OpenGLのサンプルをやってみたPart2

もう少しOpenGLの理解を深めるためにネットに転がっているサンプルをやってみようと思います。
ということで今回は以下。
http://utage.headwaters.co.jp/blog/?p=1724

サンプルソースもすべて公開されており、ソースにコメントもあるので
大変勉強になったのですが、初心者にとっては理解ができないところがあったので、メモを残したいと思います。

renderMainでglMatrixModeを２回設定しているのはなぜ？

座標系としては透視投影(奥行きによって、大きさが変わる)ような表示をしたいので、
視体積を設定するglFrustumfの前にGL_PROJECTIONとして設定し、それ移行のオブジェクトはモデルビューで設定したいからっぽい。

テクスチャ画像ファイルは2の階乗になっていないといけない (128px*128pxなど)？？

　と書いてあったが以下の解像度を試しましたがリードできてました。
　1600x1200
　278x204
　1333x1000
　1600x1600

使った画像は以下です。一応著作権フリーのもの。

キャラの周りが透明にならない。

上記のキャラの周りは透明(アルファ=0)にも関わらず以下のように周りが黒くなってしまいました。

renderMainに以下を追加することで解決しました。

gl.glEnable(GL10.GL_ALPHA_TEST);
gl.glAlphaFunc(GL10.GL_GEQUAL, 0.1f);

これはアルファ値が0.1f以上は描画するということなので、逆にいうとアルファ値が0の部分は描画されなくなったということです。ちなみに黒となっていたのはアルファ値が0の部分のRGB値がすべて0となっていたためです。

gl.glFrustumfって何?

　透視投影への視体積の設定。 　引数は、以下の順。
　　Nearの左側の座標
　　Nearの右側の座標
　　Nearの上側の座標
　　Nearの下側の座標
　　Nearの距離
　　Farの距離

　　gl.glFrustumfの引数を変えて見え方がどう変わるかを実験をしてみました。
　　　　　

実験	変数	画像	コメント
オリジナル	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 0.5f, 20.0f
実験1	-0.5f, 0.5f, -0.2f, 0.2f, 0.5f, 20.0f		透視投影だと遠くにいくほど大きくなるので、奥行き感がなくなると想定していたが、逆に奥行き感が増えた。よくわからない。
実験2	-0.3f, 0.3f, -0.5f, 0.5f, 0.5f, 20.0f		Nearの縦方向を大きくすることでFar方向の縦の距離の差が減るので縦方向が狭まった。
実験3	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 1.0f, 20.0f		見ている視点がZ=1.0fの為か手前側しか見えない
実験4	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 0.2f, 20.0f		オリジナルよりNearとFarの距離が増えたので奥行きが広がった？
実験5	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 0.5f, 10.0f		オリジナルと変わらない。10.0fも20.0fも同じ？ 試しに5.0fにしても変わらなかった。
実験6	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 0.5f, 1.0f		ねこより後ろが表示されていない
実験7	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 0.5f, 2.0f		ねこより後ろが表示されるようになったが、空が表示されていない
実験8	-0.3f, 0.3f, -0.2f, 0.2f, 0.5f, 3.0f		オリジナルと同じになった

参考
http://seesaawiki.jp/w/mikk_ni3_92/d/%BC%C2%C1%A9%CA%D407
https://sites.google.com/a/gclue.jp/android-docs-2009/openglno-kiso
http://www.kameda-lab.org/lecture/2012-tsukuba-ic2/chapter08-j.html
http://ameblo.jp/xcc/entry-10276958074.html

gl.glTranslatefって何?

移動の設定。

実験	変数	画像	コメント
オリジナル	0.0f, 0.0f, -1.0f
実験1	0.0f, 0.0f, 0.0f
実験2	0.0f, 0.0f, -2.0f
実験3	-1.0f, 0.0f, -1.0f		左に移動したので右半分がでていない。
実験4	0.0f, -1.0f, -1.0f		下に移動したので、上のほうがでていない

gl.glRotatefで-70.0fってなぜ-70.0f?

回転。X,Y,,Zどの軸を基準に回転させるか？
以下のように実験してみたが、-70.0fは結構いい感じで奥行き感がでている。

実験	変数	画像	コメント
オリジナル	-70.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f
実験1	0.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f
実験2	-45.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f
実験3	-90.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f
実験4	90.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f
実験5	-80.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f
実験6	-60.0f,1.0f, 0.0f, -1.0f

GraphicUtil.drawTextureって何?

