Chapitre 1 : Introduction - Programmation 3D

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1 Chapitre 1 : Introduction - Programmation 3D Modélisation 3D et Synthèse Fabrice Aubert fabrice.aubert@lifl.fr IEEA - Master Info F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

2 1 Objectifs de M3DS F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

3 Fondations d une application 3D Modélisation 3D : représentation et construction informatique des objets 3D (forme, position). Visualisation 3D : rendu projectif et par lancer de rayons, éclairage, texture. Interaction 3D : navigation/sélection/manipulation. Animation 3D : représentation et algorithme du mouvement. Programmation 3D : développement/réalisation. On commencera par de la programmation 3D (comment tracer?). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

4 Orientation du cours Approche "bas-niveau" du développement 3D pour acquérir les fondements : Eléments algébriques : coordonnées, repères, produit scalaire,... (application informatique) Représentations et algorithmes fondamentaux : modèles 3D, élimination parties cachées,... Librairie de programmation 3D : OpenGL. Nous n utiliserons pas d outils "haut-niveau" : Pas d infographie : 3D Studio Max, Blender, Maya, Rhino 3D,... Pas de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) : SolidWorks, SolidEdge, CATIA,... Pas d utilisation de frameworks de développement 3D : Unity3D, jmonkeyengine, Ogre3D, Open SceneGraph, Unreal Engine,... F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

5 Environnement TPs C++ 11 OpenGL (> 3.0) Qt Basé sur des squelettes à compléter F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

6 2 Introduction à OpenGL F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

7 OpenGL tracer des triangles... API de rendu 3D dédiée aux cartes graphiques. 2 librairies majeures sur desktop : OpenGL et Direct3D déclinaison sur mobile : OpenGL ES déclinaison pour le web : WebGL Spécifications définies par le consortium http :// Site officiel : http :// F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

8 Tutoriels OpenGL http :// http :// http ://ogldev.atspace.co.uk/ F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

9 Mise en place Initialisation d un contexte OpenGL par le serveur graphique (Windows, X11, etc). Opération très bas-niveau les frameworks GUI "usuels" (Qt, GTK+, wxwidgets,...) proposent de gérer une fenêtre/widget OpenGL. ou passer par une librairie dédiée (exemple : freeglut). les squelettes des tps utilisent le framework Qt (ouverture de la fenêtre OpenGL, etc, assuré par les squelettes). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

10 Squelette des TP Mise en oeuvre usuelle (événementiel ; démarche similaire dans tous les frameworks) : GLApplication : : GLApplication ( ) { / / constructeur => initialisation des données de l application... void GLApplication : : i n i t i a l i z e ( ) { / / appelée 1 seule fois à l initialisation du contexte OpenGL / / => i n i t i a l i s a t i o n s concernant OpenGL glclearcolor ( 1, 1, 1, 1 ) ; / /... void GLApplication : : r e s i z e ( i n t width, i n t height ) { / / appelée à chaque dimensionnement du widget OpenGL / / ( i n c l u s l ouverture de la fenê t r e ) / / => r églages l i és à l a t a i l l e de l a fenê t r e glviewport (0,0, width, height ) ; / /... void GLApplication : : update ( ) { / / appelée t o utes l e s 20ms (60Hz ) / / => mettre à jour les données de l application / / avant l a f f i c h a g e de l a prochaine image ( animation ) / /... void GLApplication : : draw ( ) { / / appelée après chaque update / / => tracer toute l image g l C l e a r (GL_COLOR_BUFFER_BIT ) ; / /... F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

11 Premier exemple Se familiariser avec le vocabulaire technique de la prog3d Vertex Buffer Object (VBO) Vertex Array Object (VAO) Program Shader (Vertex Shader et Fragment Shader). Commandes de tracé. Suite du chapitre : très technique! (CTD = principes/étapes/commentaires nécessaires ; TP = mise en pratique du code)??? ====================== F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

12 Sommets des triangles On doit définir la position des 6 sommets des triangles (sommet = vertex en anglais). Les coordonnées (x,y,z) en OpenGL sont normalisées : NDC = Normalized Device Coordinates x (horizontal), y (vertical) et z (profondeur) sont comprises dans [ 1, 1] GLApplication. cpp : GLApplication. h : GLApplication : : GLApplication ( ) { class GLApplication { _positiondata ={ ,0.0, 0.3, / / vertex 0 / / f i r s t t r i a n g l e GLApplication ( ) ; 0.3, 0.7, 0.3, / / vertex ,0.9, 0.3, / / vertex 2 private : 0.4, 0.5,0.4, / / vertex 3 / / second t r i a n g l e std : : vector <float > _positiondata ; 0. 9, 0. 4, 0. 4, / / vertex , 0.9,0.4 / / vertex 5 ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

