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OpenGL: Tutorial 7 - Vertex Array
© 2004 / Mario Konrad

Beschreibung

Verwendung von Vertex Arrays.

Platformen:

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Die auf dieser Seite aufgeführten Sourcecodes dürfen uneingeschränkt verwendet, kopiert, verändert und publiziert werden. Jegliche Haftung wird abgelehnt, die Verwendung des hier publizierten Materials geschieht auf eigenes Risiko.

Source: tutorial07a.cpp / tutorial07b.cpp

Paket: tutorial07.tgz

Build und Start

$ tar -xzf tutorial07.tgz
$ cd tutorial07
$ make
$ ./tutorial07a
$ ./tutorial07b

Das Demo

Dieses Demo zeigt wie das vorangegange (Tutorial 6) eine Heightmap, diesmal allerdings als Vertex-Array. Die Verwendung des Vertexarrays kann erhebliche Verbesserungen bezüglich der Performance bieten (je nach Anwendungsfall).

Dieses Demo beinhaltet zwei Programme. Das Erste zeigt die grundsätzliche Verwendung des Vertexarrays. Das zweite Programm verfolgt den objekt-orientierten Ansatz und verpackt diese in eine eigene Klasse (Surface).

Was sind Vertex Arrays

Bevor wir nun in den Sourcecode eintauchen, vielleicht noch ein kurzes Wort zu den Vertex-Arrays. Wenn wir Objekte definieren bzw. zeichnen möchten, brauchen wir verschiedene Informationen. Im Minimum ist es die Geometrieinformation, sie bestimmt die Form. Hinzu kommt vielleicht noch eine Farbinformation. Will man mit Lichtquellen arbeiten, dann kommen noch die Normalen hinzu. Wie in vorangegangenen Tutorials gesehen, können wir alle diese Informationen explitit der OpenGL übergeben.

Vertex Arrays können nun aber von grossem Nutzen sein. Sie nehmen uns dieses explizite ausdrücken von Information ab. Wir können unsere Daten in eine Datenstruktur packen und diese als Ganzes der OpenGL übergeben. So brauchen wir uns um Vieles nicht mehr zu kümmern.

In unserm Fall haben wir alle drei Komponenten (Geometrie, Farb, Normalen). Die Datenstruktur im Speicher sieht dann wie folgt aus:

| Vertex 0 | Geometrieinformation |
|          | Farbinformation      |
|          | Normalenvektoren     |
| Vertex 1 | Geometrieinformation |
|          | Farbinformation      |
|          | Normalenvektoren     |
| ...      | ...                  |
| Vertex N | Geometrieinformation |
|          | Farbinformation      |
|          | Normalenvektoren     |

Damit OpenGL nun weiss, wie die Geometrieinformationen zusammenhängen, bzw. wo welche Polygone vorhanden sind, muss zusätzlich ein Indexarray definiert werden. Nehmen wir an, wir wollten mit Hilfe eines Vertexarrays zwei Dreiecke zeichnen, die dann zusammen ein Quadrat ergeben, so brächten wir zwei Dinge:

Einen Vertexarray, der alle möchlichen Eckpunkte beschreibt:

| Vertex 0 : { 0.0 , 0.0, 0.0 } |
| Vertex 1 : { 1.0 , 0.0, 0.0 } |
| Vertex 2 : { 1.0 , 1.0, 0.0 } |
| Vertex 3 : { 0.0 , 1.0, 0.0 } |

Einen Indexarray, der die Dreiecke definiert:

| 0 | Dreieck 0: `Vertex 0 -> Vertex 1 -> Vertex 2` |
| 1 |                                               |
| 2 |                                               |
| 0 | Dreieck 1: `Vertex 0 -> Vertex 2 -> Vertex 3` |
| 2 |                                               |
| 3 |                                               |

Variante A

Auf die Klasse Light wird an dieser Stelle nicht mehr eingegangen, da diese in vorangegangenem Tutorial genügend beschrieben wurde.

Die Klasse Vertex repräsentiert (wie der Name schon sagt) einen Vertex.

