3D-texturmaterial med hjälp av Cg 3D materials with Cg

3D-texturmaterial med hjälp av Cg 3D materials with Cg Niklas Ottosson Madeleine Gusdal EXAMENSARBETE 2003 Institutionen för data- och elektroteknik Department of computer and electronic engineering Examinator Per Zaring CHALMERS LINDHOLMEN UNIVERSITY COLLEGE Göteborg, Sweden 2003

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 2 av 28 Sammanfattning Vi har i detta examensarbete tittat på hur man kan använda Nvidias nya programmeringsspråk, Cg, för att på ett enklare sätt komma åt kraften i hårdvaruaccelererad grafik. Innan har man varit tvungen att programmera grafikkorten med assemblerkod men med Cg har programmeringen lyfts upp till en högre, och betydligt enklare, nivå. Vår uppgift omfattade skapandet av en samling trovärdiga texturmaterial, tillhörande Cg-program (två stycken) för styrning av grafikkortet samt ett visningsprogram som skal till Cg-programmen. Våra material skulle, enligt uppdragsgivaren Chalmers Lindholmens VR-Studio, ge illusionen av att ha en 3- dimensionell struktur. Den teknik vi valde för att åstadkomma detta bygger kort på att man sparar information om hur texturen skall skuggas i en, så kallad, normaltextur. Våra Cg-program, ett vertexprogram och ett fragmentprogram, använder vi sedan för att styra grafikkortets uppritningsrutiner till att använda våra beräkningsmodeller istället för dess egna inbyggda. Ovanstående, tillsammans med vårt visningsprogram för laddning av Cgprogrammen till grafikkortet och hantering av inparametrar, ger ett godkänt resultat på plana ytor men ej på godtyckliga 3D-modeller som vi hade hoppats på. Vi har undersökt problemet och kommit fram till att vår lösning för ljusberäkningarna tyvärr är felaktig. Den ger vid olika betingelser felaktiga skuggor i våra texturmaterial. Vi har i slutet på denna avhandling givit exempel på troliga lösningar på problemet.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 3 av 28 Abstract We have in this thesis studied how to use Nvidia s new programming language, Cg, as an easier way to access the power of hardware accelerated graphics. Earlier, it was necessary to program the graphics card with assembler, but with Cg comes a higher, and significantly easier, level of programming. Our assignment included the creation of a collection of believable materials with Cg programs (two such) for controlling the graphics card, together with an application which serves as a shell for the Cg programs. Our materials should, according to the client Chalmers Lindholmen s VR-Studio, give the illusion of having 3-dimensional structure. The method we chose to manage this, in brief accounts, is built upon saving information of how the shading of the material should be in a, so called, normal-map. Our Cg programs, a vertex program and a fragment program, are then used to get the graphics card s drawing routines to use our calculation models instead of its own. The above, together with our application for loading the Cg-programs for the graphics card and handling incoming parameters, give an acceptable result on flat surfaces but not on just any 3D model as we had hoped. We have examined the problem and discovered that our solution for lightning calculations unfortunately is erroneous. It gives, at various conditions, incorrect shading in our materials. We give, in the end of this thesis, examples of possible solutions to this problem.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 4 av 28 Förord Vi vill ge ett stort tack till Mikael Johansson, Mattias Roupé och Claes Wernemyr på Chalmers Lindholmens VR-Studio för deras stöd, uppmuntran och hjälp. Vi vill också tacka Dennis Saluäär på Volvo för materialprover och Peter Lundin för högst användbara synpunkter och hjälp med dokumentationen. Slutligen, ett stort tack till Anders Ottosson och Daniel Fjällholm. Utan deras stöd hade denna utbildning varit svår att genomföra.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 5 av 28 Innehållsförteckning 1. Inledning och bakgrund... 7 1.1 Inledning...7 1.2 Problem och mål...7 1.3 Syfte...8 1.4 Avgränsningar...8 1.5 Tidigare studier av ämnet...8 2 Teori... 9 2.1 Texturer...9 2.1.1 Grundtexturer och normaltexturer... 9 2.1.2 Placering av texturer... 10 2.2 Beskrivning av Cg... 10 2.2.1 Bakgrund... 10 2.2.2 Användning... 10 2.2.3 Profiler och API:er... 11 2.2.4 Dataflödet i Cg (den grafiska kanalen)... 12 2.2.5 Vertex- och fragmentprogram... 13 2.2.6 Användning av Cg-Språket... 14 2.2.7 Jämförelse av C och Cg... 14 2.2.8 Annan tillgänglig teknik... 15 2.3 Grunder i 3D-visualisering... 15 2.3.1 Koordinatsystem... 15 2.3.2 Belysning... 16 3. Metod... 18 3.1 Skapande av texturer... 18 3.2 Visningsprogram... 18 3.3 Cg-program... 19 4. Resultat... 20 4.1 Skapade texturer... 20 4.1.1 Läder och läderimitation... 20 4.1.2 Tyg... 21 4.1.3 Plaster... 21 4.2 Visningsprogrammet: CG_Viewer... 22 4.2.1 Parameterhantering... 22 4.2.2 Anrop till Cg-kompilator (runtime) och laddning av grafikkortet... 24 4.2.3 Visning av resultat... 24 4.2.4 CG_Viewers begränsningar... 24 4.3 Cg-program... 25

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 6 av 28 5 Slutsats och diskussion... 26 5.1 Sammandrag... 26 5.2 Utvärdering av arbetet... 26 5.3 Diskussion... 26 5.4 Förslag till lösningar på problem... 27 5.5 Förslag till utveckling av examensarbetet... 27 Källförteckning... 28 Bilaga 1 Begrepp och förklaringar Bilaga 2 Visningsprogrammet Bilaga 3 Vertexprogrammet Bilaga 4 Fragmentprogrammet Bilaga 5 "Cg in two pages"

