hellOGL: OpenGL hello world
Сегодня я покажу, как открыть открыть окно и создать контекст OpenGL. Это на удивление непростая задача, OpenGL до сих пор не имеет официальных кроссплатформенных средств создания контекста, поэтому будем опираться на сторонние библиотеки (в данном случае GLFW и glad). В интернете уже очень много подобных hello world, но всё, что я видел, мне не нравится: или оно очень навороченное, или картинки в примерах уж очень примитивные (либо и то, и другое!). Большое спасибо всем авторам, но я выкачу очередной туториал :)
Сегодня мы отрисуем вот такое:
Эта модель нарисована художником Сэмюэлем Шаритом (arshlevon), огромное ему спасибо за разрешение её использовать в рамках моего курса лекций по компьютерной графике!
Вообще говоря, лучше всего (хотя и не обязательно) эту лекцию читать после прочтения всего моего курса tinyrenderer. Для тех, кто не говорит по английски, этот курс лекций доступен на хабре, хотя русскую версию я больше и не поддерживаю. В рамках этого курса лекций я показал, как всего-навсего в пять сотен строчек кода, да ещё с полным запретом на сторонние библиотеки, можно нарисовать вот такую картинку:
Удивительно, но многие мои студенты не понимают, что этот софтверный растеризатор — не просто игрушка, но самое настоящее введение в то, как работает OpenGL. Поэтому сегодня я покажу, как отрисовать диаблу с хардверным ускорением, причём я во многом воспользуюсь кодом из репозитория софтверного растеризатора.
Внимание, я не ставлю себе задачей объяснить каждую строчку кода, так как полагаюсь на то, что чтение документации — самый хороший способ всё понять. Мой код нужен лишь для того, чтобы знать, что именно в документации читать, и в каком порядке. Более того, я не буду объяснять, что такое шейдеры, и я не буду объяснять, как считать карты нормалей. Я потратил очень много времени на tinyrenderer, где это всё разложено по полочкам.
Весь репозиторий живёт здесь; создал по одному коммиту на каждый шаг туториала, так как гитхаб даёт очень удобную просматривалку всех внесённых изменений. Начинаем вот отсюда, наша цель получить вот такое окошко:
Компилируется код при помощи CMake; я проверял под линуксом (g++) и виндой (Visual Studio 2017). Под линуксом последняя версия кода компилируется вот так:
git clone --recurse-submodules https://github.com/ssloy/hellOGL.git
cd hellOGL
mkdir build
cd build
cmake ..
make
Используйте `git checkout`, если хотите компилировать отдельный коммит, а не последнюю версию. Этот код подгружает glad и GLFW, создаёт окошко с необходимым клавиатурным коллбэком, и подгружает с диска пустые вершинный и пиксельный шейдеры.
Изменения в проекте, внесённые на этоп этапе, смотреть здесь. На данном этапе наша цель распарсить файл 3Д модели, и нарисовать первые треугольники, не заботясь на данный момент об освещении:
Обратите внимание, что и саму модель, и библиотеку для работы с векторами, да и сам парсер модели я взял целиком из tinyrenderer. Может, не так уж и бесполезен софтверный рендерер?
Основная идея в современном OpenGL очень простая. Мы сначала подгрузили 3Д модель, а затем я создаю массив vertices размером 3×3 * (количество треугольников). Каждый треугольник имеет три вершины, так? Каждая вершина описывается тремя числами (x, y, z). Итого для описания всей модели нам достаточно 3×3*model.nfaces ():
std::vector vertices(3*3*model.nfaces(), 0);
for (int i=0; i
А затем мы скажем OpenGL, что вот массив, рисуй, родной!
while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
[...]
 glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, vertices.size());
[...]
}
Вершинный шейдер ничего интересного не делает, он просто передаёт фрагментному шейдеру данные как есть:
#version 330 core
// Input vertex data, different for all executions of this shader
layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace;
void main() {
gl_Position = vec4(vertexPosition_modelspace, 1); // Output position of the vertex, in clip space
}
Ну и фрагментный шейдер тоже незатейлив. Он просто рисует текущий пикесль красным цветом:
#version 330 core
// Output data
out vec3 color;
void main() {
color = vec3(1,0,0);
}
Самое сложное сделано, теперь дело техники!
Изменения в проекте, внесённые на этоп этапе, смотреть здесь. Мы должны получить вот такую картинку:
Диффузное освещение в модели Фонга, как известно, это простое скалярное произведение между
нормальным вектором и вектором освещения. Поэтому вдобавок к массиву vertices я добавил ещё один массив normals. Не глядя в код скажите, какого он размера?
Самое интересное происходит во фрагментном шейдере, в основном .cpp файле происходит лишь подгрузка данных:
#version 330 core
// Output data
out vec3 color;
// Interpolated values from the vertex shaders
in vec3 Normal_cameraspace;
in vec3 LightDirection_cameraspace;
void main() {
vec3 n = normalize(Normal_cameraspace); // Normal of the computed fragment, in camera space
vec3 l = normalize(LightDirection_cameraspace); // Direction of the light (from the fragment to the light)
float cosTheta = clamp(dot(n,l), 0, 1); // Cosine of the angle between the normal and the light direction,
color = vec3(1,0,0)*(0.1 + // ambient lighting
1.3*cosTheta); // diffuse lighting
}
Изменения в проекте, внесённые на этоп этапе, смотреть здесь. На этом этапе я закодил Model, View и Projection матрицы. В самом начале они просто единичные, но если вы нажмёте пробел, то модель начнёт вращаться: при каждой отрисовке картинки я поворачиваю матрицу Model вокруг оси z на 0.01 радиана:
{ // rotate the model around the z axis with each frame
Matrix R = rot_z(0.01);
if (animate) M = R*M;
}
Здесь функция rot_z () возвращает матрицу вращения вокруг оси z на заданный угол. Поскольку OpenGL про мой класс матриц ничего не знает, пришлось добавить экспорт матриц void export_row_major () в простой указатель на float.
Изменения в проекте, внесённые на этоп этапе, смотреть здесь. На этом этапе мы научимся накладывать текстуры. Поскольку обычная диффузная текстура — это скучно, то я сразу применю карту нормалей, да причём в касательном пространстве. Карты нормалей выглядят примерно вот так:
Соответствующие вычисления, мягко скажем, неочевидны, поэтому опять-таки, читайте объяснения в tinyrenderer. С точки зрения данных нужно добавить несколько буферов: координаты uv, и массивы касательных и бикасательных векторов.
Ну, если мы уже умеем считать карты нормалей, то обычную диффузную текстур наложить просто тривиально. Изменения в проекте, внесённые на этоп этапе, смотреть здесь.
Изменения в проекте, внесённые на этоп этапе, смотреть здесь. Заключительный этап, доабавляем ещё одну текстуру, которая нам позволит симулировать блики освещения от блестящих поверхностей:
В этом коде много что можно улучшить, да и визуальные эффекты можно наворачивать бесконечно. Попробуйте, например, добавить тени, или посчитать глобальное освещение, ну или, наконец, сделать glow map: ведь глаза и кристалл во лбу Диабло должны светиться!
