OpenGL



Libreria grafica composta da circa 150 comandi.
Realizzata in vari linguaggi (noi useremo quella in
C).
Sviluppato dalla Silicon Graphics. Originariamente
si chiamava IRIS GL. Ora è gestito da un comitato
indipendente che controlla e modifica lo standard.
Disponibile gratuitamente su molte piattaforme
(Windows e UNIX).
Pensato per essere hardware-independent. Per
ottenere questo scopo, non contiene comandi per
gestire le finestre.
OpenGL
Informatica Grafica
1
Struttura OpenGL



OpenGL è una “rendering library”. Non ci sono
strutture predefinite come in PHIGS, lavora in
“immediate mode”. Per costruire oggetti complessi
e modificarli si usano librerie costruite sopra
OpenGL (Es. OpenInventor).
OpenGL usa un insieme di primitive abbastanza
ridotto. Inoltre non scrive direttamente sullo
schermo ma accede ad un framebuffer.
OpenGL è una state-machine. Le variabili di stato
guidano il rendering.
OpenGL
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2
Pipeline Grafica
Lo schema di esecuzione di un programma OpenGL è
il seguente:
OpenGL
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3
Librerie
OpenGL
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4
Primo Esempio
main() {
OpenAWindow();
glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
glOrtho(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, -1.0, 1.0);
glBegin(GL_POLYGON);
glVertex3f(0.25, -0.25, 0.0);
glVertex3f(0.75, 0.25, 0.0);
glVertex3f(0.75, 0.75, 0.0);
glVertex3f(0.25, 0.75, 0.0);
glEnd();
glFlush;
KeepTheWindow();
}
OpenGL
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5
Convenzioni

Tutti i comandi hanno il prefisso gl e seguono le
stesse regole di Java. Es: glClearColor.

Costanti e variabili di stato sono scritte tutte in
maiuscolo, iniziano con GL_ e le parole sono
separate da ‘_’. Es: GL_COLOR_BUFFER_BIT.

I tipi in OpenGL hanno dei nomi interni che incominciano
per GL, del tipo: GLbyte, GLshort, GLint, GLfloat, GLdouble
OpenGL
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6
Sintassi
Molti comandi finiscono con 2 suffissi (es.:
glVertex2f() ). Il primo (2) denota il numero di
argomenti, mentre il secondo (f) denota il tipo
(float). I tipi ammessi sono:
b
s
i
f
8-bit integer
16-bit integer
32-bit integer
32-bit floating-point
ub
us
ui
d
8-bit unsigned integer
16-bit unsigned integer
32-bit unsigned integer
64-bit floating-point
Alcuni comandi possono prevedere un terzo suffisso (v) per
indicare che si applicano a vettori.
OpenGL
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7
GLUT




GLUT = OpenGL Utility Toolkit
Gestisce: creazione di finestre, unità di input
(mouse e tastiera), menu, solidi, ecc ...
Disponibile su molte piattaforme (UNIX, Windows,
Mac), permette di scrivere codice portabile.
Adatto ad applicazioni “semplici”. Per applicazioni
complete meglio usare i comandi del sistema
operativo specifico.
OpenGL
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8
Struttura


GLUT gestisce completamente il funzionamento
del programma, ma demanda ad openGL la
generazione dell’immagine.
Le funzioni principali sono:
glutInit
glutInitWindowPosition
glutCreateWindow
glutDisplayFunc
OpenGL
glutInitDisplayMode
glutInitWindowSize
glutMainLoop
glutPostRedisplay
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9
Esempio (1)
int main(int argc, char** argv) {
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);
glutInitWindowSize (500, 500);
glutCreateWindow (“hello”);
init();
glutDisplayFunc(display);
glutMainLoop();
return 0;
}
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10
Esempio (2)
void init(void)
{ glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
glOrtho(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, -1.0, 1.0);
}
void display( void )
{ glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f (1.0, 1.0, 1.0);
glBegin(GL_POLYGON);
glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0); glVertex3f(0.75, 0.25, 0.0);
glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0); glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0);
glEnd();
glFlush();
}
OpenGL
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11
Colore in OpenGL

Il colore viene (normalmente) specificato nel
formato RGBA, dove A sta per Alpha che specifica
la trasparenza del pixel (tenuta in considerazione
se siamo in modalità Blending).