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 7 av 28 1. Inledning och bakgrund 1.1 Inledning Visualisering för att kunna fastställa hur en modell kommer att se ut i verkligheten är något som alltid använts. Förr i tiden fick man visualisera från ritningar på papper, men numera används datorer som med Virtual Reality, virtuell verklighet, ger en bättre känsla för hur ett färdigt objekt kommer att upplevas. Att kunna känna på ett objekt, vrida och vända på det och se hur det ser ut i sin naturliga omgivning, är en stor fördel framför att få en teckning av det, vare sig det gäller framställandet av en stol eller en ny stadsdel. VR är ett sätt att visa så kallade 3D-objekt i en 3D-miljö. 3D-objekt är uppbyggda med hjälp av knytpunkter (eng. term vertex, vertices ), som binder samman hörnen i en mängd triangulära ytor. Dessa sammanbundna ytor bildar det fullständiga objektet. Ytorna i sin tur är uppbyggda av bildpunkter, så kallade pixlar. knytpunkter Den stora skillnaden mellan VR och en 3D-animation, t.ex. filmen Final Fantasy, ligger i att man i VR-modellen själv kan röra sig eller det visade föremålet fritt, då det är realtidsrenderat. En 3D-animation är förrenderad varje bild i animationen har gjorts av en högupplöst bild som i förtid har satts ihop till en film. Detta medför att datorn inte behöver arbeta lika mycket vid visningen, och animationen kan därför hålla en betydligt högre realism än en VR-modell. Men det interaktiva inslaget i VR-modellen gör att denna teknik är väldigt intressant trots den lägre nivån på realism. bildpunkter Vad det här examensarbetet har behandlat är metoder att lägga på strukturer och ytor på VR-objekt, för att få en mer verklighetsrelaterad upplevelse i realtid. Detta har gjorts med det nya programmeringsspråket C for graphics, Cg, med vilket vi kan manipulera färger och former på våra 3D-objekt genom att styra datorns grafikkort hur objektets knytpunkter och pixlar skall visas. Hur detta går till beskrivs vidare i kapitel 2. 1.2 Problem och mål Det har nyligen utvecklats ett nytt programmeringsspråk (Cg) för avancerad 3D-grafik. Språket öppnar möjligheter att på ett relativt enkelt sätt skapa hårdvaruaccelererad grafik. Vi fick ett problem av VR-studion på Chalmers Lindholmen, som bestod i att skapa texturer med hjälp av Cg. Vår uppgift var att med hjälp av Cg, ett antal grafiska verktyg och ett flertal programmeringsbibliotek skapa texturer, ett visningsprogram samt Cg-program för dessa texturer. Målet är att kunna skapa texturer som ger illusionen av att ha en 3-dimensionell

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 8 av 28 struktur och att kunna applicera dessa texturer på godtyckliga 3D-modeller genom användningen av Cg. 1.3 Syfte Syftet med denna rapport är att presentera våra resultat och ge exempel på hur man skapar texturer enligt målet ovan. Dessa texturer kan vara av intresse för alla industrier där man behöver se resultatet innan man börjar arbeta 1.4 Avgränsningar Denna uppsats kommer endast kortfattat att ta upp Cg-profilerna (se nedan) vp20, fp20, vp30 och fp30, och går ej igenom andra profiler. Vår inriktning har varit att texturerna skall användas med vp30 och fp30. Vp20 och fp20 har endast använts för enklare testning. 1.5 Tidigare studier av ämnet Vid tidpunkten för arbetets början fanns en mycket begränsad mängd information av Cg. Bland denna exempelvis Cg in two pages, bilaga 5. Nvidia hade också en mängd färdiga Cg-program som vi har gått igenom för att studera språkets uppbyggnad. Vi har också under utbildningens gång läst kursen VR-teknik där vi fått grundläggande kunskaper om 3D-visualisering.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 9 av 28 2 Teori 2.1 Texturer 2.1.1 Grundtexturer och normaltexturer I kapitel 4 finnes de 3D-material vi skapat. Till varje material hör en grundtextur och en normaltextur. Grundtexturen visar färgerna för materialet (en helt vanlig bild utan skuggor eller ljus) medan en normaltextur beskriver för Cg-programmet hur normalerna är riktade. En normal är den vektor som går rätvinkligt från ett plans yta. Pilarna pekar i normalernas riktning. De som pekar rätt mot ljusvektorn ger sin bit av grundtexturen starkast ljussättning och vice versa. Detta ger intrycket att texturen har struktur. Ljusvektor Normaltextur Grundtextur Normaltexturerna är fysiskt sett en bild, uppbyggd av färger, där varje färg har ett RGBvärde. Detta innehåller mängd Rött, Grönt och Blått färgen består av, till exempel (1, 0, 0) för ren röd och (1, 1, 0) för ren gul. RGB-värdet läses in i Cg-programmet och omvandlas till ett XYZ-värde, som ger en vektor för hur normalen skall vara riktad. Ett värde i området 0.0 < 0.5 ger en negativt riktad normal i motsvarande x, y eller z-led och ett värde i området 0.5 1.0 ger en positivt riktad normal. Exempelvis ger en pixel färgad med RGB-värde (0.5, 0.5, 1) en normal som är riktad rakt ut från materialet (0, 0, 1). Figuren till höger är en färgkarta som visar i vilken riktning normaler med vissa färger står (x, y, z). 1 y -1-1 1 z 0 1 x -1

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 10 av 28 Normaltexturen ger grundtexturen ett intryck av en strukturerad yta, där ljus och skugga förflyttas beroende på var ljuskällan befinner sig, såsom ett äkta material beter sig. 2.1.2 Placering av texturer Ett problem som framkommer när man skall texturera (applicera texturen på) 3Dmodeller är att texturer har två dimensioner och att modellerna normalt har tre dimensioner. Då en 3D-yta vanligtvis inte är helt plan måste texturen sträckas ut eller tryckas ihop på vissa ställen. För att veta hur texturerna skall läggas på (placering, utsträckning, krympning m.m.) så har man sedan länge använt sig av så kallade texturkoordinater. Dessa koordinater anger punkter på 3D-modellen där man vill att texturen skall fästas. Texturen breder sedan ut sig mellan dessa punkter. 2.2 Beskrivning av Cg 2.2.1 Bakgrund Det har länge varit möjligt att programmera hur man vill att GPU-baserade (Graphics Processing Unit grafikberäkningsenhet) grafikkort skall bete sig, men man har varit låst till fasta algoritm- och assemblerinstruktioner. Detta har visat sig vara ett stort hinder i utvecklandet av hårdvarugrafik (realtid) då det tar lång tid att implementera och kräver stor kunskap i grafikkortets arkitektur och GPU:ns tillgängliga instruktioner. Cg är uppbyggt med C som grund och är byggt för att ge programmerare och 3Dkonstnärer en möjlighet att komma åt snabbheten i hårdvaruaccelererad grafik utan att behöva lära sig ett tidsödande lågnivåspråk såsom assembler. Cg ger möjligheten att kontrollera ett objekts form, färg och rörelse på knytpunkts- och bildpunktsnivå. Cg är ett mycket specialiserat språk och kan således inte ersätta andra språk såsom C och C++. Cg s användningsområde är att programmera moderna grafikkort, från tredje generationen och uppåt. Tredje generationens grafikkort började med GeForce 3 kort (Nvidias chipset) som kom tidigt i början av 2001. Dessa kort har dock endast begränsat stöd för Cg då de endast klarar av s.k. vertexprogram (se nedan). Fullt stöd för Cg kom först tidigt 2003 med GeForce FX kort (Nvidias chipset) och Radeon 9800 kort (ATI:s chipset). 2.2.2 Användning Cg kommer främst till sin rätt i den mycket grafikkrävande digitala nöjesbranchen och främst då i spelindustrin där kravet på mer och mer realistisk grafik i spelen ökar från år till år. I filmindustrin finns även krav på extremt snabb grafik då fler och fler filmer

