Задание 3. OpenGL (Интерактивный ландшафт)

Начало: 30 октября 2012 года.

Конец: 13 ноября 2012 года.

Цель задания.

Целью данного задания является генерация и вывод с помощью OpenGL поверхности ландшафта, а также обеспечение интерактивного передвижения над ней.

Описание задания.

Обязательная часть задания

Для выполнения обязательной части задания необходимы:

  • генерация трехмерного ландшафта
  • раскраска для придания реалистичности
  • возможность "полета" над ландшафтом (управление)

Пример 3D-ландшафта

Более подробное описание:

Генерация ландшафта

Один из вариантов задания поверхности ландшафта - задание так называемого "поля высот" - функции вида z=f(x, y), которая сопоставляет каждой точке
(x, y) плоскости OXY число z - высоту поверхности ландшафта в этой точке. Один из способов задания функции f - табличный, когда функция f представляется матрицей T размера M x N, и для целых x и y f=T[x, y], а для дробных x и y из диапазонов [0..M-1] и [0..N-1] соответственно f вычисляется интерполяцией значений f в ближайших точках плоскости OXY с целыми x и y, а вне указанных диапазонов x и y значение функции считается
неопределенным.

Допустим, в памяти лежит двухмерный массив со значениями матрицы T. Пусть N=M. Если теперь для каждого квадрата [x, x+1] x [y, y+1], где x и y принадлежат диапазону [0..N-2] построить две грани:

((x  , y  , T[x  , y  ]), 
 (x+1, y  , T[x+1, y  ]), 
 (x+1, y+1, T[x+1, y+1])
)
и
((x  , y  , T[x  , y  ]),
 (x+1, y+1, T[x+1, y+1]),
 (x  , y+1, T[x  , y+1])
)
,
то мы получим трехмерную модель поверхности, описываемой матрицей Т.

Но каким образом задать массив значений матрицы Т? Один из способов - сгенерировать псевдослучайную поверхность с помощью фрактального разбиения. Для этого положим размерность матрицы T равной 2^N+1, где N - натуральное число. Зададим некоторые произвольные (псевдослучайные) значения для четырех угловых элементов матрицы Т. Теперь для каждого из четырех ребер матрицы Т (это столбцы или строки элементов, соединяющие угловые элементы) вычислим значение элемента матрицы Т, соответствующего середине ребра. Для этого возьмем среднее арифметическое значений элементов матрицы Т в
вершинах ребра и прибавим к получившемуся значению некоторое псевдослучайное число, пропорциональное длине ребра. Значение центрального элемента матрицы Т вычислим аналогично, только будем брать среднее арифметическое четырех значений элементов матрицы в серединах ее ребер.

Теперь разобъем матрицу Т на четыре квадратные подматрицы. Значения их угловых элементов уже определены и мы можем рекурсивно применить к подматрицам Т описанную выше процедуру. Будем спускаться рекурсивно по дереву подматриц, пока все элементы Т не будут определены. С помощью подбора коэффициентов генерации псевдослучайной добавки можно регулировать "изрезанность" поверхности. Для реалистичности поверхности важно сделать величину псевдослучайной добавки зависящей от длины текущего ребра - с уменьшением размера ребра должно уменьшаться и возможное отклонение высоты его середины от среднего арифметического высот его вершин.

Один из других вариантов - использовать изображения в градациях серого для для карты высот. (В этом случае ландшафт можно оттекстурировать с помощью соответствующей цветной картинки и линейной генерации текстурных координат)

Раскраска ландшафта

Чтобы сделать получившуюся модель немного более напоминающей ландшафт, ее нужно раскрасить. Каждой вершине можно сопоставить свой цвет, зависящий от высоты этой вершины. Например, вершины выше определенного уровня можно покрасить в белый цвет в попытке сымитировать шапки гор, вершины пониже - в коричневый цвет скал, а вершины уровнем еще ниже - в зеленый цвет травы.
Значения "уровней" раскраски поверхности следует подобрать из эстетических соображений.

Освещение ландшафта

Для еще большего реализма и для подчеркивания рельефа осветить модель ландшафта бесконечно удаленным источником света (как бы солнцем).

Цвет вершин можно задавать через glColor(..) совместно с glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);

Управление

В базовом варианте необходимо сделать элементарное управление движением камеры по клавиатурным "стрелочкам". Нажатие на стрелку "вверх" - передвижение по направлению взгляда вперед. "Назад" - по направлению взгляда назад. "Влево", "Вправо" по аналогии, "Page Up", "Page Down" - вверх, вниз, соответственно.

В GLUT'е получать нажатия не алфавитно-цифровых клавиш можно через функцию glutSpecialFunc(void (*)(int key, int x, int y)), где key - константа, обозначающая клавишу (см. в glut.h - GLUT_KEY_). Функция используется аналогично glutKeyboardFunc().

