Západočeská univerzita v Plzni. Katedra informatiky a výpočetní techniky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 Západočeská univerzita v Plzni Západočeská univerzita v Plzni Fakulta Fakulta aplikovaných aplikovaných věd věd Katedra informatiky a výpočetní techniky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Plzeň, 2007 Jan Tichava

2 Západočeská univerzita v Plzni Západočeská univerzita Plzni Fakulta aplikovaných věd Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky Katedra informatiky výpočetní techniky Bakalářská práce OpenGL v Javě Plzeň, 2007 Plzeň, 2007 Jan Tichava Jan Tichava

3

4

5 Abstract OpenGL in Java This bachelor thesis investigates and describes possible connection of Java and OpenGL via different bindings. Java OpenGL (JOGL) was chosen as a main Java binding for the OpenGL API. In this thesis the installation procedure and system requirements of JOGL are described. The second practical part begins with a tutorial which describes solving several basic problems of computer graphics in JOGL. The tutorial is followed by comparison of advantages and disadvantages of using JOGL according to DirectX and C#. For comparing were written two similar 3D Mazes. At the end of this thesis there is confrontation of these two technologies from different points of view, such as installation, user friendliness and especially OpenGL in Java versus DirectX in C#. iii

6 Obsah 1 Úvod Cíl bakalářské práce Struktura dokumentu... 2 Teoretická část 3 2 Možnosti OpenGL v Javě Úvod Propojení Javy a OpenGL GL4Java Lightweight Java Game Library (LWJGL) Java OpenGL (JOGL) Java 3D Rozšiřující knihovny pro OpenGL v Javě jmonkey Engine Xith3D Java is Doomed JOGL Java OpenGL Úvod Požadavky na systém Instalace Provoz aplikace bez nainstalovaného JOGL Realizační část 11 4 Základní techniky v JOGL Úvod Vykreslení trojúhelníku pomocí OpenGL Třída Lesson Třída Renderer Rotující jehlan Třída Renderer Textury na krychli, použití kláves Třída Renderer Světla Třída Renderer Text a 2D grafika Třída Renderer iv

7 5 3D Bludiště Zadání Formát vstupního souboru s mapou Popis řešení Detekce kolizí Popis tříd a metod Implementované vlastnosti Textury Modely Sběr předmětů Teleport Osvětlení Dynamika hráče Konzole Uživatelská dokumentace Systémové požadavky a spuštění Ovládání Shrnutí Porovnání OpenGL a DirectX OpenGL DirectX OpenGL vs. DirectX Instalace vývojového prostředí Práce s IDE Java a C# Implementační rozdíly OpenGL a DirectX Výkon Zatížení procesoru, využití paměti RAM a grafické paměti Rychlost vývoje aplikací Závěr Shrnutí možností propojení Javy a OpenGL Zhodnocení ukázkové aplikace Použité zkratky Literatura v

8 Seznam obrázků Obrázek 1 : Struktura archívu jogl rc1-windows-i586.zip... 9 Obrázek 2 : Adresářová struktura Obrázek 3 : Výsledný trojúhelník Obrázek 4 : Náhledy možností kreslení Obrázek 5 : Pohledová pyramida Obrázek 6 : Rotující jehlan Obrázek 7 : Body na jehlanu Obrázek 8 : Krychle s texturou Obrázek 9 : Pořadí bodů, texturovací souřadnice a mapování textury Obrázek 10 : Body na krychli Obrázek 11 : Osvětlená krychle Obrázek 12 : Srovnání GL_SMOOTH a GL_FLAT stínování Obrázek 13 : Drátěný model Obrázek 14 : Text a otexturovaný čtverec Obrázek 15 : Pohled do výsledného bludiště Obrázek 16 : Mapa a pole pravdivostních hodnot Obrázek 17 : Rozdělení čtverce Obrázek 18 : Animovaná textura Obrázek 19 : Předmět ke sběru Obrázek 20 : Teleport Obrázek 21 : Světlo Obrázek 22 : Konzole Obrázek 23 : Souřadné systémy Obrázek 24 : Porovnání aplikací v DirectX (vlevo) a OpenGL (vpravo) Obrázek 25 : Identická bludiště v DirectX (vlevo) a OpenGL (vpravo) vi

9 Seznam tabulek Tabulka 1 : Popis možností kreslení Tabulka 2 : Tabulka řezů písma Tabulka 3 : Parametry bludiště Tabulka 4 : Tabulka znaků vii

10 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. V Plzni dne 17. května 2007 Jan Tichava viii