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 11 av 28 använder sig av digitala realtidseffekter för att få fram sitt budskap. Cg kan förenkla användningen av avancerade realtidseffekter för båda dessa miljardindustrier. Cg kan också vara ett utmärkt redskap för andra typer av hårdvaruaccelererad realtidsgrafik såsom grafiska simulatorer och avancerade presentationer. 2.2.3 Profiler och API:er Då Cg vänder sig till en speciell typ av processor, GPU, och inte till en vanlig processor som t.ex. en CPU (som sitter i en vanlig PC) så finns behov av att införa begreppet profiler. En profil är en beskrivning av vilken hårdvara (GPU-baserat grafikkort) och vilken mjukvara (API) som skall användas för det program man önskar köra. Exempel på olika GPU er kan t.ex. vara de som sitter i Geforce 4 Ti och Geforce FX dvs. den hårdvara som skall styras. Här är en lista över några av de profiler som finns idag: Profilnamn Programtyp API Grafikkort vp20 vertexprogram OpenGL Nvidia Geforce 3 till och med Nvidia Geforce Ti 4800 fp20 fragmentprogram OpenGL Nvidia Geforce 3 till och med Nvidia Geforce Ti 4800 vs_1_0 vertexprogram DirectX 8 Nvidia Geforce 3 till och med Nvidia Geforce Ti 4800 ps_1_0 fragmentprogram DirectX 8 Nvidia Geforce 3 till och med Nvidia Geforce Ti 4800 vp30 vertexprogram OpenGL Nvidia GeForce FX fp30 fragmentprogram OpenGL Nvidia GeForce FX De två vanligaste API:erna (API = application programming interface) i detta sammanhang innefattar DirectX (Microsoft) och OpenGL (Silicon Graphics). En API är i detta fall ett programmeringsbibliotek av funktioner för att styra de grafiska data (objekt, ljus m.m.) som skickas till grafikkortet. (Notera att man med Cg bestämmer vad grafikprocessorn skall göra med all denna data. Det är alltså inte Cg som skickar in data). DirectX utvecklas av Microsoft och är ett komplett programmeringsbibliotek för ljud, musik, bild (2D/3D), spelenheter och nätverkskommunikation. Den del som används vid skapandet av stödapplikation för Cg kallas Direct3D och den innehåller klassbibliotek för hantering av 3D-objekt samt ett bibliotek för visning av 3D scener. [Källa 11] OpenGL utvecklas av Silicon Graphics (SGI) och är ett programmeringsbibliotek för datorgrafik. OpenGL stöder både 2D och 3D scener. I detta examensarbete använder vi oss utav en s.k. wrapper-klass byggd på OpenGL kallad OpenSceneGraph. [Källa12]

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 12 av 28 En wrapper-klass är ett bibliotek av färdiga klasser och funktioner som är gjorda för att förenkla hanteringen av ett krångligare bibliotek (OpenGL). En wrapper är normalt specialiserad för en viss typ av uppgifter medan en API normalt måste vara mycket generell för att kunna täcka in alla tänkbara användningsområden. Till OpenSceneGraph använder vi också ett hjälpklassbibliotek, osgnv, och en hjälpklass, NVMeshMender. OsgNV sköter om hanteringen av parametrar (indata) till Cg-programmen samt laddningen av den assemblerkod som vi skapar till grafikkortet (närmare förklaring nedan). NVMeshMender sköter de beräkningar på 3D-objekt som krävs för att kunna applicera våra texturmaterial på dessa objekt. Anledningen till att vi just valde OpenGL som API i denna uppgift är främst för att VRstudion önskade att vi skulle använda fria programmeringsbibliotek. Vi har dessutom under utbildningens gång (dataingenjör, Chalmers Lindholmen) genomgått en kurs i just OpenGL och då också wrappern OpenSceneGraph och osgnv. Det fanns på så sätt stor möjlighet till hjälp i vårt arbete. 2.2.4 Dataflödet i Cg (den grafiska kanalen) För att förstå hur flödet av data i dagens grafikkort fungerar kan man tänka sig ett löpande band med olika stationer där alla bidrar med sin del till slutprodukten och där resultatet efter en stations arbete är indata i nästa. Den grafiska kanalen har just ett sådant löpande band, där produkten är den färdiga bilden. På vägen till färdig bild så flödar först knytpunkter (som senare blir bildpunkter) genom en rad olika processer. Förenklat kan man säga att det går till så här: 1. Knytpunkterna får sin färg och position 2. Primitiverna byggs upp (linjer dras mellan knytpunkterna) 3. Primitiverna fylls med fragment (pixlar som kanske kommer att finnas med i slutprodukten). Knytpunkternas färg interpoleras nu mellan de olika knytpunkterna som är i samma primitiv. Om textur finnes så läggs även denna på här. 4. Efter detta så visas bilden på skärmen. Denna bild visar en förenklad bild av flödet i den grafiska pipelinen [Källa 1]. Numreringen till ovanstående text går från 1 (längs till vänster) till 4 (bilden längst till höger) De delar vi kan påverka genom Cg är nr 1 och nr 3. Dessa två olika delar på det löpande bandet ger upphov till två olika typer av program: vertexprogram (från eng. vertex = toppunkt i en vinkel) och fragmentprogram (från eng. fragment = liten del).

