Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky. GLSL editor

Za´padoˇceska´ univerzita v Plzni Fakulta aplikovanyćh vˇed Katedra informatiky a vy´poˇcetn´ı techniky

Diplomov´ a pr´ ace GLSL editor

Plzeˇ n 2014

Bohumil Podlesák

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a v´ yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ ych pramen˚ u. V Plzni dne 15. kvˇetna 2014 Bohumil Podlesák

Abstract First part of this work is an overview of existing IDE tools that can be used to edit the code and visualize the scene of graphics applications that use GLSL shaders. The advantages and disadvantages of the different tools will be evaluated. The second part of this work focuses on creating a GLSL editor. This new tool will allow the user to easily create and visualize a new effect. User will be able to create a scene using C# language and GLSL shaders in interactive editor.

Abstrakt ´ Ukolem prvn´ı ˇca´sti této práce je seznámit se s existuj´ıc´ımi v´ yvojov´ ymi prostˇred´ımi pro u ´pravu a vizualizaci GLSL shader˚ u. Budou popsány v´ yhody a nev´ yhody jednotliv´ ych nástroj˚ u. ´ Ukolem druhé ˇcásti této práce je navrhnout GLSL editor, kter´ y bude umoˇzn ˇovat uˇzivateli jednoduˇse vytvoˇrit a zobrazit nov´ y efekt. Uˇzivatel bude moci sestavit scénu v jazyce C# za pouˇzit´ı GLSL shader˚ u v interaktivn´ım editoru.

Obsah ´ 1 Uvod 2 Grafick´ yˇ rˇ etˇ ezec 2.1 OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 GLSL jazyk . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 GLSL kompilaˇcn´ı model . . 2.2.2 Standardn´ı knihovn´ı funkce 2.2.3 Pˇreddefinované promˇenné . 2.2.4 Datové typy promˇenn´ ych . . 2.2.5 Kvalifikátory promˇenn´ ych .

1

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

3 GLSL shadery a fixn´ı ˇ c´ ast grafick´ eho ˇ retˇ ezce 3.1 Vertex fetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Vertex shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Tessellation shader . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Tessellation control shader . . . . . . . 3.3.2 Generátor primitiv . . . . . . . . . . . 3.3.3 Tessellation evaluation shader . . . . . 3.4 Geometry Shader . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Primitive assembly, oˇrezáván´ı a rasterizér . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Fragment shader . . . . . . . . . . . . . . . . 4 N´ astroje pro editaci shader˚ u 4.1 AMD RenderMonkey (verze 1.82) [7] . . 4.1.1 Funkce a charakteristiky software 4.1.2 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Editor . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . 4.1.5 Export . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Glsl Hacker (verze 0.5.0) [8] . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

2 2 3 4 5 5 5 7

. . . . . . .

10 10 10 12 13 14 15 16

. . . . . . . . . 17 . . . . . . . . . 18

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

20 20 21 22 23 23 24 24

OBSAH

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

OBSAH 4.2.1 Funkce a charakteristiky software 4.2.2 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Editor . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . gDEBugger (verze5.8.1) [9] . . . . . . . . 4.3.1 Funkce a charakteristiky software 4.3.2 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Editor . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . 4.3.5 Statistiky . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Profilován´ı . . . . . . . . . . . . . 4.3.7 Anal´ yza . . . . . . . . . . . . . . 4.3.8 Následn´ıci projektu gDEBugger . GlslDevil (verze 1.1.5) [10] . . . . . . . . 4.4.1 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . 4.4.3 Funkcionalita . . . . . . . . . . . KickJs GLSL Shader Editor [11] . . . . . 4.5.1 Funkce a charakteristiky software 4.5.2 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Editor . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . OpenGL Shader Designer (Verze 1.5.9.6) [12] . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Funkce a charakteristiky software 4.6.2 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3 Editor . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.4 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . Shader Maker [13] . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Funkce a charakteristiky software 4.7.2 Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3 Editor . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.4 Ladˇen´ı shader˚ u . . . . . . . . . . Shrnut´ı funkcionality testovan´ ych nástroj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Anal´ yza vlastnost´ı vyv´ıjen´ e aplikace