11 Poděkování Touto cestou bych rád poděkoval všem, kteří mi pomáhali s přípravou práce nebo mě jakkoli podporovali během jejího vytváření. Zejména pak chci poděkovat vedoucí mé bakalářské práce Ing. Janě Hájkové za podnětné rady, čas strávený konzultacemi a její trpělivost. V neposlední řadě bych rád poděkoval všem svým přátelům a kamarádům za jejich připomínky a náměty. ix

12 Kapitola 1 Úvod V dřívějších dobách byla 3D grafika výsadou bohatých grafických studií, která měla finance na nákup drahého hardwarového a softwarového vybavení svých kanceláří a vytvářela nejrůznější efekty pro filmová studia. Postupem času se výkon obyčejných počítačů zvyšoval a 3D grafika se začala pomalu protlačovat i do domácností, hlavně v oblasti počítačových her. Legendou se stala hra Doom, kterou v roce 1993 uvedla firma id Software. Hra byla naprogramovaná v jazyce C. V té době ještě nebyla Java ani na světě, natož, aby se v ní programovaly 3D hry. První verze Javy[13], JDK verze 1.0 byla uvedena v lednu Java byla v té době úplně nový programovací jazyk, který měl mnoho nedostatků. Tyto nedostatky se začaly projevovat až při jejím používání. Před 11 lety byly také mnohem méně výkonné počítače a vzhledem k tomu, že Java je interpretovaný jazyk, byly aplikace v Javě velice pomalé. První verze Javy byly dvacetkrát až čtyřicetkrát pomalejší než stejný algoritmus naprogramovaný v C/C++. Java se samozřejmě vyvíjela až do dnešní verze 1.6, která je plnohodnotným soupeřem C/C++. Některé algoritmy jsou v Javě dokonce i rychlejší než v těchto jazycích. Tohoto zrychlení bylo docíleno zdokonalením překladače. Od verze 1.3 byla implementována technologie HotSpot, která umožňuje překladači nalézt takové části kódu, které jsou náročné na výpočetní výkon procesoru a pak je přeložit se silným důrazem na výkon. HotSpot má také negativní vedlejší efekt, po spuštění je program pomalejší, protože detekce náročných míst v programu vyžaduje také výpočetní výkon od procesoru. Grafické karty u běžných domácích počítačů disponují velkým výkonem, který vyžadují převážně nové počítačové hry. Při běžné práci není grafická karta plně využita, protože pracuje pouze ve 2D režimu. Výrobci softwaru vytvářejí i obyčejné programy s 3D prostředím, aby využily celý potenciál grafické karty. Někdy je takový program prakticky nepoužitelný, jako například souborový manažer, který přiřadí diskům patra budovy a dveře jsou jednotlivé adresáře. Rychlá práce se soubory na disku není v tomto programu skutečně možná. Jiným případem je přímo prostředí operačního systému, které je postaveno na 3D ať jde o Aero od Microsoftu v nových Windows Vista nebo XGL na Linuxu. Otázkou zůstává, zda je toto nové prostředí k něčemu praktickému užitečné nebo je to pouze nové lákadlo na zákazníky. 1

13 1.1 Cíl bakalářské práce Jedním z cílů bakalářské práce bylo seznámit se s různými možnostmi propojení Javy a OpenGL, vybrat si jednu z metod, nastudovat její možnosti a vytvořit jednoduchý návod k použití základních prvků, které se používají ve 3D grafice. Dalším cílem bylo naprogramovat, s použitím vybrané metody mapování OpenGL do Javy, podobné 3D Bludiště, které jsme programovali v předmětu KIV/ZPG jako semestrální práci. V ZPG se využívá prostředí.net, jazyk C# a DirectX pro 3D svět. Úkolem bylo popsat a porovnat obě konkurenční technologie. 1.2 Struktura dokumentu Celý dokument je rozdělen následovně: 1. Úvod Začíná obecným úvodem do celé problematiky a struktury celé bakalářské práce. 2. Teoretická část Zde jsou rozebrány možnosti použití 3D grafiky v Javě, převážně se jedná o OpenGL. Popisují se rozšiřující knihovny a do detailu se zachází u vybrané technologie na propojení Javy a OpenGL. 3. Realizační část Obsahuje manuál k použití základních technik OpenGL v Javě s pomocí JOGL. Následuje popis řešení 3D Bludiště a končí vzájemným srovnáním DirectX v C# a OpenGL v Javě s využitím JOGL. 4. Závěr Ve stručnosti hodnotí jednotlivé metody propojení Javy a OpenGL. Srovnává 3D Bludiště v Javě a DirectX z jiné perspektivy a končí malým zamyšlením nad vývojem komerčních her v Javě. 2