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class Vertex
{
    public:
        GLfloat x1, x2, x3;     // cartesian coordinates
        GLfloat r, g, b, a;     // color (RGBA)
        GLfloat n1, n2, n3;     // normal vector
};

Hier nun, relativ unspektakulär: alle nötigen Variblen um das Vertexarray zu beschreiben:

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Vertex * vertex = 0;
GLuint * index = 0;
int num_vertex = 0;
int num_index = 0;

Die Initialisierung der Heightmap, bzw. des Vertexarrays, geschieht wiederum in der Funktion calc_heightfield. Hier werden nun nicht nur die Geometrieinformationen definiert, sondern auch entsprechend die andern Komponenten. In den Zeilen 145-169 werden die Vertices definiert, in den Zeilen 171-186 die Indices.

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void calc_heightfield(void)
{
    if (vertex) delete [] vertex;
    num_vertex = (nx+1)*(ny+1);
    vertex = new Vertex[num_vertex];
    float dw = width / nx;
    float dh = height / ny;
    for (int y = 0; y <= ny; ++y)
    {
        for (int x = 0; x <= nx; ++x)
        {
            int i = x + y * (nx+1);

            vertex[i].x1 = x * dw;
            vertex[i].x2 = y * dh;
            vertex[i].x3 = 3.0 * sin(x * dw / M_PI);

            vertex[i].r = 0.0;
            vertex[i].g = 0.0;
            vertex[i].b = 0.2;
            vertex[i].a = 1.0;

            vertex[i].n1 = 0.0;
            vertex[i].n2 = 0.0;
            vertex[i].n3 = 1.0;
        }
    }

    if (index) delete [] index;
    num_index = nx * ny * 6;
    index = new GLuint[num_index];
    for (int y = 0; y < ny; ++y)
    {
        for (int x = 0; x < nx; ++x)
        {
            int i = 6 * (x + y * nx);
            index[i+0] = (x+0) + (y+0) * (nx+1);
            index[i+1] = (x+1) + (y+0) * (nx+1);
            index[i+2] = (x+1) + (y+1) * (nx+1);
            index[i+3] = (x+0) + (y+0) * (nx+1);
            index[i+4] = (x+1) + (y+1) * (nx+1);
            index[i+5] = (x+0) + (y+1) * (nx+1);
        }
    }
}

Die Verwendung der Arrays wird zum Teil deutlich, wenn es darum geht das entsprechende Objekt zu zeichnen. Die Funktion glDrawElements veranlasst das Zeichnen des Objektes mit den entsprechenden Indices innerhalb des Vertexarrays. Dabei teilen wir gleich noch mit welche Art von Polygonen wir wünschen (GL_TRIANGLES). Die Organisation der Indices muss natürlich mit der Art des Polygons übereinstimmen.

Funtion display:

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    // surface
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, matAmb);
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, matDiff);
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, matSpec);
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, matEmission);
    glMaterialf(GL_FRONT, GL_SHININESS, 10.0);
    glPushMatrix();
    glLineWidth(1.0);
    glTranslatef(-width/2.0, -height/2.0, 0.0);
    glDrawElements(
        GL_TRIANGLES,       // mode
        num_index,          // how many indices
        GL_UNSIGNED_INT,    // type of the index array
        index);             // indices
    glPopMatrix();

Woher weiss denn nun OpenGL welche Vertices gemeint sind? Diese haben wir nach der Initialisierung bekannt gegeben. In unserm Fall haben wir genau einen Vertexarray, der seine Daten auch nicht mehr ändert, darum können wir ihn ohne Probleme am Anfang bekanntgeben. Wäre dies nicht der Fall, so müssten wir bei jedem Zeichnen den Vertexarray der OpenGL übergeben.

Zu beachten sind die Funktionen glVertexPointer, glColorPointer und glNormalPointer. Diese übergeben die von uns vorbereiteten Daten.

main:

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    calc_heightfield();

    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
    glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);
    glVertexPointer(3,   //3 components per vertex (x,y,z)
                    GL_FLOAT,
                    sizeof(Vertex),
                    &vertex[0].x1);
    glColorPointer( 4,   //3 components per vertex (r,g,b,a)
                    GL_FLOAT,
                    sizeof(Vertex),
                    &vertex[0].r);  //Pointer to the first color
    glNormalPointer(GL_FLOAT,   // 3 components per vertex (nx, ny, nz)
                    sizeof(Vertex),
                    &vertex[0].n1);

Variante B

Wie oben schon erwähnt ist die Variante B, nichts als eine objekt-orientierte Version der Variante A, wobei Klassen deklariert werden nicht nur für Licht und Vertex, sondern auch für Material und Fläche.