ウインドウにテクスチャを貼り付ける方法の設定。

型	引数	説明
GL10	gl
float	x	テクスチャを貼り付けるウインドウの座標(x)左が0
float	y	テクスチャを貼り付けるウインドウの座標(y)上が0
float	width	1倍なら1.0f?
float	height	1倍なら1.0f?
int	texture	テクスチャのID。GraphicUtil.loadTextureで取得
float	u	テクスチャの横座標。左が0.0f
float	v	テクスチャの縦座標。上が0.0f
float	tex_w	テクスチャの横幅。最大1.0f
float	tex_h	テクスチャの縦幅。最大1.0f
float	r	赤。 1.0fならテクスチャの赤をそのまま表示
float	g	緑。 1.0fならテクスチャの緑をそのまま表示
float	b	青。 1.0fならテクスチャの青をそのまま表示
float	a	アルファ 1.0fならテクスチャのアルファをそのまま表示

型	引数	説明
オリジナル
実験1	width,hightを1.0f,1.0fに変更
実験2	width,hightを3.0f,1.0fに変更
実験3	width,hightを1.0f,3.0fに変更

gl.glPushMatrixって何?

行列スタックの一番上の行列をコピーして、その上に積む。
積まれた行列をスタックからとりだすときは、gl.PopMatrixで取り出す。

なぜ必要？

複数のオブジェクトを描画するときに、基準となる座標を１つ前に描画されたオブジェクト基準ではなく、常に同じ座標を基準に描画するようにする手段っぽい。

もう少し具体的にいうと
描画されるのは一番上のスタックにある行列で、
Translate, Rotateなどに描画に必要な操作はスタックの一番上の行列に対して計算されている。

この状態で次のオブジェクトを描画しようとすると、座標は１つ前の座標基準に考えなければならない。

Push,Popを使うことで
Push(コピー)されたものに対してTranslate, Rotateなどに描画するための演算をし、描画されたらその行列をPopで取り除くことで元の座標基準で描画できるというしくみ。
このサンプルでは地面を最初に描画しているが、地面は、座標をいじっていないのでPush/Popはしていない？

OpenGLでゲームを作る　図形の描画に非常にわかりやすく書いてあります。

使い方としては、以下のような形でPushとPopの間で描画する。

 gl.glPushMatrix();
{
            gl.glTranslatef(0.0f,1.5f,0.5f);  // y軸方向に1.5f,z軸方向に0.5f移動させる
            gl.glRotatef(90.0f, 1.0f,0.0f,0.0f);  // x軸を中心に90度回転
            // 奥背景の描画
            GraphicUtil.drawTexture(gl, 0.0f, 0.0f,
                    2.0f,1.0f,  // width, height
                    backTex,
                    0.0f,0.0f,
                    1.0f,1.0f,
                    1.0f,1.0f,1.0f,1.0f);
        }
        gl.glPopMatrix();

gl.glOrthofって何?

正射影の設定。
画面上の中央が(0, 0)、画面横の長さが2.0、画面縦の長さが3.0という座標系を指定している。奥行きに関しては手前が-1.0fで奥が1.0f。
だいたい画面縦横比は2:3なので、こうしているっぽい。

参考
http://news.mynavi.jp/column/iphone/019/

OpenGLでの描画

OpenGLを使って描画する。

三角形を例にします。
流れとしては頂点を設定して、描画って感じです。

頂点の設定

以下の手順で頂点を設定します。

Step1. 頂点の座標(X,Y,Z)を配列で定義する。

float[] vertices = {
  0.0f, 1.0f, 0.0f, //頂点0 (上)
  0.0f, 0.0f, 0.0f, //頂点1 (左下)
  1.0f, 1.0f, 0.0f, //頂点2 (右上)
};

Step2. バッファのメモリ確保

座標データ数x4倍のメモリを確保します。
※4倍しているのはfloatが4byte扱いの為。

ByteBuffer vbb = ByteBuffer.allocateDirect(vertices.length*4);

Step3. ネイティブのエンディアン指定

nativeのエンディアンを取得し、設定します。

vbb.order(ByteOrder.nativeOrder());

Step4. ByteBuffer型のオブジェクトをFloatBufferに変換

FloatBuffer mVertexBuffer = vbb.asFloatBuffer();

Step5. Step4で変換されたFloatBufferに最初の頂点座標(float配列)をセット

mVertexBuffer.put(vertices);

Step6. 書き込み位置の調整
書き込みが発生するたびに次書き込むための位置が1進んでしまうため、それを戻す処理を行っています。

mVertexBuffer.position(0);

[参考]
http://librastudio.hatenablog.com/entry/2013/08/19/010615

描画の設定

Step1. 頂点配列を有効にする。

　　　glEnableClientState(int array)を使って、どの配列を使って、描画するかを指定します。
　　　今回の場合は、頂点を設定しているので引数は、GL_VERTEX_ARRAYとする。
　　　

