeGetTime() -system_time_before_rendering; ...
} В GLUT'е для этого есть специальный вызов time = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME) (аналогично timeGetTime()) Вода, или нечто на нее похожее При раскраске ландшафта можно добавить еще один, самый нижний "уровень" - уровень воды. Вершины, располагающиеся на этом уровне можно покрасить в цвет воды - предположительно, синий. Для того, чтобы получившиеся "водоемы" не выглядели продолжением поверхности ландшафта просто покрашенным в синий цвет, а имели плоскую поверхность, при генерации поля высот можно установить порог высоты, ниже которого "опускаться" вершинам запрещается. Если для элемента матрицы генерируется значение высоты ниже этого порога, элемент инициализируется пороговым значением. Объекты По ландшафту можно раскидать в художественном беспорядке от пятидесяти (50) объектов, встречающихся на ландшафте в обычной жизни, например домов или деревьев. При этом ель считается деревом, а две равнобедренные вытянутые вертикально грани, поставленные на ландшафт крест накрест и покрашенные в зеленый цвет, считаются елью. Отражения в воде Сделать так, чтобы ландшафт отражался в воде, которая уже должна присутствовать на ландшафте (то есть подразумевается, что это дополнительное задание является развитием дополнительного задания 2). Один из вариантов реализации: рассчитав текущую матрицу камеры, отразить ее относительно плоскости воды и изображение ландшафта, не выводя при этом грани поверхности воды. Затем, пользуясь еще не отраженной матрицей камеры, визуализировать грани поверхности воды полупрозрачными. Это создаст иллюзию поверхности воды, сквозь которую видно отражение. Затем, опять же с неотраженной матрицей камеры, нужно нарисовать сам ландшафт. (этот подход является частным случаем описанного в разделе 7.3.) Тени На этапе раскраски вершин ландшафта (то есть это надо сделать один раз, а не каждый кадр) из каждой вершины можно выпустить луч, противоположный направлению солнца. Если луч не пересекся с поверхностью ландшафта - раскрашивать как запланировано, если пересекся - значит данная вершина ландшафта находится в тени и для нее нужно взять менее интенсивный цвет. Примечание: реализация теней является задачей повышенной сложности (придется писать нахождение пересечений луча с гранями, что в общем случае нетривиально). Оценка:
В таблице указано максимальное число баллов по каждому пункту. Система выставления баллов - гибкая, зависит от правдоподобности и впечатления от работы. Дополнительные источники информации: http://www.vterrain.org - на этом есть почти все про ландшафты. Литература
Предметный указательA API 7
G GLU, Graphics Utility Library 10 GLUT, GL Utility Toolkit 10 I IRIS GL 7 O OpenGL 7
оптимизация 73 ошибки 84 приемы работы 63 синтаксис команд 13 Б Буфер
глубины 37, 56 кадра 56, 57, 60 маски 56, 60, 68, 70 накопитель 56, 58 очистка 19, 82 цвета 56
Буферизация двойная 56 В Вершина 11, 20 атрибуты 11, 29 массив 28 нормаль 20, 21 положение 20 цвет 20, 21 Г Грань 24 лицевая 25 обратная 25 Д Дисплейный список 26, 79 вызов 27 создание 26 удаление 27 З Зеркальные отражения 69 И 4.3.Источник света 42 добавление 42 К Команды GL glAccum 59 glArrayElement 28 glBegin 22 glBindTexture 49 glBlendFunc 57 glCallList 27 glCallLists 27 glClear 19, 20 glClearColor 19 glClearDepth 83 glColor 21 glColorMaterial 41 glColorPointer 28 glCullFace 25 glDeleteLists 27 glDepthRange 37 glDisable 22 glDisableClientState 28 glDrawArrays 29 glDrawBuffer 59 glDrawElements 29 glEnable 22 glEnableClientState 28 glEnd 22
glEndList 26 glFog 45
glFrontFace 25 glGenTextures 49 glHint 62 glLight 42 glLightModel 39 glLoadIdentity 32 glLoadMatrix 32 glMaterial 40 glMatrixMode 32 glMultMatrix 32 glNewList 26 glNormal 21 glNormalPointer 28 glOrtho 35 glPointSize 75 glPolygonMode 25 glPopMatrix 32 glPushMatrix 32 glReadBuffer 59 glRotate 34 glScale 34 glShadeModel 21 glStencilFunc 60 glStencilOp 60 glTexCoord 53 glTexEnv 51 glTexGen 53 glTexParameter 50 glTranslate 34 gluLookAt 34 glVertex 20 glVertexPointer 28 glViewPort 37 Команды GLAUX auxDIBImageLoad 47 Команды GLU gluBuild2DMipmaps 48 gluCylinder 26, 90 gluDisk 90 gluNewQuadric 26 gluOrtho2D 35 gluPartialDisk 91 gluPerspective 36 gluQuadricTexture 53 gluScaleImage 48 gluSphere 26, 90 Команды GLUT glutCreateWindow 17 glutDisplayFunc 17, 19, 87 glutIdleFunc 87 glutInit 16, 86 glutInitDisplayMode 16, 86 glutInitWindowPosition 86 glutInitWindowSize 16, 86 glutKeyboardFunc 17 glutMainLoop 17, 88 glutMotionFunc 88 glutMouseFunc 87 glutPassiveMotionFunc 88 glutPostRedisplay 19 glutReshapeFunc 17, 38, 87 glutSolidCone 91 glutSolidCube 91 glutSolidDodecahedron 92 glutSolidIcosahedron 92 glutSolidOctahedron 92 glutSolidSphere 91 glutSolidTetrahedron 92 glutSolidTorus 91 glutWireCone 91 glutWireCube 91 glutWireDodecahedron 92 glutWireIcosahedron 92 glutWireOctahedron 92 glutWireSphere 91 glutWireTetrahedron 92 glutWireTorus 92 glutPostRedisplay 88 Конвейер OpenGL 11 режим работы 22 Конус видимости 36 Л 7.1.Лестничный эффект 63 устранение 63 М Материал параметры 40 Матрица 31 единичная 32 изменение 32 модельно-видовая 31 проекций 31 создание 34 сохранение 32 текстуры 31 текущая 34 умножение 32 О Область вывода 37 Операторные скобки 22 Освещение модель 39 П Положение наблюдателя 34 Примитив 11, 56 атомарный 20 интерполяция цветов 21 многоугольник 23 отрезок 22 последовательность 22 связанный 77 тип 22
точка 22 треугольник 23 четырехугольник 23 3.3.Проекция 35 ортографическая 35 перспективная 36 Прозрачность 57 Р Растеризация 56 С Сервер OpenGL 11 Система координат 31 левосторонняя 35 оконная 37 Т Текстура 47 координаты 52 наложение 50 подготовка 47 размеры 47 режим интерполяции 51 уровень детализации 48 Тени 64 Туман 45, 56 вычисление интенсивности 45 Ф
обновления изображения 19 жүктеу/скачать 0.67 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|