13 Copie sur le serveur OpenGL OpenGL manipule/trace des données qui sont dans sa propre mémoire (serveur OpenGL). Il faut donc copier les données de l application cliente dans la mémoire OpenGL. Utilisation des Vertex Buffer Objects (VBO). VBO = zone mémoire OpenGL identifiée par un entier. GLApplication. h : class GLApplication {... GLApplication ( ) ; void initvbo ( ) ;... private : std : : vector <float > _positiondata ; GLuint _ positionbuffer ; / / un i d e n t i f i a n t pour un VBO... Copie des données _positiondata dans le VBO _positionbuffer (cf signification des instructions dans transparent suivant) : GLApplication. cpp : void GLApplication : : initvbo ( ) { glgenbuffers (1,& _positionbuffer ) ; g l B in d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _p o s i t i o n B u f f e r ) ; glbufferdata (GL_ARRAY_BUFFER, _positiondata. size () s i z e o f ( f l o a t ), _positiondata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

14 VBO : Vertex Buffer Object GLApplication. cpp : void GLApplication : : initvbo ( ) { glgenbuffers (1,& _positionbuffer ) ; g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _p o s i t i o n B u f f e r ) ; glbufferdata (GL_ARRAY_BUFFER, _positiondata. size () s i z e o f ( f l o a t ), _positiondata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ; glgenbuffers : génère un nouvel identifiant (c est un entier) pour une zone mémoire OpenGL (un buffer). L identifiant _positionbuffer est encore appelé handle ou référence. glbindbuffer : indique quel est le VBO courant actif. Après ce bind, toutes les instructions qui concernent ARRAY_BUFFER concerneront le VBO _positionbuffer (indirection). glbufferdata : recopie les données clientes (contenues dans _positiondata) dans le buffer OpenGL référencé par ARRAY_BUFFER (ici l identifiant _positionbuffer). Syntaxe : void glbufferdata(glenum target, GLsizeiptr size, const GLvoid data, GLenum usage); Remarque : le contenu des VBO n a aucune interprétation particulière pour OpenGL! (ce sont des octets). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

15 Commande de tracé void GLApplication : : draw ( ) { g l C l e a r (GL_COLOR_BUFFER_BIT ) ;... gldrawarrays (GL_TRIANGLES, 0, 6 ) ;... Tracer des triangles en prenant 6 sommets (0 = début = à partir du premier sommet). Cela ne suffit pas! Il faut préciser avant gldrawarrays où prendre les données des sommets et comment "afficher". F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

16 Pipeline OpenGL (principe) Etapes successives (= pipeline) lors du gldrawarrays : Idem pour les triangles suivants. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

17 Shaders Ce sont des programmes qu il faut donner à OpenGL (sources, compilation, linkage). Langage : GLSL (GL Shading Language). Proche du C. Très orienté 3D (types prédéfinis, fonctions). Exemple de vertex shader simple (exécuté pour chaque sommet) : # version 130 in vec3 position ; / / attribut (x, y, z ) void main ( ) { gl_position=vec4 ( position, 1. 0 ) ; attribut = données d entrées pour chaque sommet. Il faudra indiquer à OpenGL comment alimenter cet attribut (i.e. où aller chercher ces données). gl_position = variable prédéfinie obligatoirement à affecter (objectif obligatoire du vertex shader = donner la position du sommet). vec4 = 4 coordonnées?? gl_position=vec4(x,y,z,w) : coordonnées homogènes (décrites plus tard). Pour l instant (on précisera au chapitre suivant) on prend w = 1.0 ; les coordonnées (x, y, z) de gl_position sont à donner en NDC (Normalized Device Coordinates). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

18 Fragment shader Exemple de fragment shader simple (exécuté pour chaque pixel affiché) : # version 130 out vec4 fragcolor ; / / s o r t i e = données du p i x e l void main ( ) { fragcolor=vec4 ( 1, 0, 0, 1 ) ; / / rouge, vert, bleu, alpha obligatoire de donner au minimum une sortie (fragcolor ici) qui sera la couleur du pixel. remarque : toutes les données associées à un pixel sont regroupées sous le nom de fragment. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