14 Část I Teoretická část 3

15 Kapitola 2 Možnosti OpenGL v Javě 2.1 Úvod Existuje více možností spojení Javy a OpenGL. Některá řešení jsou skutečně pouze na propojení Javy s OpenGL. Jiná jsou komplexní balíky, které umožňují práci se zvukem, herním hardwarem a usnadňují práci s texturami, modely a podobně. V první části kapitoly ve stručnosti představím čtyři vybrané vazby Javy na OpenGL, kde Java 3D je komplexní balík různých pomocných tříd a ostatní tři jsou jen více či méně obsáhlá propojení. S rozšiřujícími knihovnami pro OpenGL se seznámíme ve druhé části kapitoly. Knihovny slouží k tomu, aby programátor nemusel vyvíjet a testovat algoritmy, které jsou často používané; jako je například načítání modelů, textur, řešení kolizí mezi objekty a podobně. Andrew Davison se ve svých několika knihách[1][2][3] zmiňuje i o existujících vazbách na konkrétní herní systémy. Zaujal mě projekt Jake2[12], jehož autoři přepsali celý herní engine Quake 2 do Javy. Na grafiku používá JOGL nebo LWJGL, na 3D zvuk JOAL. Webové stránky projektu prezentují srovnání původního kódu v C s novým kódem v Javě. Zajímavé je, že výkon v počtu FPS je přibližně stejný. Podobných vazeb na herní systémy je mnohem více, namátkou Auriga3D[4] vychází z Quake 3, ale uvádím je pouze pro doplnění, dále se o nich již nebudu zmiňovat. 2.2 Propojení Javy a OpenGL GL4Java GL4Java[10] je jedna ze starších vazeb Javy a OpenGL. Poslední verze byla vydána v prosinci Ve své době patřila k nejpopulárnějším, ale byla vytlačena modernějším JOGL (viz níže v kapitole 2.2.3). 4

16 Podporuje OpenGL verze 1.3 a GLU verze 1.2. Je možné ji použít ve spojení s knihovnami AWT a Swing. OpenGL funkce jsou volány přes Java Native Interface, proto je výkon aplikace limitován rychlostí hostitelského systému. Vychází z původního OpenGL, které známe z C. V rámci Javy musí být samozřejmě objektový, ale stavba GL4Java je strukturální. Pro programátory OpenGL v C nebude velkým problémem naučit se v GL4Java. GL4Java je open source projekt, který je distribuován pod všeobecnou veřejnou licencí GNU[11] Lightweight Java Game Library (LWJGL) Lightweight Java Game Library[27] je řešení, které je určené pro profesionální i amatérské programátory. Umožňuje programovat kvalitní komerční hry v Javě. LWJGL poskytuje vývojářům přístup k výkonným multiplatformním knihovnám pro OpenGL a OpenAL, které umožňují vytvářet 3D hry spolu s 3D zvukem. LWJGL navíc podporuje game pady, volanty, joysticky a další herní zařízení. Používání LWJGL automaticky neznamená snadné psaní 3D her v Javě. Jeho hlavním účelem je zpřístupnit vývojářům všechny potřebné prostředky pro vývoj. Začátkem ledna 2007 vyšla po několika letech finální stabilní verze 1.0. Byla vytvořena s důrazem na výkon, jednoduchost, přenositelnost, bezpečnost a robustnost. Autoři LWJGL předpokládají použití na rozmanitých platformách od telefonů, přes běžné počítače až po velké renderovací servery. LWJGL se drží osvědčeného návrhu. OpenGL funkce z C jsou mapovány do Javy stejným způsobem jako v JOGL. LWJGL je velice podobný JOGL, ale na rozdíl od něj neumísťuje canvas na swing komponentu, ale vytváří vlastní okno. Na internetu je možné najít NeHe tutoriály, které byly portovány také do LWJGL a ke stažení je několik her, které jsou napsány v Javě a LWJGL. Některé z nich jsou pouze trial verze a prodávají se za poměrně vysoké ceny Java OpenGL (JOGL) Java OpenGL[15] je jedna z nejnovějších vazeb Javy na OpenGL, kterou propaguje skupina Game Technologies Group od firmy Sun. Nabízí podobné možnosti jako LWJGL, ale liší se v tom, že JOGL je integrován do knihoven AWT a Swing. Aplikační rozhraní JOGL se stane referenční vazbou Javy na OpenGL vyvíjené jako součást specifikačního procesu JSR 231[18] společností Sun. Z JSR 231 se tak stane oficiální vazba Javy na OpenGL. JOGL přistupuje na funkce OpenGL z jazyka C pomocí volání Java Native Interface. Autoři se nesnažili přepracovat celé rozhraní do objektově orientovaného. Ve skutečnosti je velká část zdrojového kódu JOGL automaticky vygenerována z hlavičkových souborů OpenGL jazyka C pomocí nástroje Gluegen[9]. 5