Il colore è una variabile di stato, un disegno viene
fatto nel colore attivo.
OpenGL
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12
Buffers
OpenGL mantiene in memoria almeno 4 buffers:
Tipo
Identificativo
Color buffer
GL_COLOR_BUFFER_BIT
Depth buffer
GL_DEPTH_BUFFER_BIT
Accumulation buffer
GL_ACCUM_BUFFER_BIT
Stencil buffer
GL_STENCIL_BUFFER_BIT
Nel Color buffer vengono memorizzate le immagini. Il
Depth buffer serve per l’eliminazione delle parti
nascoste. Lo Stencil buffer serve per restringere il
disegno e l’Accumulation buffer per area di lavoro.

OpenGL
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13
Inizializzazione Buffers

glClearColor setta il colore RGBA da usare per
l’operazione di glClear del Color Buffer.

glClearDepth setta il valore di profondità da usare
per l’operazione di glClear del Depth Buffer.

glClear inizializza il buffer (o i buffers) che
contengono usando il propri clear values correnti.
OpenGL
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14
Primitive
La primitiva fondamentale è la lista di vertici, che
viene usati per diversi oggetti grafici:
Punti:
GL_POINTS
Linee:
GL_LINES, GL_LINE_STRIP,GL_LINE_LOOP
Quadrilateri: GL_QUADS, GL_QUAD_STRIP
Poligoni:
GL_POLYGON
Triangoli:
GL_TRIANGLES, GL_TRIANGLE_STRIP,
GL_TRIANGLE_FAN
Le liste di vertici sono racchiuse tra:
glBegin(<NomePrimitiva>); ….. glEnd();
OpenGL
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15
Disegno Primitive
Ogni primitiva viene disegnata in modo diverso.
GL_POINTS
Solo i vertici
GL_LINES
Le linee da 0 ad 1, da 2 a 3, etc
GL_POLYGON
Il poligono pieno
GL_TRIANGLES I triangoli pieni formati dai vertici
0-2, 3-5, etc...
GL_LINE_STRIP La spezzata (non chiusa) che
congiunge i vertici in ordine
GL_LINE_LOOP La spezzata (chiusa) che
congiunge i vertici in ordine
OpenGL
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16
Disegno Primitive (2)
GL_QUADS
I quadrilateri pieni formati dai
vertici 0-3, 4-7, etc...
GL_QUAD_STRIP I quadrilateri pieni formati dai
vertici 0-3, 2-5, 4-7 etc...
GL_TRIANGLE_STRIP I triangoli pieni formati dai
vertici 0-2, 1-3, 2-4 etc...
GL_TRIANGLE_FAN
I triangoli pieni formati dai
vertici 012, 023, 034 etc...
OpenGL
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17
Disegno Primitive (3)
OpenGL
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18
Poligoni
Si possono modificare gli stili di disegno di un
poligono con il comando:
glPolygonMode(Glenum face, Glenum mode);
face specifica a quale faccia (davanti GL_FRONT,
dietro GL_BACK, entrambe
GL_FRONT_AND_BACK) si applica il mode, il quale
vale GL_POINT, GL_LINE o GL_FILL (default).
Convenzionalmente la faccia front vede i vertici in
senso antiorario, ma si può modificare. Ad ogni
vertice possiamo associare una normale (usata nel
rendering) con glNormal();
OpenGL
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19
Disegno

OpenGL è pensato per un’architettura hardware
con pipeline. Per questo motivo, i comandi vengono
memorizzati in un buffer ed eseguiti quando il
buffer è pieno e la CPU è disponibile. Per forzare il
disegno abbiamo 2 comandi:
glFlush(); Forza l’esecuzione dei comandi dati.
termina immediatamente
glFinish(); Forza l’esecuzione dei comandi dati e
termina solo dopo la loro esecuzione
OpenGL
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20
Visualizzazione in OpenGL
OpenGL
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21
Specifica Vista
La proiezione è definita da 2 matrici:
GL_MODELVIEW: Porta gli oggetti in coordinate di
vista. Analoga alla View Orientation, ma più
generale.
GL_PROJECTION: Porta il volume di vista nel
volume canonico (Qui x, y, z tra -1 ed 1). Analoga
alla View Mapping.

Quale matrice viene modificata è un valore di stato.
Modificato con glMatrixMode();
OpenGL
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22
Operazioni su Matrici
Operazioni fondamentali sono:
glMatrixMode(mode)
Sceglie la matrice da
modificare GL_PROJECTION
o GL_MODELVIEW
glLoadIdentity()
Inizializza all’identità
glLoadMatrix(matrice) Carica una matrice 4x4
glMultMatrix(matrice) moltiplica, a destra, la matrice
corrente per la matrice
specificata

OpenGL
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23
Modelview Matrix

Modifica il disegno in modo che si possa applicare
la matrice di proiezione.