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 13 av 28 Nedanstående flödesschema visar en översiktsbild på hela dataflödet från applikationen till skärmen. 1 3D-applikation eller spel 3D APIinstruktioner 2 3D API: OpenGL eller Direct3D CPU GPU gräns GPU instruktions- och dataström 3 GPU Processeringsstart Ström med knytpunkter Primitiverna byggs upp Ihopsatta polygoner, linjer och punkter 5 6 Primitiverna fylls med fragment Ström med fragment Pixelberäkningar på synliga ytor Uppdatering av pixlar 8 9 Bildskärmen Originalknytpunkter 4 Vårt vertexprogram Ändrade knytpunkter Originalfragment 7 Vårt fragmentprogram Ändrade fragment Förklaring till bilden med hjälp av ett exempel: Säg att vi i ett program vill rita upp en triangel på skärmen och att vi i ett vertexprogram vill ändra färgen på triangeln till blå (den är röd från början). (1) Det första som då händer är att vår applikation/spel anropar funktionen för att rita upp en röd triangel i den API vi använder. (2) API:n skickar då vidare denna förfrågan till grafikkortet genom en rad instruktioner (exempelvis: hur många punkter, vilka punkter som skall sitta ihop samt vilken färg punkterna skall ha). (3) Nu när knytpunkterna kommit in i den grafiska pipelinen så kan vi ändra vår triangel till blå genom att ändra samtliga knytpunkters färg från röda till blå (4). Efter detta så byggs vår triangel upp genom att det dras linjer mellan knytpunkterna (5) och ytan som då bildas fylls med fragment (6). Om vi nu vill så skulle vi här kunna ändra färgen på vår triangel ytterligare (genom att styra om strömmen av fragment till vårt fragmentprogram och byta färg på varje fragment i triangeln (7)) men det vill vi inte denna gång (den skulle ju vara blå). (8) Nu utförs en rad beräkningar för att bestämma vilka fragment som skall bli synliga och därefter ritas vår blå triangel upp på skärmen (9). 2.2.5 Vertex- och fragmentprogram Vertexprogram hanterar grafikobjektets knytpunkter genom manipulation av deras färg och position. Ändrar man färg på en knytpunkt så kommer den färgen att interpoleras med närliggande knytpunkters färger. Viktigt att veta här är att ett objekts tesseleringsgrad har mycket stor betydelse för resultatets kvalitet. Objekt som har hög tesseleringsgrad (d.v.s. är uppbyggda av många små trianglar) passar bra för manipulation av vertexprogram då lågtesselerade (d.v.s. uppbyggda av ett fåtal trianglar) objekt ofta får en triangelyta eftersom det inte finns någon interpoleringen mellan de olika färgerna i skarvarna mellan trianglarna. Att ändra en knytpunktsposition påverkar alltid samtliga vektorer som den knyter ihop. Detta används ofta för animeringar. Fragmentprogram hanterar grafikobjektets pixlar. Även här handlar det om färg och position. Om man ändrar en pixels färg så påverkar den inte omkringliggande pixlar. Samma gäller vid ändring av position. Normalt när man arbetar med fragmentprogram så

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 14 av 28 har man ett vertexprogram som körs innan och vidarebefordrar viktig data till fragmentprogrammet (flödet går från vertex till pixel och aldrig tvärtom). 2.2.6 Användning av Cg-Språket Som vi tidigare nämnt så är Cg ett specialspråk till för att styra hur grafikkortet skall hantera den indata som det får. För att kunna göra detta behöver Cg hjälp. Detta främst för att Cg inte självt har rutiner för att sända koden till grafikkortet men också för att Cg även saknar rutiner för att hantera parametrar. Till dessa syften används programmeringsbiblioteken DirectX eller OpenGL som båda har inbyggda rutiner för att hantera parametrar och för att sända styrkod till grafikkortet. När man använder Cg så skapar man först en applikation byggt på något utav ovanstående programbibliotek. Denna applikation har då hand om hämtandet av objekt att visa/använda, parametrar att använda, laddning av styrkod till grafikkortet samt visning av resultatet. Det är först efter denna applikation är klar som man börjar med själva Cg-programmet. Innan ett Cg-program kan användas så måste det kompileras till assembler (GPU:n liksom en CPU innehåller en assemblator som endast förstår assemblerspråk). Detta kan väljas att kompileras antingen i runtime eller innan visningsprogrammet körs. Både DirectX och OpenGL stöder båda modellerna. Fördelen med att låta koden kompileras runtime är att man slipper kompilera om sin applikation varje gång man gör en förändring i Cg-koden. 2.2.7 Jämförelse av C och Cg Grunden från C känns tydligt igen i varje Cg-program. Alla innehåller de en main()- funktion och man ser de vanliga C strukturerna såsom if-satser och for-loopar lite här och var. Det som skiljer sig mest vid första anblicken är att Cg har ett antal nya datatyper. Inom grafikprogrammering är vektorer och matriser nödvändiga varvid dessa finns som egna datatyper i Cg. Exempel: float3 = variabel innehållandes 3 flyttalsvärden float4x4 = en 4x4 matris av flyttal. En annan användbar detalj är att man i Cg kan använda sig av så kallad swizzling, vilket vill säga att man direkt kan ange vilka index i en variabel (om fler än en) man vill använda/ändra. Exempel: float4 variabel1 = float4(1.0,0.0,0.5,0.0); float2 variabel2 = variabel1.xz // Detta flyttar över värdet 1.0 från position x = 1 och värde 0.5 från position z = 3 (xyzw eller rgba gäller för att representera de olika platserna)

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 15 av 28 float3 variabel3 = variabel2.xxx //Fungerar också. Nu tas värdet på plats 1 och fyller samtliga platser i den nya variabeln Förutom dessa mindre skillnader så är det främst tankesättet i Cg som skiljer från C. När man programmerar ett grafikkort så måste man tänka på att man programmerar ett flöde av data (knytpunkter och bildpunkter), se Dataflödet i Cg ovan. En annan viktig detalj är Cg-programmens storlek. Ett C-program kan bli flera tusen kilobyte stort medan storleken på ett Cg-program sällan når över 1000 tecken. Tillåten storlek på ett Cg-program bestäms av den profil man använder (hårdvarans minnesstorlek). Man vill normalt att storleken skall vara så liten som möjligt (så få assemblerinstruktioner som möjligt) då större program tar längre tid att exekvera. Hastighet är något mycket viktigt att tänka på när man skriver Cg-program. Dessa program körs normalt tusentals gånger per sekund. Varje bit icke optimerad kod kommer då att minska hastigheten drastiskt. För någon som tidigare programmerat i C blir inte steget långt till Cg. Mycket görs på samma sätt i C som i Cg. Se även Cg in two pages, bilaga 5. 2.2.8 Annan tillgänglig teknik Som vi tidigare nämnde så har det gått att programmera grafikkortskretsar en längre tid men man har då varit tvungen att förlita sig på assemblerinstruktioner. Detta är fortfarande en fullt användbar teknik. Det är även troligt att denna äldre teknik kommer att användas även i framtiden då många programmerare fortfarande är vana att arbeta med assembler i dessa sammanhang. En annan möjlighet att nå samma resultat utan användning av Cg är att använda Microsofts DirectX 9.0 High-Level Shading Language (HLSL) [Källa 11]. Skillnaderna mellan Cg och HLSL är dock ganska små då Nvidia och Microsoft haft ett nära samarbete med att ta fram Cg. 2.3 Grunder i 3D-visualisering 2.3.1 Koordinatsystem Då objekten i en 3D scen sällan är i samma koordinatsystem så måste vi transformera de olika koordinaterna till ett gemensamt koordinatsystem för att kunna utföra de beräkningar vi behöver. Nedan är en förenklad bild av vad Object space och World space är. Notera att figuren visar förhållandet mellan de olika koordinatsystemen i 2D och ej 3D, men eftersom principen är den samma i 2D som 3D (man lägger endast till en z-axel) så tror vi att denna bild gör det lättare att se sambandet.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 16 av 28 Förklaring till figuren: Den grå rutan ligger ovanpå en större yta. Rutmönstren skall här föreställa de 2 objektens egna koordinatsystem. Krysset som är utritat på den grå ytan är vår exempelkoordinat. På den grå ytan har denna punkt koordinaterna 2,3 (X,Y) men om vi skall tala om vilka koordinater den har på den större ytan så kan vi inte längre använda vårt lilla egna (object space objektets egna koordinatsystem) koordinatsystem utan vi måste då omvandla till den större ytans koordinatsystem som i detta fall blir vårt World space koordinatsystem. Vår exempelpunkt får då koordinaterna 5,21 (X,Y) i World space. Varför måste vi veta vad vår punkt har för World space koordinater? Eftersom vi behöver utföra en hel del beräkningar på samtliga våra knytpunkter på 3D modellerna i scenen så måste vi ha en gemensam grund. Denna gemensamma grund är World space. Räknar man på koordinater från olika koordinatsystem så blir resultatet nonsens. Ett sätt att konvertera mellan koordinatsystem, t.ex. från Object space till Tangent space (koordinatsystemet för knytpunkternas tangenter) är att tillverka en så kallad transformationsmatris. Nedan visas en tabell med de transformationsmatriserna vi behövde i denna uppgift. transformationsmatris transformerar från till ModelViewInverse World space Object space ModelViewProjection Object space Projection space* ObjToTangentSpace** Object space Tangent space *Projection space är det koordinatsystem vi har för vår kamera i scenen, dvs.vår kameras interna koordinatsystem inuti World space. **Denna transformationsmatris tillverkar vi inne i vårt vertexprogram genom att ta knytpunktens normal, binormal och tangent och sammanföra dem i en 3x3 matris (se vertexprogrammet i bilaga 3) Transformationen går sedan till så att man tar de koordinater man vill transformera och multiplicerar dem med transformationsmatrisen (matrismultiplikation). 2.3.2 Belysning Det finns två grundläggande sätt att belysa objekt i en virtuell 3D-värld: diffus- och spekulärbelysning. Diffus (från eng. term diffuse = spridande) belysning är ett sätt att belysa ett objekt så att ljuset reflekteras jämt åt alla håll. Detta ger effekten av att materialet ser matt ut. För att få denna effekt så använder man följande ekvation (förenklad):