17 Tento návrh má své výhody i nevýhody. Nevýhodou je, že struktura metod, které souvisejí s JOGL je jiná, než všech ostatních metod v aplikaci. Na druhou stranu, je jednodušší na naučení pro toho, kdo zná OpenGL z jazyka C. Také je jednodušší pro autory JOGL, protože není nutné vymýšlet novou strukturu a využívají již zaběhnutý a léty ověřený soubor metod Java 3D Java 3D[14] není jen obyčejná vazba mezi Javou a OpenGL, ale celá sada různých podpůrných tříd, které by si programátor ve výše uvedených způsobech použití OpenGL v Javě musel sám naprogramovat. Java 3D má vlastně velice podobnou myšlenku jako DirectX. Obsahuje metody pro načítání obrázků, práci se zvukem a sprity. Při vývoji složitějších aplikací je možné využít integrovaných metod pro načítání a práci s modely nebo metody pro různé způsoby komunikace po síti. Při využití knihovny Java 3D si programátor na Windows dokonce může vybrat, jestli chce použít OpenGL nebo DirectX. 2.3 Rozšiřující knihovny pro OpenGL v Javě jmonkey Engine jmonkey Engine[17] je výkonný systém, jehož autoři se inspirovali knihou 3D Game Engine Design od Davida Eberlyho. Pro renderování scén využívá LWJGL, ale v budoucnu autoři plánují i JOGL. Kromě základních věcí obsahuje podporu pro multitexturing, bumpmapping a třeba i detekce kolizí. Jednoduše lze používat látku (oblečení), částicové systémy, stíny nebo efekt vody. Umožňuje načítat modely v následujících formátech: ASE, 3DS, MD2, Milkshape, OBJ a COLLADA. jme je plně open source projekt, který je distribuován pod BSD[26] licencí. Je volně k použití pro zábavu i pro komerční aplikace Xith3D Aplikační rozhraní Xith3D[29] je velice podobné Java 3D. Ovšem Xith3D je koncipován tak, aby mohl pracovat nad libovolným rozhraním, podle výběru programátora. Nyní je možné volit mezi JOGL a LWJGL. 6

18 Xith3D umí přímo volat funkce rozhraní OpenGL, proto je možné implementovat vlastní shadery. Jeho další vlastnosti jsou podobné s jme. Namátkou například podporuje ASE, 3DS, OBJ, MD3, MD2, AC3D, COLLADA jako formáty modelů nebo také obsahuje systém řešení kolizí. Xith3D je také šířen pod BSD[26] licencí Java is Doomed Java is Doomed[16] je malý open source 3D engine implementovaný na JOGL. Umožňuje načítat modely ve formátu MD2 a 3DS. Využití nalezne v případě, když programátor nechce nebo nemůže použít jeden z výše uvedených balíků. V archívu s knihovnou je přiložena i FPS (2) hra Escape, která se inspirovala v legendární hře Doom. 7

19 Kapitola 3 JOGL Java OpenGL 3.1 Úvod JOGL jsem si vybral jako hlavní vazbu mezi Javou a OpenGL, ve které budu vytvářet ukázky řešení základních problémů v grafice a pak 3D Bludiště pro srovnávání OpenGL v Javě a DirectX v C#. Základní vlastnosti a popis JOGL byl zmíněn již v kapitole 2.2.3, kde jsem rozebíral jednotlivé možnosti propojení Javy a OpenGL. JOGL jsem si vybral jako hlavní prostředek 3D, protože mě zaujala blízká podobnost s klasickým OpenGL. Přístup musí být samozřejmě objektový, ale autoři funkce z OpenGL pouze přemapovali na metody v jedné třídě. Pro OpenGL je na internetu k nalezení obrovské množství různých návodů, tutoriálů a rad. Oblíbené NeHe tutoriály[5][20] jsou vytvořené pro jazyk C, ale i pro JOGL jsou velice užitečné. Ne všechno lze ovšem bez problémů použít v Javě. Dokonce i návody přímo pro JOGL není možné vždy použít, protože JOGL prošel bouřlivým vývojem a co platilo například v roce 2003, již není aktuální. Principy však zůstávají shodné. Podstatné je také dlouhodobější existence stabilní verze a plánované začlenění JOGL do Javy, jako oficiální vazby OpenGL v Javě, viz JSR Požadavky na systém JOGL pro svůj běh vyžaduje operační systémem Linux, MacOS, Solaris nebo Windows. Počítač by měl být dostatečně výkonný pro provoz Javy verze a vyšší. Další nároky na software a hardware jsou pak závislé na konkrétní aplikaci. U jednoduchých 3D scén bude stačit obyčejná grafická karta, která hardwarově podporuje pouze OpenGL 1.2. Náročné aplikace mohou vyžadovat hardwarovou podporu OpenGL verze 2. 8