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24 26 26 26 27 27 28 28 29 30 31 31 32 32 33 34 34 35 35 36 36 36

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

37 37 38 38 39 39 40 40 40 41

. . . . . . . . . . . . 41 43

6 Anal´ yza komponent pro zv´ yrazˇ nov´ an´ı k´ odu 45 6.1 Scintilla [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.1.1 ScintillaNET [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5

OBSAH

OBSAH

. . . . . . . . . .

46 47 47 49 49 49 49 50 51 51

. . . .

52 52 52 54 55

8 Online kompilace C# k´ odu 8.1 Návrh zp˚ usobu kompilace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Implementace globáln´ıch promˇenn´ ych . . . . . . . . . . 8.1.2 Implementace vizualizaˇcn´ı smyˇcky . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Zmˇena hodnot uniform promˇenn´ ych za bˇehu vizualizace

57 57 58 59 61

9 Komunikace s vizualizaˇ cn´ım oknem 9.1 Tˇr´ıda AppDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 V´ yhody uˇz´ıván´ı aplikaˇcn´ıch domén . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Návrh komunikaˇcn´ıho rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . . . .

63 63 64 64

10 Spr´ ava zdroj˚ u 10.1 Systém projekt˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Naˇc´ıtán´ı textur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Naˇc´ıtán´ı a pouˇz´ıván´ı 3D model˚ u. . . . . . . . . 10.3.1 Popis vnitˇrn´ıho formátu rsm . . . . . . . 10.3.2 Formát collada . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Konverze do rsm souboru . . . . . . . . 10.3.4 Rozd´ıl v indexován´ı mezi formáty collada

68 68 68 69 70 72 74 74

6.2 6.3

6.4 6.5

6.1.2 Testovac´ı aplikace . . . Fast ColoredTextbox[20] . . . 6.2.1 Testovac´ı aplikace . . . ICSharpCode.TextEditor [18] 6.3.1 Komponenty a tˇr´ıdy . 6.3.2 Vlastnosti editoru . . . 6.3.3 Testovac´ı aplikace . . . ChameleonRichTextBox [21] . 6.4.1 Testovac´ı aplikace . . . Zhodnocen´ı komponent . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

7 Implementace editoru zdrojov´ eho k´ odu 7.1 Nastaven´ı komponenty FastColoredTextbox . 7.2 Zv´ yrazˇ nován´ı vlastn´ıho jazyka . . . . . . . . . 7.2.1 Vyvolán´ı nab´ıdky pro doplˇ nován´ı kódu 7.2.2 Nastaven´ı dat pro doplˇ nován´ı kódu . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a rsm

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

11 Sestaven´ı aplikace

77

12 Z´ avˇ er

78

6

´ 1 Uvod C´ılem této diplomové práce je vyvinout software, kter´ y p˚ ujde jednoduˇse pouˇz´ıt pro v´ yvoj efekt˚ u pro grafické karty. Program mus´ı b´ yt schopen jednoduˇse a pohodlnˇe umoˇznit programátorovi inicializovat zdroje, sestavit scénu, specifikovat vykreslovac´ı smyˇcku a napsat programov´ y kód shader˚ u pro koneˇcné vykreslen´ı. Programátor bude m´ıt k dispozici moˇznost upravovat program vizualizaˇcn´ı smyˇcky v jazyce C#. Shadery bude programátor psát v jazyce GLSL. Teoretická ˇca´st bude popsána v kapitole vysvˇetluj´ıc´ı základy grafického ˇretˇezce a pouˇz´ıván´ı OpenGL. Bude zde vysvˇetlena terminologie celé problematiky a z´ıskané znalosti o funkci OpenGL program˚ u aplikujeme pˇri návrhu editoru. Souˇca´st´ı práce je dále anal´ yza software, kter´ y se v souˇcasné dobˇe m˚ uˇze pouˇz´ıt pro u ´ˇcely editace, testován´ı, ladˇen´ı a v´ yvoj shader˚ u. Bude zhodnocena kvalita jednotliv´ ych program˚ u z hlediska zamˇeˇren´ı této práce. V závˇeru této kapitoly bude shrnut´ı vlastnost´ı dan´ ych program˚ u a bude vysvˇetleno, co by bylo tˇreba udˇelat lépe nebo ˇc´ım by se dalo inspirovat. V ˇca´sti programové realizace budou zhodnoceny nˇekteré existuj´ıc´ı programové komponenty a technologie, které mohou b´ yt pouˇzity pˇri implementaci. Zároveˇ n budou popsány jednotlivé vlastnosti v´ ysledné aplikace a jejich implementace. V pˇr´ıloze bude vysvˇetlena práce s v´ ysledn´ ym programem na pˇripraven´ ych ukázkov´ ych u ´lohách.