Дополнительная часть

Управление мышью:

Движение мыши в горизонтальной плоскости (смещение по оси X) управляет углом поворота направления взгляда в горизонтальной плоскости (α, от 0 до 2*PI). Движение мыши в вертикальной плоскости (смещение по оси Y) управляет углом поворота направления взгляда в вертикальной плоскости относительно горизонта (β, от -PI до PI). Зная оба угла, вектор направления взгляда в мировых координатах вычисляется следующим образом:

direction_z = sin(β);
direction_x = cos(α) * cos(β);
direction_y = sin(α) * cos(β);

а затем нормализуется.

Вектор направления "вбок" вычисляется как векторное произведение вектора направления вертикально вверх, то есть вектора (0, 0, 1) и уже известного вектора направления взгляда.

Вектор направления "вверх" вычисляется как векторное произведение вектора направления взгляда и вектора направления "вбок".

Положение камеры в OpenGL можно передать через gluLookAt(...). Подсказка: параметр target можно положить равным position + direction

Смещение позиции камеры должно происходить не на фиксированное расстояние за один кадр, а вычисляться, исходя из скорости передвижения камеры, и времени, ушедшего на обсчет последнего кадра. Передвижение камеры должно осуществляться в направлении взгляда. Скажем, по левой кнопке мыши - вперед, а по правой - назад. Для того, чтобы засечь время, можно воспользоваться функцией timeGetTime(), описанной в "mmsystem.h", и реализованной в библиотеке "winmm.lib":

#include "mmsystem.h"
...
void Display()
{
...
long system_time_before_rendering;
system_time_before_rendering = timeGetTime();
RenderFrame();
long time_spent_rendering_msec =
timeGetTime() - system_time_before_rendering;
...
}

В GLUT'е для этого есть специальный вызов time = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME) (аналогично timeGetTime())

Туман

Чтобы усилить (или хотя бы создать) иллюзию больших размеров модели и ее протяженности, можно воспользоваться эффектом тумана. Тип тумана (линейный или экспоненциальный) следует выбрать из индивидуальных эстетических предпочтений.

Как делать туман, описано в пособии по OpenGL.

Вода, или нечто на нее похожее

При раскраске ландшафта можно добавить еще один, самый нижний "уровень" - уровень воды. Вершины, располагающиеся на этом уровне можно покрасить в цвет воды - предположительно, синий. Для того, чтобы получившиеся "водоемы" не выглядели продолжением поверхности ландшафта просто покрашенным в синий цвет, а имели плоскую поверхность, при генерации поля высот можно установить порог высоты, ниже которого "опускаться" вершинам запрещается. Если для элемента матрицы генерируется значение высоты ниже этого порога, элемент инициализируется пороговым значением.

Объекты

По ландшафту можно раскидать в художественном беспорядке от пятидесяти (50) объектов, встречающихся на ландшафте в обычной жизни, например домов или деревьев. При этом ель считается деревом, а две равнобедренные вытянутые вертикально грани, поставленные на ландшафт крест накрест и покрашенные в зеленый цвет, считаются елью.

Отражения в воде

Сделать так, чтобы ландшафт отражался в воде, которая уже должна присутствовать на ландшафте (то есть подразумевается, что это дополнительное задание является развитием дополнительного задания 2). Один из вариантов реализации: рассчитав текущую матрицу камеры, отразить ее относительно плоскости воды и отрендерить изображение ландшафта, не выводя при этом грани поверхности воды.

Затем, пользуясь еще не отраженной матрицей камеры, отрендерить грани поверхности воды полупрозрачными. Это создаст иллюзию поверхности воды, сквозь которую видно отражение. Затем, опять же с неотраженной матрицей камеры, нужно отрендерить сам ландшафт.

Тени

На этапе раскраски вершин ландшафта (то есть это надо сделать один раз, а не каждый кадр) из каждой вершины можно выпустить луч, противоположный направлению солнца. Если луч не пересекся с поверхностью ландшафта - раскрашивать как запланировано, если пересекся - значит данная вершина ландшафта находится в тени и для нее нужно взять менее интенсивный цвет.

Примечание: реализация теней является задачей повышенной сложности. (придется писать нахождение пересечений луча с гранями, что в общем случае нетривиально)

Оценка:

База (ландшафт, раскраска, управление)
Всего за базу 9 баллов
Дополнительно
Управление мышью +2 балла
Туман +1 балл
Объекты +1-4 балла
текстурированные объекты с прозрачностью +3-4 балла
текстурированные объекты без прозрачности +2-3 балла
нетекстурированные объекты +1-2 (в зависимости от геометрии)
Вода +1 балл
Реалистичные текстуры +2 балла
Отражение +4 балла
Тени +5 баллов
Субъективная оценка проверяющего +2-3 балла
Всего дополнительно +22 баллов
 
Всего 31 баллов

Внимание! В таблице указано максимальное число баллов по каждому пункту. Система выставления баллов - гибкая, зависит от правдоподобности и впечатления от работы.

Дополнительные источники информации:

© Лаборатория компьютерной графики при ВМиК МГУ