20 V ideálním případě by měl být aktualizovaný operační systém, nainstalovány nejnovější ovladače pro grafickou kartu. Totéž platí o Javě, JOGL a případně i o dalších používaných rozšiřujících třídách, jakou může být například OpenAL. 3.3 Instalace Nejprve je potřeba nainstalovat JDK[13], které je zdarma ke stažení z webových stránek firmy Sun Microsystems. K dispozici jsou 32 a 64 bitové verze Javy 1.6 pro Windows, Linux a Solaris a Java verze 1.5 pro MacOS. V následujícím textu předpokládám instalaci JDK a JRE verze 1.6 do standardních adresářů, které nabízí instalátor jako výchozí. Po instalaci je vhodné provést restart počítače nebo alespoň odhlásit a opět přihlásit uživatele, aby se projevily změny, které provedl instalátor v systémových proměnných. Pokud je Java správně nainstalovaná, můžeme pokračovat v instalaci JOGL[15]. Nejnovější verze je k dispozici ke stažení na domovských stránkách JOGL v části Documents & files, aktuální verzi naleznete po rozbalení nabídky Release Builds 2007 (0). Pro provoz na vlastním počítači je potřeba stáhnout knihovny pouze pro vlastní operační systém, pro distribuci je výhodné přibalit knihovny alespoň pro Linux a Windows. Obrázek 1: Struktura archívu jogl rc1-windows-i586.zip Archív pro operační systém Windows bude mít podobnou strukturu, jakou je možno vidět na obrázku 1. Důležitý je adresář lib, který obsahuje všechny potřebné knihovny pro provoz aplikací. Tyto knihovny je nutno rozbalit do následujících adresářů, případně do obdobných na jiných operačních systémech. C:\Program Files\Java\jre1.6.0\lib\ext\ C:\Program Files\Java\jdk1.6.0\lib\ext\ C:\Program Files\Java\jdk1.6.0\jre\lib\ext\ 9

21 Další možností je rozbalit JOGL do libovolného adresáře na disku a přidat do systémové proměnné CLASSPATH cestu ke zvolenému umístění. Po editaci je nutné odhlásit a přihlásit uživatele, aby se změny projevily. Po provedení výše uvedených kroků bude možné používat JOGL jako součást Javy a nebude nutné složitě specifikovat cesty ke knihovnám. Knihovny budou k dispozici v Eclipse, který bude třídy a metody z JOGL knihoven zobrazovat v rozbalovacích nabídkách. 3.4 Provoz aplikace bez nainstalovaného JOGL Ne vždy je možné použít postup, který je uvedený v kapitole 3.3. Na počítači, ke kterému nemá uživatel administrátorské oprávnění, pravděpodobně nebude možné zapisovat do adresáře, kde je nainstalovaná Java. I na takových počítačích je možné provozovat aplikace, které využívají JOGL. Program spustíme níže uvedeným příkazem java -Djava.library.path=./win_lib/ -jar Aplikace.jar Knihovny musí být v tomto případě v adresáři win_lib. Na stejné úrovni jako podadresář win_lib je i soubor Aplikace.jar, ve kterém je rozbalený obsah jogl.jar. Adresářová struktura je znázorněná na obrázku 2. Obrázek 2: Adresářová struktura Potřebné DLL knihovny je také možné umístit přímo do adresáře, kde je Aplikace.jar, pak není nutné používat parametr D a definovat cestu ke knihovnám, protože si aplikace najde soubory sama. Z důvodu přehlednosti je však lepší umístit knihovny do vlastního adresáře. 10