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 17 av 28 diffuse = materialets diffusa färg (RGB) * ljusets färg (RGB) * punktens normal (XYZ) * ljusvektorn (XYZ) Spekulär (från eng. termen specular = speglande) belysning är ett sätt att belysa objekten så att det mesta av ljuset reflekteras av ytan. Detta får ytan att se blank ut. Följande (förenklade) ekvation beskriver hur man får denna belysning i varje punkt: specular = materialets spekulära färg (RGB) * ljusets färg (RGB) * punktens normal (XYZ) * punktens halvvinkelvektor (XYZ) Halvvinkelvektorn är den vektor som ligger mitt emellan ljusvektorn och vår vyvektor (kameran). vyvektor normalvektor halvvinkelvektor ljusvektor modellyta Förutom ovanstående belysningsekvationer så har möjligheten att kunna räkna ut ljuset i en enskild bildpunkt varit central för oss. Ett sätt att göra detta på är att ta reda på normalen, binormalen och tangenten i den enskilda punkten, bygga en transformationsmatris och sedan räkna ut belysningen i Tangent space.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 18 av 28 3. Metod Då tiden bedömdes vara den största begränsande faktorn valde vi en metod som, när vi väl hade löst vårt största problem med programmeringen, skulle göra det enkelt för oss att snabbt bygga ut vårt texturbibliotek. 3.1 Skapande av texturer Metoden kommer från en av våra uppdragsgivare från Chalmers Lindholmens VR-studio och bygger på teorin i 2.1.1. Denna teori tillämpar vi på följande sätt: Genom att låta en textur vara informationsbärare av normalernas vinkling kan vi på ett enkelt sätt räkna ut ljussättningen i varje punkt. På detta sätt skapar vi illusionen av att modellen har struktur. Denna struktur beskriver vi i vår normaltextur med hjälp av färger (RGB-värden). För att helt kunna följa arbetet med skapandet av grundtexturer och normaltexturer bör läsaren ha arbetat med Adobe Photoshop [Källa 13], och ha grundläggande förståelse för programmets funktioner. Ett problem med att skapa texturer har att göra med visuell upprepning av texturen. Då man vill spara minne har man normalt små texturer som sedan upprepas över hela ytan, och detta leder till att man kan se upprepade mönster där det inte skall finnas sådana. För att förminska detta problem har vi arbetat med bilder på 1024x1024 pixlar, stora nog att upprepningen inte är helt uppenbar. Ett annat problem har att göra med kanterna på texturerna vid upprepning över ytan. Om texturens högerkant inte stämmer överens med vänsterkanten, och överkanten inte stämmer med underkanten, kan man tydligt se skarvarna i en upprepad textur. För att förhindra detta problem har texturbilden (1) kopierats till fyra lager, och sedan har mitten på dessa lager lagts i vart och ett av de fyra hörnen (2). Alla kanter stämmer nu överens med varandra, och de övergångslinjer som fås längs mittenlinjerna kan målas över med Photoshops klonverktyg (3). 1. 2. 3. 3.2 Visningsprogram Då väldigt lite finns dokumenterat om användningen av OpenSceneGraph som programmeringsbibliotek har vi främst fått hjälp av VR-studion och OpenSceneGraphs mailinglista. Om det inte funnits några färdiga lösningar har vi återigen prövat oss fram med trial-and-error.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 19 av 28 3.3 Cg-program Då Cg var ett helt nytt språk för oss så fick vi först sätta oss in i grunderna, och som med vilket annat programmeringsspråk som helst, göra lättare uppgifter och läsa oss till tankesättet i hur Cg verkar. För att komma vidare när vi fastnat på programmeringsproblem har vi läst och lagt in inlägg på forum för Cg-programmerare [Källa 4], och rådfrågat VR-studions personal. Om det inte funnits några färdiga lösningar har vi prövat oss fram med trial-and-error.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 20 av 28 4. Resultat Det här examensarbetet resulterade i tre olika delar, bestående av texturer, visningsprogram och Cg-program. Nedan berättar vi om dessa i mer detalj. 4.1 Skapade texturer Här följer de texturer vi skapade med hjälp av teorin i 2.1.1 och metoden som beskrivs i 3.1. För att helt kunna följa arbetet med skapandet av grundtexturer och normaltexturer bör läsaren ha arbetat med Adobe Photoshop, och ha grundläggande förståelse för programmets funktioner. 4.1.1 Läder och läderimitation Leather wheel Detta skall ge intrycket av grovt, äkta läder. En provbit av lädret skannades in och gjordes till en normaltextur med Nvidias normal-map filter för Adobe Photoshop. Sedan förstärktes och modifierades färgnivåerna med Photoshops funktioner levels och color balance. Grundtexturen gjordes genom att applicera filtret Gaussian blur på en kopia av den inskannade provbiten. Grundtextur Normaltextur Textur Artificial leather En imitation av läder. Grundtextur och normaltextur har gjorts som ovan. Grundtextur Normaltextur Textur