Contiene il risultato di comporre un numero anche
molto alto di trasformazioni.

In ogni momento memorizza la trasformazione
necessaria a portare l’oggetto corrente in
coordinate di vista.
OpenGL
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24
Matrici Trasformazione
Le matrici di trasformazione vengono definite con i
comandi:
glTranslate*(x, y, z);
Trasla di (x, y, z)
glRotate*(angle, x, y, z); Ruota di angle (antiorario)
rispetto alla retta da (x,y,z)
all’origine
glScale*(x, y, z);
Scala sui tre assi
Non esiste la trasformazione di shearing, ma si può
inizializzare una matrice con 16 valori qualunque
usando glLoadMatrix.
OpenGL
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25
Coordinate di vista
Per portarsi in coordinate di vista possiamo usare
le trasformazioni viste oppure usare il comando
gluLookAt( eyex,
eyey,
eyez,
centerx,
centery,
centerz,
upx,
upy,
upz)
che porta in coordinate di vista partendo dalla
situazione con l’osservatore in (eyex,eyey,eyez), il
centro dell’immagine in (centerx,centery,centerz)
ed il View up vector = (upx,upy,upz). Impone che il
View Plane Normal sia la congiungente
l’osservatore con il centro dell’immagine.

OpenGL
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26
Composizione
Trasformazioni

Le matrici si compongono sempre in modalità
POSTCONCATENATE. Per rimpiazzare bisogna
dare prima il comando glLoadIdentity(); Bisogna
scrivere le trasformazioni in ordine inverso a quello
in cui vengono applicate.

Le oprazioni si applicano sempre alla matrice
corrente. Le matrici possono essere modificate
durante l’esecuzione.
OpenGL
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27
Esempio
main () {
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
glTranslatef(-1.0, -1.0, 0.0);
glRotatef(90.0, 0.0, 0.0, 1.0);
glBegin(GL_POLYGON);
glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0);
glVertex3f(2.0, 1.0, 0.0);
glVertex3f(1.0, 2.0, 0.0);
glEnd();
glFlush();
}
OpenGL
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28
Matrice di Proiezione

Bisogna modificare la matrice GL_PROJECTION

Assume che la trasformazione collegata alla
matrice GL_MODELVIEW porti il sistema di vista
a coincidere con gli assi coordinato (WC = VRC) e
che il piano di proiezione sia diventato z = -d, cioè
perpendicolare all’asse z e sulle z negative.
OpenGL
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29
Proiezioni Prospettiche

Proiezioni prospettiche. Il comando fondamentale è
glFrustum(left, right, bottom, top, near, far)

che definisce una matrice di proiezione dando i
clipping planes (near e far) e la finestra (sul piano
near).
Alternativa usando la libreria GLU:
gluPerspective(fovy, aspect, near, far)
Fornisce l’angolo di apertura sul piano xz (fovy), il
rapporto della finestra w/h (aspect) il front ed il
back plane.
OpenGL
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30
Proiezioni Prospettiche (2)
OpenGL
Informatica Grafica
31
Proiezioni Parallele

Proiezioni parallele. Il comando fondamentale è
glOrtho(left, right, bottom, top, near, far)
che definisce una matrice di proiezione dando i
clipping planes (near e far) e la finestra (su uno
qualunque dei piani).
OpenGL
Informatica Grafica
32
Viewport

Il viewport si definisce con il comando:
glViewport(x, y, width, height);
se non viene definito, per default si prende x=0,
y=0 e width ed height uguali alla dimensione della
finestra. Per non distorcere l’immagine bisogna che
width ed height siano nello stesso rapporto della
larghezza ed altezza della finestra sul piano.

Può essere usato per avere più immagini nella
stessa finestra. Ognuna occupa una parte.
OpenGL
Informatica Grafica
33
Operazioni su Matrici
OpenGL mantiene le matrici in degli stacks. Uno
stack per la GL_MODELVIEW (dimensione
almeno 32) ed uno per la GL_PROJECTION.
 Le trasformazioni si applicano alla matrice top
dello stack corrente.
 Molto utili per memorizzare alcune matrici che
devono essere applicate a più primitive.
 Operazioni sugli stack sono:
glPushMatrix()
duplica la matrice affiorante e la
inserisce in testa
glPopMatrix()
elimina la matrice affiorante.