22 Část II Realizační část 11

23 Kapitola 4 Základní techniky v JOGL 4.1 Úvod Následujících pět kapitol je lehkým úvodem do OpenGL v Javě s využitím JOGL. Začneme ukázkou, jak se vytvoří OpenGL okno a do něj se nakreslí trojúhelník, který má každý vrchol jiné barvy. Na tento jednoduchý úvod navážeme rotujícím jehlanem. Další kapitola je o trochu více složitá, obsahuje načítání obrázku z disku jako textury pro krychli. Přidáním světla do scény se zabývá další kapitola. V předposlední kapitole se čtenář dozví, jak napsat na obrazovku text a zobrazit 2D obrázek. Myšlenka následujících lekcí je stejná jako v NeHe[5][20] tutoriálech. Ty jsou určeny hlavně pro jazyk C, pro který jsou dokonale zdokumentovány. Existují i porty do mnoha různých jiných jazyků, včetně Javy a JOGL, ale ne všechny jsou aktuální. Některé využívají ještě GLDrawable, který byl nahrazen vylepšeným GLAutoDrawable a zdrojové kódy je potřeba upravit, aby je bylo možné přeložit a spustit. Obecně lze napsat, že všechny porty NeHe tutoriálů do JOGL mají špatnou dokumentaci, pokud vůbec nějakou mají. OpenGL v podání JOGL se od OpenGL, které známe z jazyka C, příliš neliší, ale některé metody, byly upraveny a v porovnání s funkcemi v C, mají například jiný počet parametrů. 4.2 Vykreslení trojúhelníku pomocí OpenGL V této kapitole vykreslíme barevný trojúhelník pomocí OpenGL v Javě s využitím JOGL. Budeme potřebovat Javu ve verzi 1.5 a vyšší a JOGL ve verzi 1.1 a vyšší. Programovat je možné v libovolném textovém editoru, ale s ohledem na budoucí ukázky je výhodnější použít Eclipse[4] nebo podobný IDE, protože doplní automaticky potřebné importy apod. Pro bezproblémovou přenositelnost mezi platformami je výhodné používat UTF-8 pro kódování všech souborů, pokud chceme používat české popisky. 12

24 Program se skládá ze dvou tříd. Klientská třída Lesson je společná pro všechny kapitoly. Mění se pouze titulek okna. Pomocí této třídy se spouští celý program, obsahuje metodu main(). Druhou třídou je Renderer, která definuje výslednou vyrenderovanou scénu a v tomto příkladu navíc ještě obsluhuje stisky kláves. Po spuštění níže uvedeného kódu uvidíte okno, jako je na obrázku 3. Obrázek 3: Výsledný trojúhelník Třída Lesson Obsahuje statickou metodu main(), vytváří swingový JFrame, na který je umístěn canvas (kreslící plátno pro OpenGL renderování) a spouští Animator, aby se automaticky překreslovala scéna. public class Lesson extends JFrame GLCanvas canvas = new GLCanvas(); Animator animator = new Animator(); public static void main(string[] args) new Lesson(); public Lesson() canvas.addgleventlistener(new Renderer()); animator.add(canvas); this.getcontentpane().add(canvas); this.settitle("lekce 1: Vytvoření OpenGL okna"); this.setsize(640, 480); this.setlocationrelativeto(null); 13

25 this.setdefaultcloseoperation(jframe.exit_on_close); this.setvisible(true); animator.start(); canvas.requestfocus(); Třída Renderer Implementuje GLEventListener pro řešení událostí OpenGL a KeyListener pro obsluhu stisků kláves. V této třídě je definována celá scéna, která se renderuje. Metoda display() definuje co, je bude vykreslovat a je automaticky volána třídou Animator 1, ostatní metody slouží k nastavení scény. Importujeme GL, což je základní rozhraní pro zpřístupnění funkcí z OpenGL verze 2.0. GLAutoDrawable vychází z GLDrawable, který slouží k renderování scén, ale podporuje vykreslování pomocí událostí, což přispívá k vyššímu výkonu. GLU se využívá k nastavení pohledu. public class Renderer implements GLEventListener, KeyListener private GLU glu = new GLU(); private GL gl; Metodu display() volá Animator pro zobrazení každého framu, definuje se tu celá scéna, která se má vykreslovat. V této kapitole se smaže obrazovka s hloubkovým bufferem, resetuje matice a posune se scéna o 2,75 ve směru osy Z (do hloubky). Posunutí je nutné, protože rovina z near je ve vzdálenosti 1 a trojúhelník by nebyl zobrazen, viz níže. public void display(glautodrawable gldrawable) gl.glclear(gl.gl_color_buffer_bit GL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT); gl.glloadidentity(); gl.gltranslatef(0f, 0.0f, -2.75f); Na začátku vykreslování si volíme, jaké útvary chceme kreslit. Na výběr máme z několika základních geometrických útvarů, které jsou zobrazeny na obrázku 4 a popsány v tabulce 1. Na první pohled jde pouze o 2D útvary, ale souřadnice každého vrcholu obsahují i složku Z. 1 Viz třída Lesson 14