19 Shaders en OpenGL Il faut : Créer un identifiant pour un program shader : un program shader regroupera un vertex shader et un fragment shader. Créer les identifiants pour le fragment et le vertex shader. Affecter les codes sources à ces identifiants. Compiler le fragment et le vertex shader. Linker le program shader. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

20 Shaders en OpenGL void GLApplication : : initprogramshader ( ) { s t r i n g vertexsource = " # version 130\n " " in vec3 position ; " / / " traditionnellement " : attribut " position " appelé " vertex " " void main ( ) { " " gl_position=vec4 ( position, 1. 0 ) ; " " " ; s t r i n g fragmentsource = " # version 130\n " " out vec4 fragcolor ; " " void main ( ) { " " fragcolor=vec4 ( 1, 0, 0, 1 ) ; " " " ; _program=glcreateprogram ( ) ; / / membre GLuint _program ; GLuint vertexshader=glcreateshader (GL_VERTEX_SHADER ) ; GLuint fragmentshader=glcreateshader (GL_FRAGMENT_SHADER) ; glattachshader ( _program, vertexshader ) ; glattachshader ( _program, fragmentshader ) ; const char source ; source=vertexsource. c _s t r ( ) ; glshadersource ( vertexshader,1,&source,null ) ; source=fragmentsource. c _str ( ) ; glshadersource ( fragmentshader,1,&source,null ) ; glcompileshader ( vertexshader ) ; glcompileshader ( fragmentshader ) ; glbindattriblocation ( _program,0, " position " ) ; gllinkprogram ( _program ) ; glbindattriblocation?? l attribut position du vertex shader sera identifié par le numéro 0 (sera utilisé pour alimenter les valeurs de cet attribut position). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

21 Tracé OpenGL void GLApplication : : draw ( ) { / / appelée après chaque update / / => tracer toute l image g l C l e a r (GL_COLOR_BUFFER_BIT ) ; gluseprogram ( _program ) ;... gldrawarrays (GL_TRIANGLES, 0, 6 ) ; gluseprogram ( 0 ) ;... On a indiqué avec quel programme shader il faut tracer les triangles. gluseprogram(0)?? précaution pour d éventuels effets de bord ("normalement" inutile). Cela ne suffit toujours pas! Il faut préciser comment alimenter les attributs du vertex shader (i.e. sur cet exemple, indiquer où se trouvent les valeurs de l attribut position). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

22 Vertex Array Objects (VAO) Le rôle d un VAO est d indiquer quelles seront les valeurs des attributs du vertex shader actif lors du tracé : il fait le lien entre les buffers et les attributs des shaders. VAO = indiquer pour chaque attribut du Vertex Shader quel VBO sera utilisé. Un même VAO peut être appliqué à différents shaders (et le même shader à différents VAO). Comme la très grande majorité des "Objects" OpenGL, il faut : générer un identifiant de VAO, puis faire un bind pour le rendre actif et travailler dessus : void GLApplication : : initvao ( ) { glgenvertexarrays (1,& _vao ) ; glbindvertexarray ( _vao ) ; g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _p o s i t i o n B u f f e r ) ; g l V e r t e x A t t r i b P o i n t e r ( 0,3,GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0 ) ; glenablevertexattribarray ( 0 ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; / / par pr é caution ( e f f e t de bord ) glvertexattribpointer : associe l attribut numéro 0 du shader qui sera actif lors du tracé (sur notre exemple il s agit la variable position : cf glbindattriblocation de l initialisation du shader) au buffer ARRAY_BUFFER. Les données d un buffer n ont aucune interprétation : il faut donc préciser combien de composantes il faut prendre et de quel type pour l attribut 0 (ici 3 float (x, y, z) pour chaque sommet). GL_FALSE, 0, 0 : paramètres vus plus tard en TP. glenablevertexattribarray(0) : indique que l attribut numéro 0 du shader actif lors du tracé doit être alimenté par un ARRAY_BUFFER (par défaut, ils sont aliméntés par des valeurs constantes). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

23 Tracé OpenGL void GLApplication : : i n i t i a l i z e ( ) { / / appelée 1 seule fois à l initialisation du contexte / / => i n i t i a l i s a t i o n s OpenGL glclearcolor ( 1, 1, 1, 1 ) ; initprogramshader ( ) ; initvbo ( ) ; initvao ( ) ; void GLApplication : : draw ( ) { / / appelée après chaque update / / => tracer toute l image g l C l e a r (GL_COLOR_BUFFER_BIT ) ; gluseprogram ( _program ) ; glbindvertexarray ( _vao ) ; gldrawarrays (GL_TRIANGLES, 0, 6 ) ; gluseprogram ( 0 ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