1

2 Grafický ˇrˇetˇezec Pˇri vyuˇz´ıván´ı fixn´ı funkcionality grafického ˇretˇezce je tˇeˇzké dosáhnout pokroˇcilejˇs´ıch efekt˚ u. Bud’ je tˇreba ˇcasto pˇrep´ınat stavy, nebo je nutné vyvinout nov´ y hardware, kter´ y dokáˇze dan´ y efekt provést. S t´ım se vˇsak váˇz´ı problémy s nekompatibilitou r˚ uzn´ ych grafick´ ych karet. Nav´ıc nar˚ ustá ne´ umˇernˇe komplexita celého ˇretˇezce. Velmi ˇcasto nen´ı moˇzné dosáhnout urˇcité kvality poˇzadovan´ ych efekt˚ u nebo dokonce nem˚ uˇzeme zobrazen´ı dan´ ych efekt˚ u dosáhnout v˚ ubec. Trendem modern´ı doby pˇri programován´ı grafick´ ych aplikac´ı je vymˇenit fixn´ı funkcionalitu grafického ˇretˇezce a nahradit ji za programovatelné shadery. V´ yhody vypl´ yvaj´ı z toho, ˇze u programovateln´ ych grafick´ ych karet je moˇzné popsat mnohem sloˇzitˇejˇs´ı a rozmanitˇejˇs´ı efekty, neˇz v pˇr´ıpadˇe fixn´ı funkcionality. Nejˇcastˇejˇs´ı a nejjednoduˇsˇs´ı vyuˇzit´ı je pˇri zpracován´ı vrchol˚ u pˇricházej´ıc´ıch na vstupu grafického ˇretˇezce (transformace pozic jednotliv´ ych bod˚ u) a zpracován´ı fragment˚ u, které jsou v´ ystupem z rasterizéru. Aplikaˇcn´ı programátoˇri mohou vyjádˇrit programov´ ym kódem, jak se budou primitiva (vrcholy, fragmenty, nebo jiná) zpracovávat v programovateln´ ych bodech grafického ˇretˇezce. Jednotlivé programy, které se p´ıˇs´ı pro programovatelné procesory zm´ınˇen´ ych bod˚ u, se naz´ yvaj´ı shadery [1].

2.1

OpenGL

OpenGL je prostˇred´ı pro vytváˇren´ı pˇrenositeln´ ych a interaktivn´ıch 2D ˇci 3D grafick´ ych aplikac´ı. OpenGL 1.0 bylo poprvé vydáno v roce 1992. OpenGL se stalo jedn´ım z nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ıch API, které podporuje 2D a 3D grafické aplikace. Ekvivalent k OpenGL, kter´ y je pomˇernˇe rozˇs´ıˇren´ y, je DirectX, kter´ y se dá pouˇz´ıvat pouze na platformách se systémem od Microsoftu. OpenGL API je standardem v pr˚ umyslu, neustále se vyv´ıj´ı a je stabiln´ı. OpenGL aplikace mohou bˇeˇzet na osobn´ıch PC, tak na pˇrenosn´ ych zaˇr´ızen´ıch. Toto API je velmi dobˇre zdokumentováno: bylo publikováno mnoho knih o OpenGL a zároveˇ n vydáno mnoho pˇr´ıklad˚ u, kde se toto API vyuˇz´ıvá [3]. Na obrázku 2.1 je znázornˇen grafick´ y ˇretˇezec. Oválné rámeˇcky ukazuj´ı 2