OpenGL
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34
Esempio
void disegna_bicicletta () {
Posizionati nell’origine del modello,
disegna il telaio;
glPushMatrix();
glTranslatef(40,0,30);
disegna prima ruota;
glPopMatrix();
glPushMatrix();
glTranslatef(40,0,-30);
disegna seconda ruota;
glPopMatrix();
OpenGL
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35
Eliminazione Parti Nascoste
Per default, OpenGL non elimina le parti nascoste,
ma disegna gli oggetti nell’ordine in cui li incontra.
Per eliminare le parti nascoste bisogna dare il
comando:
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
che rende attivo il Depth Buffer. Prima di usare il
buffer bisogna però inizializzarlo con:
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
NOTA: Il comando glEnable si applica a tutte le
variabili di stato booleane.
OpenGL
Informatica Grafica
36
Animazioni (1)
L’uso maggiore di OpenGL non è per generare
immagini, ma per fare delle animazioni.
 Le animazioni richiedono di disegnare sullo
schermo molte immagini in sequenza ad un ritmo
di (possibilmente) almeno 30 al secondo. Esempio:
apri finestra;
for (i=0, i < massimo, i++) {
pulisci la finestra; disegna immagine;
aspetta fino ad (i+1)/30 secondi;
}

OpenGL
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37
Animazioni (2)

Problemi:
1) Si nota che lo schermo viene pulito
2) Si vede mentre l’immagine viene disegnata.
3) L’immagine non è stabile poiché lo schermo viene
continuamente aggiornato
OpenGL
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38
Double Buffering (1)

Risolve (parzialmente) il problema dello sfarfallio
(flickering) con la seguente tecnica:
1) Usa un secondo buffer dove viene effettuato il
disegno.
2) Sostituisci il secondo buffer al primo solo dopo che
è stato completamente disegnato.
OpenGL
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39
Double Buffering (2)
In OpenGL il double buffering viene gestito da
GLUT (o dal sistema operativo). In GLUT abbiamo
i comandi:
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE)
Dichiara che si useranno due buffers. Il primo
viene presentato sullo schermo, mentre il disegno
verrà fatto sul secondo.
glutSwapBuffers()
Scambia i due buffers, presentando il second sullo
schermo.

OpenGL
Informatica Grafica
40
Esempio (1)
int main(int argc, char** argv) {
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);
glutInitWindowSize (250, 250);
glutInitWindowPosition (100, 100);
glutCreateWindow (argv[0]);
init ();
glutDisplayFunc(display);
glutIdleFunc(spinDisplay);
glutMainLoop();
return 0; }
OpenGL
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41
Esempio (2)
#include <GL/glut.h> #include <stdlib.h>
static GLfloat spin = 0.0;
void display(void) {
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glPushMatrix();
glRotatef(spin, 0.0, 0.0, 1.0); glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
glRectf(-25.0, -25.0, 25.0, 25.0); glPopMatrix();
glutSwapBuffers(); }
void spinDisplay(void) {
spin = spin + 2.0; if (spin > 360.0) spin = spin - 360.0;
glutPostRedisplay(); }
void init(void) {
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_FLAT); }
OpenGL
Informatica Grafica
42
Eliminazione parti nascoste

OpenGL ha built-in le procedure per l’eliminazione
delle parti nascoste. Bisogna solo renderle attive.
Questo richiede almeno 3 passi:
1) glutInitDisplayMode(GLUT_DEPTH | ……);
Inizializza la finestra predisponendola per fare il controllo
sulla profondità che elimina le parti nascoste
2) glEnable(GL_DEPTH_TEST);
Abilita (in OpenGL) il controllo sulla profondità
3) glClearDepth();
Sceglie il valore (tra 0 ed 1) di clear della
profondità (per default vale 1).
4) glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
Inizializza il buffer che mantiene le informazioni sulla
profondità
OpenGL
Informatica Grafica
43
Illuminazione

Per definire l’illuminazione in OpenGL bisogna
fare diversi passi:
1) Definire dei solidi, fornendo la normale uscente da ogni
vertice;
2) Creare, selezionare e posizionare le sorgenti di luce;
3) Creare e selezionare un modello d’illuminazione;
4) Definire le proprietà dei materiali presenti nella scena.
OpenGL
Informatica Grafica
44
Tipi di Luce

In OpenGL ci sono tre tipi di luce, ognuna con un
proprio colore:
1) Ambiente;
Luce dispersa dalla riflessione sulle superfici tale che non ha
una direzione, ma illumina uniformemente tutti gli oggetti.
2) Diffusa;
Luce che colpisce un oggetto e viene diffusa in tutte le
direzioni
3) Speculare;
Luce che colpisce un oggetto e viene diffusa principalmente in
una direzione
OpenGL
Informatica Grafica
45
Attivazione Illuminazione