変数	意味	参照
GL_COLOR_ARRAY	カラー配列	glColorPointer()
GL_EDGE_FLAG_ARRAY	エッジフラグ配列	glEdgeFlagPointer()
GL_INDEX_ARRAY	指標配列	glIndexPointer()
GL_NORMAL_ARRAY	法線配列	glNormalPointer()
GL_TEXTURE_COORD_ARRAY	テクスチャ座標配列	glTexCoordPointer()
GL_VERTEX_ARRAY	頂点配列	glVertexPointer()

glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);

Step2. 頂点配列を定義する。

glVertexPointer((int size, int type, int stride,java.nio.Buffer pointer)

変数	意味	備考
size	頂点データのサイズ	2次元なら2,3次元なら3,Wを含めるなら4
type	GL_SHORT、GL_INT、GL_FLOAT、GL_DOUBLE
stride	連続する頂点間でのバイト・オフセット	0 を指定すれば、頂点の情報が配列ないに隙間なく入っている
pointer	座標情報を含む配列へのポインタ

X,Y,Z座標を指定しているのでsizeは３。

glVertexPointer(3,GL10.GL_FLOAT,0,mVertexBuffer);

Step3. 法線ベクトルの追加

ここでいう法線ベクトルとは・・・　　面に垂直な長さが1のベクトル。

1）p0→p1という向きのベクトルv1（= p1 - p0）の算出
2）同様に、p0→p2という向きのベクトルv2（= p2 - p0）の算出。
3）v2からv1への外積v2×v1の算出
4）外積の長さの算出
5）外積をその長さで割り、正規化する。　　

※glEnable(GL_NORMALIZE)とすれば法線ベクトルを単位ベクトルにする必要はないようです。

今回の場合は、以下なので
0.0f, 1.0f, 0.0f, //頂点0 (上)
0.0f, 0.0f, 0.0f, //頂点1 (左下)
1.0f, 1.0f, 0.0f, //頂点2 (右上)

1) p1-p0 = 0.0f, -1.0f, 0.0f
2) p2-p0 = 1.0f, 0.0f, 0.0f
3)外積は以下で求めると、
　-1*0-0*0,0*1-0*0,0*0-(-1*1)=0.0f, 0.0f,1.0f
　となる。

$\mathrm{[a,b]_1} = (e_1,[a,b]) = \left| \begin{array}{ccc} 1 & a_1 & b_1 \\ 0 & a_2 & b_2 \\ 0 & a_3 & b_3 \end{array} \right| = a_2b_3-a_3b_2$
$\mathrm{[a,b]_2} = (e_2,[a,b]) = \left| \begin{array}{ccc} 0 & a_1 & b_1 \\ 1 & a_2 & b_2 \\ 0 & a_3 & b_3 \end{array} \right| =a_3b_1-a_1b_3$
$\mathrm{[a,b]_3} = (e_3,[a,b]) = \left| \begin{array}{ccc} 0 & a_1 & b_1 \\ 0 & a_2 & b_2 \\ 1 & a_3 & b_3 \end{array} \right| =a_1b_2-a_2b_1$
なので、
$\mathrm{[a,b]} = \left| \begin{array}{ccc} a_2b_3-a_3b_2 \\ a_3b_1-a_1b_3 \\ a_1b_2-a_2b_1 \end{array} \right|$

4) 外積の長さは以下のようにすでに1なので、単位ベクトルになっている。
$\sqrt{(0.0f)^2+(0.0f)^2+(1.0f)^2} = 1$

ので、

glNormal3f(0.0f, 0.0f, 1.0f)

※四角形の場合は三角形２つに分割して、その三角形２つの面法線ベクトルを平均化するらしい
※三角形の場合はなくても描画できました。

Step4. 描画

glDrawArrays(int mode,int first,int count)を使って描画します。
描画する面に対してglNormal, glDrawArraysをペアで設定する必要があります。
三角形の場合は１つでよいが立方体の場合は６面あるので、６ペア必要です。

変数	意味
mode	描画方法
first	はじめに描画する頂点番号
count	描画する頂点数

今回の場合は三角形を塗りつぶしたいので、以下でいいようです。

glDrawArrays(GL10.GL_GL_TRIANGLES, 0, 3);

参考
http://sky.geocities.jp/freakish_osprey/opengl/opengl_normalvecotr.htm
http://opengl.softwarecarpenter.biz/?eid=1075451
http://atelier-yoka.com/dev_android/p_main.php?file=apigl10gldrawarrays