Grafický ˇrˇetˇezec

GLSL jazyk

Vertex fetch

Vertex shader

Geometry shader

Tessellation evaluation shader

Rasterization

Fragment shader

Tessellation control shader

Primitive Generator

Frame buffer operations

Obrázek 2.1: Grafick´ y ˇretˇezec v OpenGL 4.3 [4] ˇcásti ˇretˇezce, které jsou fixn´ı. Obdéln´ıkové rámeˇcky ukazuj´ı ˇca´sti ˇretˇezce, které jsou programovatelné. Tyto programovatelné ˇca´sti spouˇstˇej´ı shadery, které programátor poskytuje. Shadery jsou nezávislé a daj´ı se kompilovat zvláˇst’. Program je pak mnoˇzina shader˚ u, které jsou kompilované a spojené dohromady (této fázi se ˇr´ıká anglicky linking). OpenGL pouˇz´ıvá entry pointy pro manipulaci a komunikaci s tˇemito programy.

2.2

GLSL jazyk

Jazyk GLSL byl navrˇzen proto, aby dal v´ yvojáˇr˚ um moˇznost psát pˇrenositelné shadery, tedy bez specifick´ ych instrukc´ı hardwaru pro r˚ uzné grafické karty. Existuje nˇekolik jazyk˚ u pro shadery OpenGL, ale GLSL je jedin´ y, kter´ y je ˇcást´ı jádra OpenGL. Tento jazyk sd´ıl´ı model zastaráván´ı urˇcit´ ych funkc´ı (deprecation model). 3


GLSL jazyk

GLSL je zaloˇzen na ANSI C. Pˇr´ıpady, kdy má tento jazyk jiné vlastnosti, nastanou pouze tehdy, kdyˇz by stejná funkcionalita ve skuteˇcnosti sniˇzovala v´ ykon takto napsané aplikace nebo jednoduchost implementace. Na rozd´ıl od implementace ANSI C byly pˇridány napˇr´ıklad vektorové ˇci maticové typy (které jsou hardwarovˇe podporovány). Byly pouˇzity i nˇekteré mechanismy z C++, jako napˇr´ıklad pˇretˇeˇzován´ı funkc´ı na základˇe typu argumentu a schopnost deklarovat promˇenné kdekoliv uvnitˇr funkˇcn´ıho bloku (ne pouze na zaˇca´tku) [5].

