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Programmazione grafica1
Daniele Marini
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Dal modello alla sua raffigurazione
• Come passo dalla descrizione astratta, geometrica di un modello alla sua raffigurazione?
• Le librerie grafiche permettono di descrivere e rappresentare tutti gli elementi del modello
• permettono anche di controllare il modo della raffigurazione (prospettiva, rendering, ..)
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Librerie grafiche
• Librerie di funzioni che permettono di descrivere e raffigurare un modello geometrico (una forma), es:– OpenGL: libreria di procedure che realizza un API
(application programmer’s interface)– Standard de facto– Disponibile su windows, mac, IRIX, Solaris– Linux dispone di librerie free Mesa - subset di OpenGL– La struttura semantica è simile a quella di altre librerie: GKS,
Direct3D, Java3D
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Funzioni essenziali
• Tutte le librerie devono prevedere funzioni essenziali per definire e manipolare elementi geometrici essenziali: punti, segmenti
• prevedono anche funzioni per definire e manipolare strutture più complesse: poligoni, poliedri, ecc.
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Caratteristiche di una libreria grafica
• maschera le funzioni device dependent
• È strutturata in primitive, attributi, funzioni di visualizzazione, funzioni di trasformazione funzioni di input, funzioni di controllo
User programGraphics system
APII/O devices
Function call output
inputdata
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Il livello più elementare:Disegnare al tratto - “Line drawing”
Il plotter a penna, le funzioni:
moveto (x,y)lineto (x,y)
Anche il controllo di un display può essere descritto in questostesso modo
le funzioni vengono interpretateda un driver
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Disegno al tratto• Tracciare linee definite in uno spazio cartesiano
piano• Modalità molto diffusa ma con limiti: come
lavorare in 3D?• Come gestire strutture geometriche più evolute?
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Disegno al tratto
• Possiamo pensare un disegno piano come la proiezione di un disegno tridimensionale
• Oppure come un disegno definito nello spazio 3d ma con punti su un medesimo piano di equazione z=0
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Disegno al tratto
• I punti sono descritti da vettori:
p(x,y,z)o, nel piano, p(x,y,0)• Coppie o n-uple di vettori permettono di
definire segmenti, spezzate o poligoni
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• I tipi principali sono:
punti
segmenti
spezzate
poligoni
p1p2
p3
p4p5
p1p2
p3
p4p5
p1p2
p3
p4p5
p1p2
p3
p4p5
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Poligoni
Hanno diversi aspetti
Possono essere semplici e intrecciati
Convessi o non convessi
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strisce di: triangoli, quadrangoli o ventagli di triangoli
p0 p2 p4 p6
p1 p3 p5 p7
p0 p2 p4 p6
p1 p3 p5 p7
aggregati di poligoni
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Il processo base di raffigurazione di una geometria
• determinare quale parte della geometria raffigurare: trasformazione window_to_viewport
• decidere quali linee sono visibili e quali esterne alla window: clipping
• convertire la geometria in pixel: scan conversione di linee e poligoni
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trasformazione window_to_viewport
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Le coordinate schermo
La figura precedente è definita in uno spazio cartesiano indipendente dal dispositivo di visualizzazione (display, carta, …)
In passato il disegno veniva descritto direttamente in coordinate del dispositivo (es. il plotter)
La conversione tra coordinate ‘mondo’ - “world co-ordinates” e coordinate dispositivo - “device co-ordinates” si chiama trasformazione window-to-viewport
Spazio mondo /Spazio schermo
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Coordinate mondoWC world co-ordinates
Coordinate schermoSC screen co-ordinates
window viewport
Window in WC: (xmin, ymin), (xmax,ymax)
Viewport in WC: (umin,vmin), (umax,vmax)
(xmin, ymin)
(xmax,ymax)
(umin,vmin)
(umax,vmax)
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Traslazione: (-xmin,-ymin)
Scala: umax−umin
xmax−xmin
,vmax−vmin
ymax−ymin
⎛
⎝ ⎜ ⎜
⎞
⎠ ⎟ ⎟
Traslazione inversa : (umin,vmin)
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clipping
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Clipping di segmentiAlgoritmo di Cohen Sutherland
• Classificare punti rispetto alle rette che delimitano la finestra - codice a 4 bit: outcode
• esclusione o inclusione triviale con test sull’outcode
• per altri segmenti: cercare intersezione con equazione parametrica del segmento
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Outcode: 4 casi• o1=o2=0 tutto interno• o1 ≠ 0 o2 = 0 un estremo interno uno esterno, il codice o1 indica quale bordo interseca• o1 & o2 ≠ 0 controllare se stanno dalla stessa parte se sì il segmento viene scartato• o1 & o2 = 0 entrambi gli estermi sono esterni ma in semipiani diversi, controllare
Il controllo richiede solo operazioni booleanePer calcolare l’intersezione con un bordo si usa l’equazione della retta y = mx + q
ATTENZIONE a segmenti paralleli ai bordi!
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scan conversione di linee e poligoni
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Dalla geometria ai pixel:scan conversione di linee
Convertire un segmento i cui estremi sono espressi comecoppie di numeri reali, in una serie di PIXEL sullo schermodel computer.
Problema di conversione da numero reale a intero e dicampionamento su una griglia regolare di punti.
Un metodo inadeguato dà luogo a “alias” molto evidenti;Aliasing è comunque sempre presente.
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Requisiti
• Velocità
• luminosità uniforme
• stile linea
• antialiasing
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Algoritmo base
• Calcola rapporto incrementale dy/dx
• genera punti sulla retta con l’equazione esplicita: yi = mxi +b
• ad ogni passo arrotonda i valori all’intero prossimo: Round(yi)=Floor(0.5+yi)
• complessità alta: 1 moltiplicazione, 1 somma, 1 arrotondamento ad ogni passo
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(xi,yi)
(xi+1, yi+m)(xi, Round(yi))
(xi+1, Round(yi+m))
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• L’algoritmo opera su rette con |m|<=1, e incrementa ad ogni passo x di una unità (rette con pendenza compresa tra -45° e +45°):
• Per |m|>1 si applica l’equazione x=f(y) e si incrementa (o decrementa) y di una unità:
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Metodo incrementale
• Si evita il prodotto
• yi+1 = mxi+1 + b = m(xi + dx) + b = yi + mdx
• Se dx=1 allora yi+1 = yi + m
• questo metodo è chiamato DDA, Digital Differential Analyzer
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Algoritmo DDA
procedure line(x0,y0,x1,y1:float; value:integer);var x:integer; dx,dy,y,m: float;begin dy:=y1-y0;
dx:=x1-x0;m:=dy/dx;y:=y0;for x:=x0 to x1 do
beginWritePixel(x,Round(y),value);y:=y+mend
end.