24 Résumé Les données sont gérées par l application (sur cet exemple, le tableau des coordonnées des triangles). Généralement les données (i.e. les modèles) sont plus complexes qu un simple tableau : prévoir une phase de copie/transformation dans un tableau pour pouvoir ensuite copier dans les buffers OpenGL. Démarche : Initialiser : Program Shader (inclut un Vertex Shader et un Fragment Shader) : compiler/linker les shaders (souvent fait une fois pour toute à l initialisation). VBO : copier les données de l application (positions, couleurs, etc des sommets) dans des buffers OpenGL (peut être dynamique avec une mise à jour de ces buffers). VAO : indiquer quel VBO alimentera chaque attribut des shaders (généralement fait une fois pour toute à l initialisation). Pour tracer : Activer un Shader (inclut un Vertex et un Fragment Shaders) Activer un VAO (associe pour chaque attribut du Vertex Shader un VBO) Faire un (ou plusieurs) gldraw (parcourt les VBO dans l ordre : 3 premiers sommets = premier triangle ; 3 sommets suivans = second triangle ; etc). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

25 Résumé "Lourd"? la démarche devient rapidement systématique (quasi du copier-coller pour chaque VAO, VBO et aisé à abstraire ; 2/3 shaders pour une application simple). beaucoup de framework allègent la gestion des shaders (lecture du code source depuis des fichiers, puis compilation/link en une méthode), des VBO, et des VAO (avec, souvent, le risque de réduire leur richesse/liberté). comprendre l intérêt : lors d un gldrawarrays(gl_triangles,0, ) le cpu ne fait rien (tout est assuré par la carte graphique). souplesse de programmation des vertex/fragment shaders. https :// F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

26 3 Paramétrisation des shaders (uniform) F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

27 Objectif Changer la couleur dans le fragment shader? (pas très dynamique...) # version 130 out vec4 fragcolor ; / / s o r t i e = données du p i x e l void main ( ) { fragcolor=vec4 ( 0, 1, 0, 1 ) ; / / rouge, vert, bleu, alpha F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

28 Uniform Fragment shader : # version 130 uniform vec4 color ; out vec4 fragcolor ; void main ( ) { fragcolor=color ; on affecte la couleur depuis l application : void GLApplication : : draw ( ) { g l C l e a r (GL_COLOR_BUFFER_BIT ) ; gluseprogram ( _program ) ; GLint locationcolor=glgetuniformlocation ( _program, " color " ) ; gluniform4f ( l o c a t i o n C o l o r, 0, 1, 0, 1 ) ; / / t o u t e valeur c a l c u l ée ou non glbindvertexarray ( _vao ) ; gldrawarrays (GL_TRIANGLES, 0, 6 ) ; gluseprogram ( 0 ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; Un uniform reste constant pendant tout le gldrawarrays (mais peut, bien sûr, être modifié entre 2 gldrawarrays par l application...) F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

29 4 Communication vertex/fragment shaders (varying) F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

30 Objectif Il y a un attribut supplémentaire à chaque sommet (une couleur en plus de la position). En chaque pixel la couleur est interpolée (i.e. "moyenne pondérée"). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

31 Vertex/Fragment Vertex : # version 130 in vec3 position ; / / attribut (x, y, z ) in vec4 color ; / / attribut ( r, v,b,a ) out vec4 fcolor ; / / varying : out pour vertex, in pour fragment void main ( ) { fcolor = color ; gl_position=vec4 ( position, 1. 0 ) ; Fragment : # version 130 in vec4 fcolor ; / / c a l c u l ée par i n t e r p o l a t i o n des valeurs a f f e c t ées / / dans l e v e r t e x shader ( varying ) out vec4 fragcolor ; void main ( ) { fragcolor=fcolor ; fcolor est affecté dans le vertex shader (exécuté pour chaque sommet du triangle tracé). fcolor est "récupéré" dans le fragment shader (exécuté pour chaque pixel du triangle tracé) : la valeur récupérée est calculée par interpolation par OpenGL. C est la "moyenne pondérée" (selon la position du pixel) des 3 fcolor calculés aux sommets du triangle. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

32 Interpolation Bien comprendre le processus : la couleur fcolor est affectée uniquement aux sommets par le vertex shader (pour un triangle = 3 valeurs). lors de la rasterization (remplissage pixel par pixel), chaque fragment (triangle de 500 pixels = 500 exécutions du fragment shader) récupère une valeur fcolor calculée (par interpolation). ces variables calculées entre le vertex shader (avec out) et le fragment shader (avec in) sont souvent appelées varying (ancienne syntaxe). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