2.2.1

GLSL kompilaˇ cn´ı model

Kompilaˇcn´ı model je podobn´ y standardu paradigma C. Je to imperativn´ı programovac´ı jazyk. Kompilac´ı GLSL kódu z´ıskáme GLSL objekty. GLSL objekt zapouzdˇruje kompilované ˇci nalinkované programy, které zpracovávaj´ı ˇcást ˇretˇezce. GLSL má sloˇzitˇejˇs´ı kompilaˇcn´ı model neˇz jiné jazyky pro grafické karty. Ostatn´ı jazyky maj´ı jednofázov´ y model, kdy pro danou fázi grafického ˇretˇezce (vertex shader, fragment shader) staˇc´ı pouze jeden ˇretˇezec (kód shaderu). Tento ˇretˇezec se zkompiluje a z´ıská se objekt shaderu (v angliˇctinˇe shader object), kter´ y se pak jen naváˇze na kontext. V jazyce C se v jednoduchém pˇr´ıpadˇe z jednoho zdrojového souboru vytvoˇr´ı jeden objektov´ y soubor. Ve sloˇzitˇejˇs´ım pˇr´ıpadˇe zdrojov´ y soubor m˚ uˇze obsahovat reference na nˇekteré extern´ı hlaviˇckové soubory. Pak se zkompiluje nˇekolik zdrojov´ ych soubor˚ u do nˇekolika objektov´ ych soubor˚ u a objektové soubory jsou pak mezi sebou propojeny do jednoho programu. Kód GLSL se kompiluje podobn´ ym zp˚ usobem jako kód jazyka C. Nˇekolik zdrojov´ ych soubor˚ u se zkompiluje do objektu shaderu, coˇz je jako analogie k objektovému souboru. Pak se tyto objekty mus´ı nalinkkovat. GLSL model dokáˇze nˇekolik takov´ ychto objekt˚ u spojit do jednoho programu. Pokud nemá shader ve svém kódu funkci main, pak nen´ı aktivn´ı (program vykresluje tak, jakoby shader chybˇel). Za podm´ınky, ˇze je v programu pouˇzito glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD), je moˇzné pouˇz´ıt grafick´ y ˇretˇezec pouze s vertex shaderem [4].

4


2.2.2

GLSL jazyk

Standardn´ı knihovn´ı funkce

Existuje mnoho standardn´ıch funkc´ı. Nˇekteré jsou specifické pouze pro danou fázi shader˚ u, ale vˇetˇsina z nich jsou pouˇzitelné ve vˇsech fáz´ıch. Nˇekteré funkce, jako napˇr´ıklad vzorkován´ı textury, se nedaly pouˇz´ıvat v niˇzˇs´ıch verz´ıch OpenGL ve vertex shaderu. Od verze OpenGL 2.0 je toto jiˇz umoˇznˇeno [6]. Pokud pˇrekladaˇc stále hlás´ı chybu, m˚ uˇze to b´ yt omezen´ım hardware nebo ovladaˇc˚ u. Matematické funkce se vˇetˇsinou daj´ı pouˇz´ıvat ve vˇsech fáz´ıch v´ ypoˇctu. Jde napˇr´ıklad o ˇcasto pouˇz´ıvané funkce pro lineárn´ı interpolaci (mix), skokovou funkci (step) nebo matematické operace s vektory (skalárn´ı souˇcin dot, vektorov´ y souˇcin cross).

2.2.3

Pˇ reddefinovan´ e promˇ enn´ e

Existuje urˇcit´ y poˇcet speciáln´ıch promˇenn´ ych, které jsou jiˇz definované jazykem. Jsou pouˇz´ıvány vˇetˇsinou pro komunikaci s vnˇejˇs´ımi ˇcástmi grafického ˇretˇezce, na které navazuje programov´ y kód shader˚ u. D´ıky konvenci zaˇc´ınaj´ı vˇsechny pˇreddefinované promˇenné ˇretˇezcem gl_. Uˇzivatelem definované promˇenné tak zaˇc´ınat nesm´ı. V programovém kódu shader˚ u bude programátor ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u vyuˇz´ıvat alespoˇ n promˇennou gl_Position. Pokud chceme, aby probˇehlo vykreslován´ı, mus´ı se tato promˇenná nastavit v kódu shaderu, kter´ y pˇredcház´ı fragment shaderu (geometry shader a tessellaˇcn´ı shadery jsou nepovinné, takˇze to m˚ uˇze b´ yt jak´ ykoliv z pˇredeˇsl´ ych tˇr´ı shader˚ u). Pokud se této promˇenné nepˇriˇrad´ı platná vec4 hodnota, neuvid´ıme pˇri rasterizaci ˇza´dn´ y v´ ystup.

2.2.4

Datov´ e typy promˇ enn´ ych

GLSL definuje mnoho datov´ ych typ˚ u. Zároveˇ n definuje zp˚ usob, kter´ y je moˇzné vytváˇret vlastn´ı datové typy (struktury). Vektorové a maticové datové typy jsou sloˇzeny ze základn´ıch datov´ ych typ˚ u.