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 21 av 28 4.1.2 Tyg Wave Då detta tyg är mönstrat passade det bättre att behålla den inskannade bilden som grundstruktur, och göra en normaltextur med svag strukturering. Grundtextur Normaltextur Textur 4.1.3 Plaster Foil footplate Denna plast var idealisk att använda färgkartan som referens på, när normaltexturen gjordes. Med en inskannad bild som mall målades varje cirkel i färgerna från färgkartan på så sätt att de skulle verka upphöja sig över ytan. För att inte få en så jämn yta lades filtret Add noise med inställningen monocromatic på. Grundtextur Normaltextur Textur Trikåplast I stort sett användes samma teknik som vid lädermaterialen, men då den här plasten har väldigt svag struktur räckte det med små förändringar i normaltexturen som Nvidias Photoshopfilter gjorde. Grundtextur Normaltextur Textur

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 22 av 28 4.2 Visningsprogrammet: CG_Viewer Detta program, kallad CG_Viewer (bilaga 2), används för att visa våra material på våra 3D objekt. CG_Viewer har, i stort, hand om följande delar: Parameterhantering, både till visningsprogrammet och Cg-programmet Anrop (runtime) till cgc.exe för kompilering och laddning av Cg-programmen till grafikkortet. Visning av resultatet via ett visningsfönster Slutligen skall vi också ta upp visningsprogrammets tillkortakommanden. Nu följer en mer detaljerad beskrivning av våra olika punkter: 4.2.1 Parameterhantering CG_Viewer indata I första skedet gäller detta de parametrar som visningsprogrammet tar som indata för att underlätta felsökning. Syntaxen är som följer: CG_Viewer.exe <3D objekt namn> <namn på normaltextur> <namn på grundtextur> <nummer på profil> <booleskt värde för visning av xyz-axel> <3D objektets namn> är det fullständiga namnet på det 3D objekt man vill ladda till visningsprogrammet ex. cube.3ds. OBS! CG_Viewer är endast testat med 3DS objekt (3DS är Discreet s 3D Studio Max filformat). <namn på normaltextur> fullständiga namnet på den textur som innehåller normalvärdesdatan ex. normal.jpg. Giltiga format bestäms av OpenSceneGraph s plugins. Vi har testat.bmp (MS Windows) och.jpg (Joint Photographic Experts Group) med goda resultat. OpenSceneGraph stöder de flesta stora bildformat idag. <namn på grundtextur> fullständiga namnet på den textur man önskar få se med strukturen från normaltexturen på. Giltiga format se normaltextur ovan. <nummer på profil> CG_Viewer.exe är baserat på vp20, fp20 och vp30, fp30 profilerna och då det ej har varit någon fördel för oss att använda kombinationerna vp20, fp30 och vp30, fp20 så behöver man här endast ange endera 20 eller 30 för att ange profil. CG_Viewer kör alltid både ett vertexprogram och ett fragmentprogram. <booleskt värde > Här anger man endera en etta (1) eller en nolla (0). Etta för att tala om för programmet att man vill se samtliga knytpunkters normal (blå), binormal(grön) och tangent(röd). Nollan anger att man ej vill se denna information. OBS! Om man anger

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 23 av 28 en etta så kommer programmet ej att ladda några Cg-program eller texturer utan kommer endast att visa de färgade vektorerna. Denna funktionalitet är främst till för felsökning. Notera att < och > endast finns med i texten för att visa de olika parametrarna de skall ej vara med vid inmatning. Indata till vertex- och fragmentprogramen Varje vertexprogram behöver få en strid ström av knytpunkter matade till sig på samma sätt som ett fragmentprogram behöver en ström av bildpunkter. Det är lätt att tro att detta är allt som behövs, men detta är bara en liten del av all den information som ett vertexeller fragmentprogram behöver. Nedan är en lista över vilka indata som CG_Viewer matar våra Cg-program med: Vertexprogrammet: Varje knytpunkts koordinat (XYZ) Varje knytpunkts normalkoordinat (XYZ) 2 stycken transformationsmatriser (projektionsmatris och en inverterad projektionsmatris) Tangentkoordinater (ett set (XYZ) per knytpunkt) Fragmentprogrammet: 2 texturer (normaltexturen och grundtexturen) Förutom dessa parametrar matas även fragmentprogrammet av grafikkortet med bland annat (baserat på data från vertexprogrammet): Varje bildpunkts koordinat (XYZ) Fragmentprogrammet får även en del indata direkt från vertexprogrammet som vi definierat: 2 set texturkoordinater (ett för normaltexturen och ett för grundtexturen.) Halvvikelvektorns riktningskoordinat för varje bildpunkt (XYZ) En ljusvektor som talar om vilken riktning ljuset har i vår scen (XYZ) Varje punkts diffusa färg Varje punkts spekulära färg

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 24 av 28 4.2.2 Anrop till Cg-kompilator (runtime) och laddning av grafikkortet CG_Viewer har hand om att mata kompilatorn (cgc.exe) med nödvändiga data (mestadels inställningar beroende på profilval) och att sedan ta resultatet från kompilatorn och ladda grafikkortet via speciella drivrutiner inbyggda i osgnv. Vi har valt att låta vårt visningsprogram anropa Cg-kompilatorn (cgc.exe) under körningen av CG_Viewer eftersom vi då slipper kompilera om detta varje gång vi gjort ändringar i Cg-koden. Då våra Cg-program är mycket små så är tiden vid uppstart av visningsprogrammet försumbar. Det är viktigt att förstå att visningsprogrammet och Cg-programmen är två skilda saker. CG_Viewer matar Cg-programmen med data under den tid de och visningsprogrammet körs. 4.2.3 Visning av resultat CG_Viewer har slutligen också hand om att visa resultatet. Detta görs genom att vi skapar ett fönster som grafikkortets utdata kopplas till via OpenGL OpenScenGraph vårt fönster. Detta fönster har en del inbyggda funktioner som man enklast får reda på genom att trycka på tangenten h på tangentbordet. Då får man upp en lista i kommandofönstret över vilka funktioner som är tillgängliga. Några av de viktigaste funktionera är möjligheten att se hur snabbt grafikkortet ritar upp modellerna (antal uppdateringar i sekunden mätt i Hz) och även möjligheten att se modellerna i wireframe mode d.v.s. utan ifyllda trianglar. Detta är väldigt bra när man felsöker. 4.2.4 CG_Viewers begränsningar Även om resultatet från GC_Viewern ser bra ut så vill vi här påpeka att det ibland uppträder en felaktighet i resultatet. För att beskriva detta tänker vi oss att vi lägger på en av våra texturer på en kub. Följande resultat kommer då att ges: Framsidan (den mot oss) och ovansidan kommer då att ge oss korrekt skuggning Sidorna kommer att ha skuggning, men i fel led (i x-led när det borde vara i y- led). Detta är naturligtvis felaktigt. Det borde vara samma som skuggningen av framsidan. Baksidan och botten kommer att ge samma skuggning som framsidan och ovansidan förutom att effekten här kommer att vara inverterad. Detta är felaktigt. Borde ej vara inverterad. Anledningen till detta fel ligger i sättet som vi räknar ut och använder tangentkoordinaterna. Vi använder här en hjälpklass (NVMeshMender) för att räkna ut tangenterna men tyvärr så ger denna oss inte helt korrekta värden. En anledning till detta