33 Interpolation linéaire M = (1 λ)v 0 + λv 1 (avec λ [0,1]) Interpoler linéairement la valeur f entre V 0 et V 1 signifie qu on considère que f varie linéairement entre V 0 et V 1 (la variation est constante entre f(v 0 ) et f(v 1 )). f(m) = (1 λ)f(v 0 ) + λf(v 1 ) Remarque : calcul de λ connaissant V 0, V 1 et M? F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

34 Interpolation bilinéaire (triangle) Interpolation linéaire sur [V2 V 0 ] : M 1 = (1 λ 1 )V 2 + λ 1 V 0 f(m 1 ) = (1 λ 1 )f(v 2 ) + λ 1 f(v 0 ) Interpolation linéaire sur [V2 V 1 ] : M 2 = (1 λ 2 )V 2 + λ 2 V 1 f(m 2 ) = (1 λ 2 )f(v 2 ) + λ 2 f(v 1 ) Interpolation linéaire sur [M1,M 2 ] : M = (1 λ)m 1 + λm 2 f(m) = (1 λ)f(m 1 ) + λf(m 2 ) Remarques : «en dessous»de V0, il faut poursuivre le calcul sur M 1 avec les sommets V 0 et V 1. Toute valeur varying sera calculée ainsi avant l exécution d un fragment shader (dans le principe ; le calcul exact est à nuancer avec la correction de perspective qui sera vue plus tard). Appliquée à la couleur, cette interpolation est appelée interpolation de Gouraud (ou «lissage»de Gouraud = Gouraud Shading). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

35 Couleurs des sommets dans VBO Il faut spécifier la couleur en chaque sommet (en plus des coordonnées) : GLApplication : : GLApplication ( ) { _positiondata ={ 0.8,0.0, 0.3, / / vertex 0 / / f i r s t triangle 0.3, 0.7, 0.3, / / v e r t e x 1 0.0,0.9, 0.3, / / v e r t e x 2 0.4, 0.5,0.4, / / v e r t e x 3 / / second t r i a n g l e 0. 9, 0. 4, 0. 4, / / v e r t e x 4 0.8, 0.9,0.4 / / v e r t e x 5 ; _colordata = { 1. 0, 0. 0, 0. 0, 1. 0, / / color 0 / / f i r s t triangle 0. 0, 1. 0, 0. 0, 1. 0, / / c o l o r , 0. 0, 1. 0, 1. 0, / / c o l o r , 0. 8, 0. 2, 1. 0, / / c o l o r 3 / / second t r i a n g l e 0. 8, 0. 1, 0. 0, 1. 0, 0. 1, 0. 7, 0. 8, 1. 0 ; void GLApplication : : initvbo ( ) { glgenbuffers (1,& _positionbuffer ) ; g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _p o s i t i o n B u f f e r ) ; glbufferdata (GL_ARRAY_BUFFER, _positiondata. size () s i z e o f ( f l o a t ), _positiondata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ; glgenbuffers (1,& _colorbuffer ) ; g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _c o l o r B u f f e r ) ; glbufferdata (GL_ARRAY_BUFFER, _colordata. size () s i z e o f ( f l o a t ), _colordata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

36 Modifications VAO Ne pas oublier de faire la correspondance numéro d attribut/nom de l attribut lors de l initialisation du program shader : void GLApplication : : initprogramshader ( ) { / /... read, compile, l i n k shader / /... glbindattriblocation ( _program,0, " position " ) ; glbindattriblocation ( _program,1, " couleur " ) ; gllinkprogram ( _program ) ; Faire la correspondance numéro d attribut/vbo dans le VAO : void GLApplication : : initvao ( ) { glgenvertexarrays (1,& _vao ) ; glbindvertexarray ( _vao ) ; / / p o s i t i o n = a t t r i b u t e 0 g l B in d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _p o s i t i o n B u f f e r ) ; g l V e r t e x A t t r i b P o i n t e r ( 0, 3,GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0 ) ; / / c o l o r = a t t r i b u t e 1 g l B in d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _c o l o r B u f f e r ) ; g l V e r t e x A t t r i b P o i n t e r ( 1, 4,GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0 ) ; glenablevertexattribarray ( 0 ) ; glenablevertexattribarray ( 1 ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

37 Exercice On souhaite : Plusieurs solutions (2 gldraw avec uniform, 1 gldraw avec attributs). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

