Компьютерная графика реального времени.

Структура взаимодействия приложения с аппаратурой
API
application program interface
Программа
Driver
Graphics Hardware
HAL
hardware abstraction layer

Библиотеки
Open GL – open graphics library
(SGI, 90-е годы, версии 1.0-4.2)
GLUT - OpenGL Utility Toolkit (http://www.opengl.org/resources/libraries/glut/)
GLEW - OpenGL Extension Wrangler Library (http://glew.sourceforge.net/)
GLM - OpenGL Mathematics (http://glm.g-truc.net/)
. . .
Microsoft Direct3D – часть MS DirectX
(1992 RenderMorphics, версии 2.0-11.0)
D3DX – retained mode toolkit
XNA - Xbox New Architecture
(http://msdn.microsoft.com/ru-ru/xna/)

Инициализация OpenGL

Инициализация OpenGL: GLUT

GLUT: Callbacks

Инициализация Direct3D

Примитивы OpenGL

Вывод OpenGL

Примитивы Direct3D

Вывод Direct3D

Общая архитектура

Геометрическая фаза

Видовые преобразования & проецирование

Clip + Screen map

Графический конвейер на GPU
зеленый – полностью программируемый этап
желтый – конфигурируемый и непрограммируемый
синий – полностью фиксированный

Шейдера

Shaders
использование
инициализация

Shaders: vertex – закраска Гуро
// Gouraud
varying out vec4 c; uniform vec4 spec;
uniform vec3 eyepos; uniform vec4 diff;
uniform vec4 amb; uniform float spower;
uniform float time;
void main( void )
{
vec3 p = vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex); // transformed point to world space
vec3 campos = vec3(eyepos); // camera position
vec3 l = vec3(sin(time), 0, cos(time)); // vector to light position
vec3 v = campos - p; // vector to the camera
vec3 n = gl_NormalMatrix * gl_Normal; // transformed normal
gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
const vec4 diffcolor = vec4(diff); // diffuse
const vec4 speccolor = vec4(spec); // specular
const vec4 ambcolor = vec4(amb); // ambient
const vec4 specpower = vec4(spower); // specular power
vec3 n2 = normalize(n);
vec3 l2 = normalize(l);
vec3 v2 = normalize(v);
vec3 r = reflect(-v2, n2);
vec4 diff = diffcolor * max(dot(n2, l2), 0.0);
vec4 spec = speccolor * pow(max(dot(l2, r), 0.0), specpower);
c = diff + spec + ambcolor;
}

Shaders: fragment (pixel) – закраска Гуро
// Gouraud
varying in vec4 c;
void main( void )
{
gl_FragColor = c;
}

Shaders: vertex – закраска Фонга
// Phong
varying out vec3 l;
varying out vec3 v;
varying out vec3 n;
uniform vec3 eyepos;
uniform float time;
void main( void )
{
vec3 p = vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex); // transformed point to world space
vec3 campos = vec3(eyepos); // camera position
l = vec3(sin(time), 0, cos(time)); // vector to light position
v = campos - p; // vector to the camera
n = gl_NormalMatrix * gl_Normal; // transformed normal
gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
}

Shaders: fragment (pixel) – закраска Фонга
// Phong
varying in vec4 c;
varying in vec3 l;
varying in vec3 v;
varying in vec3 n;
uniform vec4 diff;
uniform vec4 spec;
uniform vec4 amb;
uniform float spower;
void main( void )
{
const vec4 diffcolor = vec4(diff); // diffuse
const vec4 speccolor = vec4(spec); // specular
const vec4 ambcolor = vec4(amb); // ambient
const vec4 specpower = vec4(spower); // specular power
vec3 n2 = normalize(n);
vec3 l2 = normalize(l);
vec3 v2 = normalize(v);
vec3 r = reflect(-v2, n2);
vec4 diff = diff * max(dot(n2, l2), 0.0);
vec4 spec = spec * pow(max(dot(l2, r), 0.0), spower);
gl_FragColor = amb + diff + spec;
}

Stencil buffer, blending & alpha test

Stencil buffer: Shadow volume

Stencil buffer: Shadow Volume

Shadow Map

Анимация
Синхронизация
clock_t start;
. . .
dt = (clock() - start) / (double)CLOCKS_PER_SEC;
LARGE_INTEGER Start, Quant;
QueryPerformanceFrequency(&Quant);
QueryPerformanceCounter(&Start);
. . .
QueryPerformanceCounter(&Time);
dt = (Time.QuadPart - Start.QuadPart) /
(double)Quanty.QuadPart;

Ключевые кадры (key frame)

Сеточная анимация

Инверсная и прямая кинематика
Cyclic Coordinate Descent (CCD)

Tomas Akenine-Moller, Eric Haines, Naty Hoffman, “Real-Time Rendering”, Third Edition, AK Peters-2008
Andrew S. Glassner (ed.), Eric Haines, Pat Hanrahan, Robert L. Cook, James Arvo, David Kirk, Paul S. Heckbert, "An Introduction to Ray Tracing (The Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics)", Academic Press-1989.
Matt Pharr, Greg Humphreys, "Physically Based Rendering, Second Edition: From Theory To Implementation", Morgan Kaufmann-2010
David S. Ebert, F. Kenton Musgrave, Darwyn Peachey, Ken Perlin, Steve Worley, "Texturing and Modeling, Third Edition: A Procedural Approach (The Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics)”, Morgan Kaufmann-2002