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 25 av 28 är för att vi räknar ut varje sida i en kub för sig d.v.s. NVMeshMender vet då inte att samtliga sidor skall sitta ihop. Vi har idag ingen möjlighet att räkna ut alla sidor tillsammans. Förslag till lösningar på tangentproblemet finns i 5.4. 4.3 Cg-program Förutom ett visningsprogram och texturer så har vi också behövt skapa två stycken Cgprogram. Dessa program använder vi för att via den teknik som beskrivs under 3.1 lägga på texturerna på 3D-modellerna. Det första är ett vertexprogram (bilaga 3) som räknar ut: Vyvektorn (den vektor som beskriver ifrån vilket håll vi tittar på scenen) Ljusvektorn (den vektor som beskriver från vilket håll ljuset kommer från) Halvvinkelvektorn (se 2.3.2) Samtliga transformationer till och från World space, Tangent space, Object space och Projection space (se 2.3.1). Resultatet från dessa uträkningar tar sedan vårt fragmentprogram (bilaga 4) hand om och använder när det skall applicera texturerna på 3D-modellerna. I vertexprogrammet sätter vi även den diffusa och spekulära färgen som fragmentprogrammet använder när det räknar ut ljuset i varje punkt. I fragmentprogrammet läggs texturerna på och ljuset för varje punkt räknas ut. Efter detta slutar vår kontroll över uppritningen och resultatet visas upp i fönstret på vårt visningsprogram.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 26 av 28 5 Slutsats och diskussion 5.1 Sammandrag Vi har i detta examensarbete tittat på hur man praktiskt kan använda Nvidias nya programmeringsspråk, Cg, för att skapa texturmaterial som ger illusionen av vara 3- dimensionella. Vi har för detta ändamål skapat flertalet texturmaterial (dock ej så många som var avsett), två Cg-program för styrning av grafikkortet samt ett visningsprogram för laddning och underhåll av ovanstående Cg-program. Den grundläggande tekniken för hur man åstadkommer ovanstående illusion ligger i att man skannar in det verkliga materialet, applicerar ett filter som färgkodar strukturinformationen för materialet och slutligen använder denna färgkodning när vi sedan belyser vår modell i VR scenen. Vid testning visade det sig att de tangenter vi fick från NVMeshMender var felaktiga. Under vissa förhållanden faller skuggorna i strukturerna felaktigt. Vi har beskrivit felet och föreslår olika lösningar på problemet. 5.2 Utvärdering av arbetet Då vi hade så gott som inga förkunskaper inom ämnet gick en stor del av tiden till att söka information och felsöka våra lösningar, detta då projektet blev alltmer komplext allt eftersom arbetet fortskred. Mycket tid fick läggas på visningsprogrammet och att förstå normaltexturers uppbyggnad. Då läroboken inom Cg-programmering kom först i slutet av andra veckan av de tio i examensarbetet, ägnades dessa två första veckor åt visningsprogrammet, inskanning av material och studerande av Cg Toolkits User s Manual. Därefter förflöt arbetet som förväntat fram tills vecka åtta, då problemet med vår beräkningsmodell för tangenterna uppstod. På grund av tidsbrist valde vi att redovisa arbetet utan att ha funnit någon lösning på problemet med visningsprogrammet. 5.3 Diskussion Vi anser att examensarbetet har gått mycket bra med tanke på den begränsade information vi funnit i ämnet. Det har också funnits begränsade resurser vad det gäller programmerbara grafikkort som klarar av både vertex- och fragmentprogram. Då vi har denna typ av grafikkort privat, så valde vi att arbeta till största del hemifrån. Under tiden vårt arbete framskred inskaffade VR-Studion två stycken fullt programmerbara grafikkort (GeForce FX), så de slutliga testerna har kunnat göras under tänkta förhållanden.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 27 av 28 Vidare finner vi att examensarbetet har varit mycket stimulerande och lärorikt att arbeta med. Vi har idag goda kunskaper om hur VR fungerar och tror oss kunna konstruera mindre Cg-program, texturer och 3D-applikationer. 5.4 Förslag till lösningar på problem Då vi har stött på problem vad gäller tangentriktningarna som leder till felaktigheter i visningen av texturmaterialen, har följande förslag som skulle kunna rätta till dessa felaktigheter uttänkts. En lösning till problemet skulle kunna vara att skriva en ny klass som tar tangentriktningarna och som ger möjligheten att räkna på hela objekt på en gång. Detta skulle kunna ge korrekt skuggning på en kub men det är svårt att säga hur det skulle påverka andra 3D-modeller. En annan trolig lösning skulle kunna vara att byta ut OpenSceneGraph mot Microsofts DirectX då denna API har bättre stöd för tangentriktningar än OpenSceneGraph (för tillfället). Ett sätt skulle här vara att bygga om det DirectX demo som följer med NVMeshMender så att det även inkluderar stöd för Cg-program. En tredje lösning är att vänta på att Marco Jez (skapare av osgnv) släpper nästa version av osgnv (> 0.5.6) som då kommer att ha inbyggt stöd för automatisk uträkning av tangenter till samtliga objekt i scenen. Vi tror att detta blir den smidigaste lösningen på problemet, även om det antagligen kommer att betyda en större ombyggnad av visningsprogrammet. 5.5 Förslag till utveckling av examensarbetet Det finns många olika metoder för att skapa strukturerade texturer, och även om vår metod tar kort tid och får ett trovärdigt resultat, så är den kanske inte den bästa. Vi stod i valet mellan att använda Cg till att visa normaltexturer som struktur, eller att faktiskt flytta pixel för pixel så att ytan inte längre var plan, utan hade riktig struktur. Detta hade dock, med våra förkunskaper, tagit alldeles för lång tid för att vara en användbar metod till detta examensarbete. Vi vill däremot upplysa om att metoden finns, och att den borde ge ett väldigt bra resultat.