38 Exercice On dispose de : _positiondata = {V0,V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7 ; (pseudo code : comprendre un tableau de f l o a t {x0, y0, z0, x1, y1, z1,... etc ). On souhaite : Remarque : ordre des sommets et un sommet en commun. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

39 Indexed Face Set On peut donner d une part les sommets, et d autre part comment ils sont reliés pour former les triangles (en donnant la succession des indices des sommets). GLApplication : : GLApplication ( ) {... _indexdata = { 2, 0, 5, 1, 4, 3, 7, 3, 6 ; / / i n d i c e s des sommets ( i n d i r e c t i o n dans l e s b u f f e r s )... void GLApplication : : initvbo ( ) { / /... c f initvbo pr écédent glgenbuffers (1,& _indexbuffer ) ; / / A t t e n t i o n à l a c i b l e du Bind et de l a copie!!! g l Bi n d B u f fe r (GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, _indexbuffer ) ; glbufferdata (GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, _indexdata. size () sizeof ( unsigned int ), _indexdata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ; void GLApplication : : initvao ( ) { glgenvertexarrays (1,& _vao ) ; glbindvertexarray ( _vao ) ; / /... c f VAO pr écédent / / A t t e n t i o n à l a c i b l e g l Bi n d B u f fe r (GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, _indexbuffer ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; void GLApplication : : draw ( ) { / /... c f draw pr écédent glbindvertexarray ( _vao ) ; / / 9 indices à prendre ( i.e. 9 r é f érences à des sommets = 3 t r i a n g l e s ) gldrawelements (GL_TRIANGLES,9,GL_UNSIGNED_INT, 0 ) ; / /... F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

40 Exercice On souhaite : gldrawarrays(gl_triangle_strip,...) On souhaite : F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

41 Exercice anneau on peut ("bien sûr") faire gldrawelements avec GL_TRIANGLE_STRIP. _positiondata ={V0,V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7 ; _elementdata = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1 ;... gldrawelements (GL_TRIANGLE_STRIP,10,GL_UNSIGNED_INT, 0 ) ;... Est-ce qu il faut préférer la redondance des sommets à la fin (gldrawarrays(gl_triangle_strip,...) ou faire un index (gldrawelements(gl_triangle_strip,...))?? Le GL_TRIANGLE_STRIP peut demander un gros effort d organisation des triangles (ordre des sommets, découpage, etc) : pas si souvent utilisé que ça en pratique. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

42 Exercice F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

43 Exercice (tracé avec glpolygonmode(gl_front_and_back,gl_fill)) _positiondata. c l e a r ( ) ; _positiondata. push_back (0.0); _positiondata. push_back (0.0); _positiondata. push_back (0.0); i n t nbslice =100; f l o a t steptheta = / nbslice ; f l o a t t h e t a =0.0; double x, y, z =0; for ( i n t i =0; i <nbslice ; i ++) { x=0.5 cos ( theta ) ; y=0.5 s i n ( t h e t a ) ; _positiondata. push_back (x ) ; _positiondata. push_back (y ) ; _positiondata. push_back (z ) ; t h e t a +=steptheta ; _positiondata. push_back (0.5); _positiondata. push_back (0.0); _positiondata. push_back (0.0); (tracé avec glpolygonmode(gl_front_and_back,gl_line)) F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

44 Sommet = tous ses attributs _positiondata ={ V0, V1, V2, V3 ; _colordata= { rouge, vert, rouge, bleu ; / / pseudo code _indexdata = { 0, 1, 2, 0, 2, 3 ;... gldrawelements (GL_TRIANGLES,6,GL_UNSIGNED_INT, 0 ) ; Remarque : non tracé en GL_TRIANGLE_STRIP pour comparer à l illustration suivante. _positiondata ={ V0, V1, V2, V3, V4, V5 ; _colordata= { rouge, vert, rouge, bleu, vert, bleu ; / / pseudo code _indexdata = { 0, 1, 2, 4, 5, 3 ;... gldrawelements (GL_TRIANGLES,6,GL_UNSIGNED_INT, 0 ) ; V4 = V0 et V5 = V2 : V0 et V2 doivent être dupliqués car ils n ont pas la même couleur (il n y a qu un seul ELEMENT_ARRAY_BUFFER : chaque indice concerne tous les attributs). 1 sommet = tous ses attributs F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