26 GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRAINGLE_STRIP GL_TRAINGLE_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON Obrázek 4: Náhledy možností kreslení GL_POINTS Každý vertex je reprezentovaný jako samostatný bod. GL_LINES Každý pár po sobě jdoucích vertexů definuje úsečku. GL_LINE_STRIP Spojí po sobě jdoucí vertexy v lomenou čáru. GL_LINE_LOOP Stejně jako GL_LINE_STRIP spojuje po sobě jdoucí vertexy, ale navíc ještě spojí první a poslední bod. GL_TRIANGLES Každá trojice po sobě jdoucích vertexů definuje trojúhelník. GL_TRIANGLE_STRIP První tři vertexy definují jeden trojúhelník, každý další bod definuje nový trojúhelník s využitím předchozích dvou vertexů jako vrcholy. GL_TRIANGLE_FAN Podobně jako GL_TRIANGLE_STRIP, všechny trojúhelníky využívají první vertex jako jeden svůj vrchol, druhý vrchol je předchozí vrchol. GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON Každá čtveřice vertexů definuje čtyřúhelník. První čtyři vertexy definují jeden čtyřúhelník a každé další dva vertexy definují nový čtyřúhelník, který využívá předchozí dva vertexy. Jako GL_LINE_LOOP, ale s vyplněnou plochou. Tabulka 1: Popis možností kreslení Na začátku vykreslování nastavíme kreslení trojúhelníků pomocí GL_TRIANGLES. Pak pro každý bod specifikujeme barvu vrcholu a jeho souřadnici v prostoru. Barva je reprezentována jako třísložkový vektor, kde jednotlivé složky odpovídají červené, 15

27 zelené a modré barvě. Hodnoty jsou v intervalu <0; 1>. Souřadnice bodu v prostoru jsou reprezentovány obvyklým způsobem (X, Y, Z). Kreslení se nesmí zapomenout ukončit. gl.glbegin(gl.gl_triangles); gl.glcolor3d(1.0, 0.0, 0.0); gl.glvertex3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); gl.glcolor3d(0.0, 1.0, 0.0); gl.glvertex3f(-1.0f, -1.0f, 0.0f); gl.glcolor3d(0.0, 0.0, 1.0); gl.glvertex3f(1.0f, -1.0f, 0.0f); gl.glend(); Metoda displaychanged() není nyní v JOGL implementována. V budoucnu se bude volat při změně barevné hloubky nebo připojení dalšího monitoru, atd. Metodu je nutné implementovat, protože je definována v rozhraní GLEventListener. public void displaychanged(glautodrawable gldrawable, boolean modechanged, boolean devicechanged) Metoda init() se volá bezprostředně po vytvoření OpenGL okna, je vhodná pro nastavení základních parametrů vykreslování apod. V této kapitole se vytváří přístup k OpenGL, nastavuje barva pozadí (černá) a přidává třída, která bude obsluhovat stisky kláves. Barva pozadí je reprezentována jako čtyřsložkový vektor, kde první tři hodnoty určují barvu a čtvrtá hodnota určuje průhlednost, u barvy pozadí na nastavení průhlednosti nezáleží. public void init(glautodrawable gldrawable) this.gl = gldrawable.getgl(); gl.glclearcolor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); gldrawable.addkeylistener(this); Metoda reshape() je zavolána při změně velikosti okna a při prvním vykreslením, protože je nutné, aby se nastavil perspektivní pohled podle aktuální velikosti okna. public void reshape(glautodrawable gldrawable, int x, int y, int width, int height) if (height <= 0) height = 1; final float h = (float)width / (float)height; gl.glviewport(0, 0, width, height); Matice GL_PROJECTION ovlivňuje jak výrazná bude perspektiva, tj. jak moc se budou vzdálenější objekty zmenšovat. Metodou gluperspective se nastavuje pohledová pyramida (viz obrázek 5), která v tomto případě svírá úhel 45, závisí na výšce a šířce okna, ořezávací rovina z near je ve vzdálenosti 1 a z far 20 na ose Z. Hodnota z near by 16