Die Klasse Material ist zu simpel um hier erklärt werden zu müssen. Es handelt sich hierbei ja auch nicht um ein OO-Tutorial ;-)

Die Klasse Surface ist ja schon wesentlich interessanter, wobei nicht wirklich neuer Code hinzugekommen ist. Der Code von Variante A wurde lediglich in die Klasse hineingepackt.

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class Surface
{
    private:
        float width;
        float height;
        int nx;
        int ny;
        Vertex * vertex;
        GLuint * index;
        int num_vertex;
        int num_index;
        Material material;
        void calc();
    public:
        Surface();
        virtual ~Surface();
        void draw();
};

Die Methode calc übernimmt den Teil der Berechnung des Vertex- und Index-Arrays.

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void Surface::calc()
{
    if (vertex) delete [] vertex;
    num_vertex = (nx+1)*(ny+1);
    vertex = new Vertex[num_vertex];
    float dw = width / nx;
    float dh = height / ny;
    for (int y = 0; y <= ny; ++y)
    {
        for (int x = 0; x <= nx; ++x)
        {
            int i = x + y * (nx+1);

            vertex[i].x1 = x * dw;
            vertex[i].x2 = y * dh;
            vertex[i].x3 = 0.0;

            vertex[i].r = 0.0;
            vertex[i].g = 0.0;
            vertex[i].b = 0.2;
            vertex[i].a = 1.0;

            vertex[i].n1 = 0.0;
            vertex[i].n2 = 0.0;
            vertex[i].n3 = 1.0;
        }
    }

    if (index) delete [] index;
    num_index = nx * ny * 6;
    index = new GLuint[num_index];
    for (int y = 0; y < ny; ++y)
    {
        for (int x = 0; x < nx; ++x)
        {
            int i = 6 * (x + y * nx);
            index[i+0] = (x+0) + (y+0) * (nx+1);
            index[i+1] = (x+1) + (y+0) * (nx+1);
            index[i+2] = (x+1) + (y+1) * (nx+1);
            index[i+3] = (x+0) + (y+0) * (nx+1);
            index[i+4] = (x+1) + (y+1) * (nx+1);
            index[i+5] = (x+0) + (y+1) * (nx+1);
        }
    }
}

Wie oben schon angesprochen, muss nun bei jederm Durchgang des Zeichnens der Szene, der Vertexarray der OpenGL bekannt gemacht werden. Dies ist nun zusammengefasst in der folgenden Methode:

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void Surface::draw()
{
    glPushClientAttrib(GL_CLIENT_ALL_ATTRIB_BITS);
    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
    glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);
    glVertexPointer(3,   //3 components per vertex (x,y,z)
                    GL_FLOAT,
                    sizeof(Vertex),
                    &vertex[0].x1);
    glColorPointer( 4,   //3 components per vertex (r,g,b,a)
                    GL_FLOAT,
                    sizeof(Vertex),
                    &vertex[0].r);  //Pointer to the first color
    glNormalPointer(GL_FLOAT,   // 3 components per vertex (nx, ny, nz)
                    sizeof(Vertex),
                    &vertex[0].n1);

    material.draw();
    glPushMatrix();
    glLineWidth(1.0);
    glTranslatef(-width/2.0, -height/2.0, 0.0);
    glDrawElements(
        GL_TRIANGLES,       // mode
        num_index,          // how many indices
        GL_UNSIGNED_INT,    // type of the index array
        index);             // indices
    glPopMatrix();

    glDisable(GL_LIGHTING);

    // bounding box
    glLineWidth(3.0);
    glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
    glColor4f(0.8, 0.8, 0.8, 1.0);
    glBegin(GL_QUADS);
        glVertex3f(-width/2.0, -height/2.0, 0.0);
        glVertex3f( width/2.0, -height/2.0, 0.0);
        glVertex3f( width/2.0,  height/2.0, 0.0);
        glVertex3f(-width/2.0,  height/2.0, 0.0);
    glEnd();
    glPopClientAttrib();
}

Der Rest des Demos ist trivial.