45 5 Texture F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

46 Résultat F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

47 Texture Texture = "données" (ici une image : chaque élément est un triplet (rouge,vert,bleu)) Chaque élément = texel (analogie avec pixel). Les texels sont localisés par des coordonnées (s, t) normalisées ( [0, 1]). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

48 Coordonnées de textures _positiondata ={ 0.8,0.0, 0.3, / / vertex 0 / / f i r s t t r i a n g l e 0.3, 0.7, 0.3, / / vertex 1 0.0,0.9, 0.3, / / vertex 2 0.4, 0.5,0.4, / / vertex 3 / / second t r i a n g l e 0. 9, 0. 4, 0. 4, / / vertex 4 0.8, 0.9,0.4 / / vertex 5 ; _texcoorddata ={ 0. 2, 0. 3, / / texcoord f o r V0 0. 6, 0. 2, / / texcoord f o r V1 0. 1, 0. 9, / / texcoord f o r V2 0. 7, 0. 7, / / texcoord f o r V3 0. 9, 0. 1, / / texcoord f o r V4 0. 9, 0. 7 / / texcoord f o r V5 ; A chaque sommet on indique les coordonnées de texture (attribut). Pour ce résultat : les coordonnées de texture seront interpolées lors de la rasterization (varying). on affecte la couleur du pixel (fragment shader) avec la couleur du texel qui se trouve à ces coordonnées de texture. F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

49 Texture Object void GLApplication : : inittexture ( ) { / / load image ( image loader l i b r a r y r e q u i r ed... ) QImage img ; img. load ( ".. / media / lagoon. jpg " ) ; img=img. converttoformat (QImage : : Format_ARGB32 ). mirrored ( ) ; / / Qt Image (0,0) is left top => mirrored / / t e x t u r e Object ( t a r g e t GL_TEXTURE_2D) glgentextures (1,& _textureid ) ; glbindtexture (GL_TEXTURE_2D, _textureid ) ; glteximage2d (GL_TEXTURE_2D,0,GL_RGBA, img. width ( ), img. height ( ),0,GL_BGRA,GL_UNSIGNED_BYTE, img. b i t s ( ) ) ; gltexparameterf (GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR ) ; gltexparameterf (GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR ) ; gltexparameterf (GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_S,GL_REPEAT ) ; gltexparameterf (GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_T,GL_REPEAT ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

50 VBO/VAO Idem que les positions, couleurs,... void GLApplication : : i n i t B u f f e r ( ) {... glgenbuffers (1,& _texcoordbuffer ) ; g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _texcoordbuffer ) ; glbufferdata (GL_ARRAY_BUFFER, _texcoorddata. size () sizeof ( f l o a t ), _texcoorddata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ;... void GLApplication : : initvao ( ) { glgenvertexarrays (1,& _vao ) ; glbindvertexarray ( _vao ) ; / / p o s i t i o n = a t t r i b u t e 0 g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _p o s i t i o n B u f f e r ) ; g l V e r t e x A t t r i b P o i n t e r ( 0,3,GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0 ) ; / / texcoord = a t t r i b u t e 1 g l Bi n d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _texcoordbuffer ) ; g l V e r t e x A t t r i b P o i n t e r ( 1,2,GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0 ) ; glenablevertexattribarray ( 0 ) ; glenablevertexattribarray ( 1 ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

51 Shaders Coordonnées de textures aux sommets = attributs (comme les autres données aux sommets) La texture elle-même (l ensemble des texels) = uniform de type sampler2d Vertex shader : # version 130 in vec3 position ; / / attribut (x, y, z ) in vec2 texcoord ; / / attribut (s, t ) out vec2 ftexcoord ; / / out pour vertex, in pour fragment void main ( ) { ftexcoord = texcoord ; gl_position=vec4 ( position, 1. 0 ) ; Fragment : # version 130 uniform sampler2d texunit ; in vec2 ftexcoord ; out vec4 fragcolor ; void main ( ) { fragcolor=texture2d ( texunit, ftexcoord ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

52 Unité de texture # version 130 uniform sampler2d texunit ; in vec2 ftexcoord ; out vec4 fragcolor ; void main ( ) { fragcolor=texture2d ( texunit, ftexcoord ) ; Attention : texunit ne sera pas affecté avec un identifiant de texture (i.e. _textureid dans l exemple) mais avec une unité de texture (i.e. nombre entre 0 et 7). Il faut donc préciser quelle identifiant de texture est affectée à l unité de texture souhaitée. void GLApplication : : draw ( ) { / / appelée après chaque update / / => tracer toute l image g l C l e a r (GL_COLOR_BUFFER_BIT ) ; gluseprogram ( _program ) ; glactivetexture (GL_TEXTURE0 ) ; glbindtexture (GL_TEXTURE_2D, _textureid ) ; i n t locationtexunit=glgetuniformlocation ( _program. id ( ), " texunit " ) ; gluniform1i ( locationtexunit, 0 ) ; glbindvertexarray ( _vao ) ; gldrawarrays (GL_TRIANGLES, 0, 6 ) ; gluseprogram ( 0 ) ; glbindvertexarray ( 0 ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