5


GLSL jazyk

• základn´ı typy – skalárn´ı ∗ ∗ ∗ ∗

bool (true/false) int (znaménkov´ y 32-bitov´ y int s dvojkov´ ym doplˇ nkem) uint (neznaménkov´ y 32-bitov´ y int) float (ˇc´ıslo v plovouc´ı ˇra´dové ˇca´rce podle IEEE-754)

– vektorové (n je 2, 3 nebo 4) ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

bvecn (vektor bool hodnot) ivecn (vektor znaménkov´ ych int) uvecn (vektor neznaménkov´ ych int) vecn (vektor float ˇc´ısel) dvecn (vektor double ˇc´ısel)

– matice ∗ matnxm ∗ matn – nepr˚ uhledné (anglicky opaque) ∗ vzorkovaˇce ∗ obrázky ∗ atomické ˇc´ıtaˇce • pole • pole pol´ı Skuteˇcn´ y datov´ y typ je dán aˇz po pˇrekladu. Velikosti a formáty integer a float ˇc´ısel jsou dány aˇz od GLSL 1.3 a v´ yˇse. Niˇzˇs´ı verze mohou pouˇz´ıvat r˚ uzné specifikace. Pro pohodlné zacházen´ı s promˇenn´ ymi maj´ı vektory velké mnoˇzstv´ı konˇ struktor˚ u. Ctyˇrsloˇzkov´ y vektor lze sloˇzit ze dvou dvousloˇzkov´ ych vektor˚ u nebo z tˇr´ısloˇzkového vektoru a skaláru apod. Lze také vytvoˇrit tˇr´ısloˇzkov´ y vektor z ˇctyˇrsloˇzkového (ignoruje se posledn´ı hodnota). Pˇri nastavován´ı hodnot vektorov´ ym promˇenn´ ym nám pomáhaj´ı vlastnosti glsl jazyka nazvané swizzling a masking. Swizzling umoˇzn ˇuje pˇreházet sloˇzky vektoru (hodnoty na pravé stranˇe v´ yrazu) bez psan´ı sloˇzit´ ych a dlouh´ ych konstruktor˚ u. Masking naopak umoˇzn ˇuje pˇreházet hodnoty na levé stranˇe v´ yrazu, ˇc´ımˇz se nastav´ı, do kter´ ych hodnot se má zapisovat. 6


GLSL jazyk

vec4 vector4 = another_vector.xxyw; vector4.xw = vector2;

Pro operace s vektory jsou operátory pˇret´ıˇzeny tak, aby se operace provádˇely po sloˇzkách. Oba vektory mus´ı m´ıt vˇsak stejn´ y poˇcet poloˇzek. Násoben´ı vektor˚ u skalárem pak má oˇcekávateln´ y efekt, kdy se vˇsechny sloˇzky vektoru vynásob´ı skalárn´ım ˇc´ıslem. U matic se dá pˇristupovat k jednotliv´ ym sloupc˚ um (Matrx[col]) nebo k jednotliv´ ym hodnotám (Matrx[col][row]).

2.2.5

Kvalifik´ atory promˇ enn´ ych

GLSL jazyk specifikuje obsahuje mnoho kl´ıˇcov´ ych slov, které mˇen´ı nejr˚ uznˇejˇs´ı vlastnosti datov´ ych typ˚ u. Modifikuj´ı lokálnˇe a globálnˇe definované promˇenné. Kvalifikátory mohou ovlivˇ novat zdroj dat pro promˇenné, zarovnán´ı v pamˇeti ˇci sd´ılen´ı.