28 neměla nabývat 0, protože pak se mohou vyskytnout z důvodu zaokrouhlovacích chyb problémy s viditelností. Přepnutí na matici GL_MODELVIEW oznamuje, že forma pohledu bude změněna, glloadidentity opět resetuje matici. gl.glmatrixmode(gl.gl_projection); gl.glloadidentity(); glu.gluperspective(45.0f, h, 1.0, 20.0); gl.glmatrixmode(gl.gl_modelview); gl.glloadidentity(); Plocha okna, do kterého se vykresluje z far Výška v pixelech α z near Šířka v pixelech Obrázek 5: Pohledová pyramida Metoda keypressed() je zavolána, když uživatel stiskne klávesu. Pokud stiskne Escape, aplikace se ukončí. Metody keyreleased() a keytyped() jsou prázdné, ale musí být implementovány, aby byla implementace korektní. public void keypressed(keyevent e) if (e.getkeycode() == KeyEvent.VK_ESCAPE) System.exit(0); public void keyreleased(keyevent e) public void keytyped(keyevent e) 17

29 4.3 Rotující jehlan V této kapitole vytvoříme prostorový útvar, který bude rotovat okolo své svislé osy. Využijeme kód z kapitoly 4.2, kde jsme vytvořili trojúhelník. Klientská třída Lesson se nemění. Po spuštění níže uvedeného kódu uvidíte okno, jako je na obrázku 6. Obrázek 6: Rotující jehlan Třída Renderer Všechny metody, kromě níže uvedených, zůstávají shodné s metodami z kapitoly 4.2. Části kódu, které se nezměnily, jsou napsány šedou barvou. Z metody display() odstraníme část kódu, která zobrazovala trojúhelník a nahradíme ho novým kódem, který vykresluje jehlan. Navíc přidáme jednoduchou rotaci okolo osy Y. Aby bylo možné rotovat okolo osy, přibyl jeden nový atribut třídy, který ukládá ve stupních celkový úhel, o který byl jehlan otočen. private float rotate = 0; Scénou otáčíme pomocí metody glrotatef(úhel, x, y, z), kde souřadnice x, y, z udávají směr osy, okolo které se otáčí. Souřadnice tří vrcholů byly nahrazeny dvanácti vrcholy jehlanu. Chceme-li každému vrcholu přiřadit jinou barvu, je nutné ji uvést. Na závěr inkrementujeme hodnotu proměnné rotate, ve které je uložen úhel, 18

30 o který je jehlan otočený. Pro zjednodušení je rychlost otáčení závislá na výkonu grafické karty. Ve zdrojovém kódu v textu je uvedena pouze jedna stěna jehlanu, která je znázorněna na obrázku 7, zbylé tři stěny mají pouze jiné souřadnice vrcholů, viz zdrojový kód na přiloženém CD. public void display(glautodrawable gldrawable) gl.glclear(gl.gl_color_buffer_bit GL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT); gl.glloadidentity(); gl.gltranslatef(0f, 0.0f, -2.75f); gl.glrotatef(rotate, 0.0f, 1.0f, 0.0f); gl.glbegin(gl.gl_triangles); gl.glcolor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); gl.glvertex3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); bod A gl.glcolor3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); gl.glvertex3f(-1.0f, -1.0f, 1.0f); bod B gl.glcolor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f); gl.glvertex3f(1.0f, -1.0f, 1.0f); bod C A... gl.glend(); rotate += 0.2; Obrázek 7: Body na jehlanu B C Obrázek 7: Body na jehlanu Protože vykreslujeme prostorové útvary, je potřeba zapnout testování na hloubku, aby bylo zajištěno, že bližší objekty překryjí vzdálenější. Pak se nastaví typ hloubkového vykreslování. Pro běžné vykreslování se používá GL_LESS nebo GL_LEQUAL, bližší objekty jsou překryty vzdálenějšími. Nakonec nastavíme korekci perspektivy. Při zanedbatelném snížení výkonu dosáhneme lepšího vzhledu celé scény. public void init(glautodrawable gldrawable) this.gl = gldrawable.getgl(); gl.glclearcolor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f); gl.glenable(gl.gl_depth_test); gl.gldepthfunc(gl.gl_lequal); gl.glhint(gl.gl_perspective_correction_hint, GL.GL_NICEST); gldrawable.addkeylistener(this); 19