53 6 Normalized Device Coordinates et Window Coordinates F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

54 Volume de visualisation Les coordonnées (x, y, z) des sommets visibles sont dans [ 1, 1] : définit le volume de visualisation en Normalized Device Coordinates (NDC). Des sommets extérieurs à ce volume provoquent une opération de clipping par OpenGL (découpage des triangles). _positiondata ={ 1.3,0.0, 0.3, / / v e r t e x 0 / / f i r s t t r i a n g l e 0.3, 0.7, 0.3, / / v e r t e x 1 0.0,0.9, 0.3, / / v e r t e x 2 0.4, 0.5,0.4, / / v e r t e x 3 / / second t r i a n g l e 1. 5, 0. 4, 0. 4, / / v e r t e x 4 0.8, 1.3,0.4 / / v e r t e x 5 ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

55 Clipping _positiondata ={ 1.3,0.0, 0.3, / / vertex 0 / / f i r s t t r i a n g l e 0.3, 0.7, 0.3, / / vertex 1 0.0,0.9, 1.3, / / vertex 2 0.4, 0.5,0.4, / / vertex 3 / / second t r i a n g l e 1. 5, 0. 4, 0. 4, / / vertex 4 0.8, 1.3,0.4 / / vertex 5 ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

56 Viewport et Window Coordinates Lors de la rasterization (tracé pixel par pixel) sur la fenêtre graphique, OpenGL trace des pixels dont les coordonnées doivent être connues en coordonnées de la fenêtre graphique (par exemple reporter sur une fenêtre graphique de 256x512 pixels) : C est le rôle du glviewport(xv,yv,width,height). Par exemple, pour glviewport(10,20,256,512), reporte x NDC [ 1,1],y NDC [ 1,1] dans x window [10,266],y window [20,532]. Les coordonnées pixels (i.e. transformation par le viewport) sont appelées Window Coordinates. Remarque : le z NDC [ 1,1] subit également un report pour obtenir z window dans [0,1] (indépendant du viewport). z window est généralement appelé depth (profondeur) et nous verrons son utilisation dans le chapitre suivant. x window = (1 + x NDC ) width 2 + xv y window = (1 + y NDC ) height 2 + yv z window = (1 + z NDC )/2.0 Remarque : les window coordinates sont accessibles dans le fragment shader par la variable prédéfinie gl_fragcoord (gl_fragcoord.z contenant la profondeur). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

57 7 Quelques remarques pour finir... F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

58 Copie buffer Si la valeur des attributs est dynamique (modifications de la position des sommets par exemple), on utilisera glsubbufferdata pour mettre à jour les buffers (glbufferdata détruit/réalloue à chaque appel). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

59 Buffer entrelacé Buffer entrelacé : / / c l i e n t data _ a l l D a t a ={ 1,1,0, 1,0,0,1, 1, 1,0, 0,1,0,1, 1,1,0, 0,0,1,1, 1, 1,0, 1, 1, 0, 1 ; / / i n i t b u f f e r glgenbuffers (1,& _allbuffer ) ; g l B in d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _a l l B u f f e r ) ; glbufferdata (GL_ARRAY_BUFFER, _alldata. size () s i z e o f ( f l o a t ), _alldata. data ( ),GL_STATIC_DRAW ) ; / / vao g l B in d B u f fe r (GL_ARRAY_BUFFER, _a l l B u f f e r ) ; glvertexattribpointer (0,3,GL_FLOAT,GL_FALSE, sizeof ( f l o a t ) 7,0); glvertexattribpointer (1,4,GL_FLOAT,GL_FALSE, sizeof ( float ) 7,(void )(3 sizeof ( float ) ) ) ; F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60

60 Primitives de tracé GL_TRIANGLES, GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN, GL_LINES, GL_LINE_STRIP, GL_LINE_LOOP, GL_POINTS (+ versions _ADJACENCY, GL_PATCHES). F. Aubert (MS2) M3DS/ 1 - Introduction - Programmation 3D / 60