Kvalifik´ atory ukl´ ad´ an´ı Lokáln´ı promˇenné bez kvalifikátoru se chovaj´ı jako standardn´ı lokáln´ı promˇenné, které jdou inicializovat pˇri deklaraci a mˇenit. • const (promˇenné se nemohou bˇehem jejich existence zmˇenit, mus´ı b´ yt inicializovány pˇri deklaraci v´ yrazem, kter´ y mus´ı b´ yt opˇet konstanta) • in, out (promˇenné pro vstup a v´ ystup mezi fázemi, nem˚ uˇze b´ yt pouˇzito na lokáln´ı promˇenné) • attribute (pouˇziteln´ y pouze v kompatibility módu a pouze ve vertex shaderu, nahrazuje kvalifikátor in) • uniform (globáln´ı promˇenné nastavené uˇzivatelem v OpenGL API, hodnota se nemˇen´ı bˇehem vykreslován´ı, spoleˇcné pro vˇsechny fáze) • varying (pouˇziteln´ y pouze v kompatibility módu, nahrazuje out ve vertex shaderu a in ve fragment shaderu) 7


GLSL jazyk

• buffer (pouze od GL 4.3, umoˇzn ˇuje sd´ılet informaci buffer objekt˚ u mezi GLSL kódem a OpenGL API) Vstupn´ı a v´ ystupn´ı promˇenné mohou m´ıt jeˇstˇe specifikován nav´ıc jeden ze tˇr´ı interpolaˇcn´ıch kvalifikátor˚ u – smooth, flat nebo noperspective. Kvalifikátor smooth je pˇrednastaven´ y, kvalifikátor flat neprovád´ı ˇza´dnou interpolaci a kvalifikátor noperspective provád´ı lineárn´ı interpolaci bez ohledu na perspektivu.

Kvalifik´ atory rozvrˇ zen´ı Kvalifikátory pro rozvrˇzen´ı ovlivˇ nuj´ı, kde je ukládac´ı prostor pro promˇennou. Kvalifikátory rozvrˇzen´ı mohou m´ıt i pˇriˇrazené hodnoty. Existuje mnoho forem jejich deklarace: • Rozvrˇzen´ı rozhran´ı – specifikuje indexy hodnot, napˇr. layout(location=0) in vec4 color; layout(location=1) in vec2 texCoord; • binding points – bloky v pamˇeti maj´ı index, kter´ y m˚ uˇze b´ yt navázan´ y na binding point, bloky shaderu mohou b´ yt navázány na stejn´ y binding point – dojde k vytvoˇren´ı sd´ıleného bloku mezi shadery • Formáty textur – tˇri hlavn´ı formáty – Floating point – Signed integer – Unsigned integer • Atomick´ y ˇc´ıtaˇc – lze inkrementovat v shaderu a pouˇz´ıt na sˇc´ıtán´ı pixel˚ u, chyb nebo jin´ ych charakteristik ve v´ ysledném obrázku • Uniform blok (rozvrˇzen´ı blok˚ u v pamˇeti) – shared (pˇrednastavené, ˇza´dné optimalizace a rozloˇzen´ı v pamˇeti je vˇzdy stejné mezi r˚ uzn´ ymi programy, pokud mám stejné typy a poˇrad´ı promˇenn´ ych a explicitnˇe zadané délky pol´ı) – std140 (stejnˇe jako shared se snaˇz´ı o pˇrenositelnost, nepouˇzité uniformy nejsou eliminovány) 8


GLSL jazyk

– packed (kaˇzdá promˇenná v bloku má byte offset, m˚ uˇze m´ıt optimalizace, nedá se sd´ılet mezi r˚ uzn´ ymi programy)

Kvalifik´ atory parametr˚ u Parametry funkc´ı mohou m´ıt rovnˇeˇz svoje kvalifikátory. Parametry funkc´ım m˚ uˇzeme pˇredávat napˇr´ıklad • in – hodnotou • inout – odkazem • out – odkazem bez inicializace • const – hodnota parametru se ve funkci nem˚ uˇze mˇenit

9

3 GLSL shadery a fixn´ı ˇcást grafick´ eho ˇ retˇ ezce Jak jiˇz bylo dˇr´ıve ˇreˇceno, shadery jsou specifické programy psané pro urˇcité programovatelné ˇca´sti grafického ˇretˇezce. Zkompilované a propojené dohromady tvoˇr´ı program, kter´ y pˇrevede vstupn´ı data na poˇca´tku grafického ˇretˇezce na v´ ysledné pixely na obrazovce. Shadery se spouˇstˇej´ı postupnˇe a kaˇzd´ y následuj´ıc´ı pˇrij´ımá v´ ystupn´ı data pˇredchoz´ıho. Nen´ı povinné specifikovat program pro vˇsechny shadery.