Examensarbete: 3D-texturmaterial med hjälp av Cg Sida 28 av 28 Källförteckning 1. Randima Fernando och Mark J.Kilgard, The Cg Tutorial, Addison-Wesley, Boston februari 2003, ISBN 0-321-19496-9 2. ACM SIGGRAPH Education section - http://www.siggraph.org/education/materials/hypergraph/mapping/surface0.htm (informationen senast hämtad den 9 maj 2003) 3. NVIDIA Corporation, Cg Toolkits User s Manual Release 1.1 March 2003. 4. Cg shaders, www.cgshaders.com (informationen senast hämtad den 9 maj 2003) 5. Robert Osfield, OpenSceneGraph, http://www.openscenegraph.org, (informationen senast hämtad den 9 maj 2003) 6. Marco Jez, osgnv, http://osgnv.sourceforge.net/, (informationen senast inhämtad den 9 maj 2003) 7. NVIDIA Corporation developers section, http://developer.nvidia.com, (informationen senast inhämtad den 9 maj 2003) 8. Philip Taylor, Per-Pixel Lightning, Microsoft Corporation, november 13 2001, http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/enus/dndrive/html/directx11192001.asp (informationen senast inhämtad 9 maj 2003) 9. Michael Johansson och Mattias Roupé, Chalmers Lindholmens VR-Studio 2003 10. Sim Dietrich, NVMeshMender, NVIDIA Corporation 2002, http://developer.nvidia.com/view.asp?io=nvmeshmender (informationen senast inhämtad 9 maj 2003) 11. DirectX, Microsoft Corporation, http://www.microsoft.com/windows/directx/ (informationen senast inhämtad 9 maj 2003) 12. OpenGL, Silicon Graphics, http://www.sgi.com/software/opengl/ (informationen senast inhämtad 9 maj 2003) 13. Adobe Photoshop, http://www.adobe.com/products/photoshop/main.html (informationen senast inhämtad 9 maj 2003)

Bilaga 1 Begrepp och förklaringar

Bilaga 1 Begrepp och förklaringar API Bildpunkt Cg Chipset Diffus Fragment Förtidsrenderat GPU Hårdvaruaccelererad grafik Högnivåspråk Lågnivåspråk Realtidsrenderat Rendering Runtime Spekulär Vertex Transformationsmatris Application Programming Interface. Minsta enheten ett grafikkort kan visa. Är kopplat till rådande upplösning. C for graphics. En uppsättning kretsar för att utföra en specifik uppgift. I detta fall uppritning och färgläggning av bildpunkter. Svengelska för belysningstermen diffuse. En potentiell bildpunkt, dvs. en bildpunkt som kanske kommer visas. Rendering som utförs innan visning. Oftast använd inom t.ex. animation med 3D-grafik. Ger inget utrymme för åskådaren att påverka resultatet. Graphics Processing Unit (se CPU). Grafik som ritas upp utan hjälp av datorns CPU. Detta innebär att samtliga beräkningar som krävs utförs av grafikkortets processor (GPU). Datorns CPU används här endast för att mata GPU:n med grafikdata. Ett programmeringsspråk som syntaktiskt sett ligger närmare hur en människa tänker, och är mer förklarande än ett lågnivåspråk. Gör det enklare för programmerare att skriva och förstå program. Ett programmeringsspråk som syntaktiskt sett är närmare en dators tankesätt. Kan vara svårt att förstå för en programmerare som inte är insatt i ett skrivet program. Rendering som görs i verklig tid, oftast då ett program med 3D-grafik körs. Åskådaren kan själv vara med och påverka vad och i vilka vinklar som visas. Beräkningsprocessen som framställer en färdig bild av råmaterial (geometriska former). Här sätts en ljuskälla och alla skuggor beräknas. Under den tid en applikation körs befinner den sig i runtime. Svengelska för belysningstermen specular. En knytpunkt för 2 eller fler vektorer (linjer) som tillsammans med 2 andra knytpunkter bildar en triangel. Inom Cg-språket använder man olika koordinatsystem för att hålla reda på 3D-objekt. För att kunna göra korrekta beräkningar måste man ofta med hjälp av en matematisk formel förflytta, transformera sig från ett koordinatsystem till ett annat. Till detta använder man transformationsmatriser.

Bilaga 2 Visningsprogrammet

H:\Ex-jobb\Bilagor\Bilaga2.cpp #include <osg/group> #include <osg/geode> #include <osg/geometry> #include <osg/cullface> #include <osg/drawable> #include <osg/texture2d> #include <osg/matrixtransform> 1 #include <osgdb/readfile> #include <osgnvcg/context> #include <osgnvcg/program> #include <osgnvcg/cggeometry> #include <osgnvcg/varyingparameter> #include <osgnvcg/uniformparameter> #include <osgnv/version> #include <osgnv/extensions> #include <osgglut/glut> #include <osgglut/viewer> #include <nvio/nvmeshmender.h> void setupbump( osg::node *pnode, osgnvcg::program *cgprogram, bool drawtngnormbi ); void drawlines( osg::geode *pgeode, osg::vec3array *linearray, int color );//color: 1=red, 2=green, 3=blue void setup_vp_fp(osg::stateset *ss,osgnvcg::program *vprogram,char *normlamap, char * basemap, char *profile); ///////////////////////////////MAIN///////////////////////////////// void main (int argc, char **argv){ //Parameter: osg::group *root = new osg::group; //1 = modellnamn (cube.3ds är grund) //2 = normalmap ( foil_footplate_normal_map.jpg) osgnvcg::program *cgprogram = new osgnvcg::program;//3 = basemap( foil_footplate_base_map.jpg som grund) //4 = profil på format: 20 eller 30 (20 är grund ) char *filnamn = "cube.3ds"; (off som grund) char *normalmap = "foil_footplate_normal_map.jpg"; char *basemap = "foil_footplate_base_map.jpg"; char *profile = "20"; bool withorwithout = 0; //5 = tangent/normal/binormal on/off if(argc > 1 ){ filnamn = argv[1]; if(argc > 2){ normalmap = argv[2]; if(argc > 3){ basemap = argv[3]; if(argc > 4){ profile = argv[4]; if(argc > 5){ ör tng/bin/norm withorwithout = argv[5]; osg::node *figur = osgdb::readnodefile(filnamn); // Testar om vi anget filnamn // Testar om vi anget normaltextur // Testar om vi anget grundtextur // Testar om vi anget profil //Testar om vi anget boolskt värde f // Läser in 3D modellen std::cerr << "Loading " << filnamn << std::endl; setupbump(figur, cgprogram, withorwithout); // Beräknar tangenterna -> cgprogram ( VaryingParameter) osg::stateset *ss = figur->getorcreatestateset(); if(!withorwithout) { setup_vp_fp(ss,cgprogram,normalmap,basemap,profile);//förbereder all