Per default l’illuminazione non e’ attiva. Per
renderla attiva bisogna dare i comandi:
1) glEnable(GL_LIGHTING);
Attiva l’illuminazione.
2) glEnable(GL_LIGHT0);
Accende la luce 0. Necessario se no le luci non illuminano la
scena.
Quando e’ attiva l’illuminazione il modello di disegno deve
essere GL_SMOOTH, quindi bisogna dare il comando
glShadeModel(GL_SMOOTH);
OpenGL
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46
Definizione Normali

Le normali uscenti dai vertici servono per calcolare
quanta luce colpisce il vertice. Tutte le primitive
glut solide (non wire) hanno già definite queste
normali. Se non sono definite, si aggiungono nel
comando
glBegin(GL_POLYGON);
glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0);
glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0);
glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0);
glNormal3f(0.0 ,0.0, 1.0);
glEnd();
OpenGL
glVertex3f(0.25,
glVertex3f(0.75,
glVertex3f(0.75,
glVertex3f(0.25,
Informatica Grafica
-0.25, 0.0);
0.25, 0.0);
0.75, 0.0);
0.75, 0.0);
47
Creazione Sorgenti Luce
Specificate con il comando
glLightfv(Glenum light, Glenum pname, TYPE *param)
dove light e’ il nome della luce (GL_LIGHT0 .. GL_LIGHT7 in
molte implementazioni), pname e’ il parametro da settare e
param un vettore di valori da assegnare al pname.

I parametri più importanti sono:
GL_AMBIENT
GL_DIFFUSE
GL_SPECULAR
definiscono le caratteristiche della luce
GL_POSITION
GL_SPOT_DIRECTION
definiscono posizione (direzione se all’infinito) e orientamento
(solo se al finito) della luce.
OpenGL
Informatica Grafica
48
Scelta del Modello
Specifica le caratteristiche del modello di illuminazione da
usare per la visualizzazione (rendering) della scena.
Comando:
glLightModelfv(Glenum pname, TYPE *param)
dove pname e’ il parametro da settare e param un vettore di
valori da assegnare al pname.


Per ora useremo sempre il modello di default. Vedremo
meglio le caratteristiche più avanti nel corso.
OpenGL
Informatica Grafica
49
Proprietà dei Materiali
Bisogna definire come gli oggetti presenti nella scena
reagiscono alla luce. Specificato con il comando:
glMaterialfv(Glenum face, Glenum pname, TYPE *param)
dove face e’ la faccia (front, back o entrambe), pname e’ il
parametro da settare e param un vettore di valori da
assegnare al pname.

I parametri più importanti sono:
GL_AMBIENT
GL_DIFFUSE
GL_SPECULAR
GL_SHININESS
GL_EMISSION
che definiscono il comportamento del materiale quando viene
illuminato.
OpenGL
Informatica Grafica
50
Effetti Avanzati

OpenGL può generare i seguenti effetti:
1) Oggetti trasparenti.
2) Blending di immagini
3) Antialiasing
4) Nebbia (visibilità limitata)
5) Texture mapping (incluso mipmapping)
OpenGL
Informatica Grafica
51
Buffers
Il framebuffer di OpenGL e’ composto in realtà da
un insieme di buffers, che sono:
1) Color buffers (almeno 2, spesso di più per la visione
stereo).
2) Depth buffer
3) Stencil buffer
Usato per “ritagliare” aree dello schermo
4) Accumulation buffer
Accumula i risultati per effetti speciali come
Motion Blur, simulare il fuoco, ombre, ...

OpenGL
Informatica Grafica
52
Primitive non Piane
OpenGL permette di disegnare:
1) Poligoni non semplici
Attraverso la tessellazione
2) Quadriche
Tutte le superfici esprimibili con equazioni
quadratiche in 2 variabili (sfere, cilindri, dischi,..)
3) Curve parametriche e Superfici parametriche
Supporto per le curve e superfici parametriche di
Bezier e NURBS

OpenGL
Informatica Grafica
53
Selezione e Feedback

OpenGL permette di selezionare e fare il picking
degli oggetti sullo schermo fornendo le primitive
necessarie

Inoltre e’ possibile interrogare OpenGL per
controllare le coordinate (trasformate) ed il colore
(dopo l’illuminazione) degli oggetti.
OpenGL
Informatica Grafica
54