3.1

Vertex fetch

Tato fáze probˇehne pˇred vertex shaderem, kter´ y je prvn´ı programovatelnou ´ ˇcást´ı grafického ˇretˇezce. Ukolem této fáze automaticky poskytuje vstupn´ı data vertex shaderu. Kromˇe hodnot vrchol˚ u mus´ı pos´ılat vertex fetch také dalˇs´ı hodnoty vrchol˚ u (normály, barvy, atd.). Tˇemto r˚ uzn´ ym skupinám dat se ˇr´ıká atributy. Mus´ıme nastavit, jaká data v pamˇeti grafické karty jsou asociována s jak´ ym v´ ystupem této fáze, a tedy vstupem do vertex shaderu. Nataven´ı vertex fetch ve skuteˇcnosti prob´ıhá bud’ pouˇzit´ım OpenGL pˇr´ıkazu glBindAttribLocation nebo pˇr´ımo ve vertex shaderu pouˇzit´ım kvalifikátoru layout(location=0) [2].

3.2

Vertex shader

Vertex shader zpracovává jednotlivé vrcholy, které vstupuj´ı do grafického ˇretˇezce. Poˇrad´ı zpracovan´ ych vrchol˚ u nelze ovlivnit. Kaˇzd´ y vrchol se zpracovává bez informace o dalˇs´ıch vrcholech nebo jeho sousedech. z toho vypl´ yvá, ˇze nelze napsat v´ ypoˇcet, kter´ y by vyuˇz´ıval nˇekter´ y z atribut˚ u vrchol˚ u jako uspoˇra´danou nebo jen sd´ılenou promˇennou. Zároveˇ n v téhle ˇca´sti programu ani shader nev´ı, kterému primitivu vrchol patˇr´ı (primitivem je myˇslen troju ´heln´ık, troj´ uheln´ıkov´ y strip, atd.). Programátor tedy p´ıˇse kód, kter´ y bude vykonán paralelnˇe pro kaˇzd´ y vrchol zvláˇst’. Pro kaˇzd´ y vstupn´ı vrchol program vyprodukuje v´ ystupn´ı vrchol. Vrcholy budou ˇcasto obsahovat dodateˇcné informace ve formˇe atribut˚ u. 10

GLSL shadery a fixn´ı ˇcást grafického ˇretˇezce

Vertex shader

Nejˇcastˇejˇs´ımi vstupn´ımi atributy jsou pozice, normála, texturovac´ı souˇradnice nebo barva. Popˇr´ıpadˇe mohou m´ıt vrcholy definovány dalˇs´ı dodateˇcné hodnoty, které mohou b´ yt uˇziteˇcné v dalˇs´ıch fáz´ıch grafického ˇretˇezce. Standardnˇe budeme cht´ıt ve vertex shaderu mˇenit pozici a normálu vrchol˚ u na základˇe matic geometrick´ ych transformac´ı. Hodnoty jako barva a texturovac´ı souˇradnice vrcholu budou vˇetˇsinou pouze poslány do dalˇs´ı fáze beze zmˇeny. Kromˇe vlastn´ıch uˇzivatelsky definovan´ ych promˇenn´ ych jsou pˇrednastavené následuj´ıc´ı atributy: in int gl_VertexID in int gl_InstanceID Atribut gl_VertexID obsahuje index vrcholu. Pˇri pouˇzit´ı instancován´ı atribut gl_InstanceID obsahuje index souˇcasné instance (bez pouˇzit´ı instancován´ı vrac´ı vˇzdy nulu). Grafická karta vnitˇrnˇe vyuˇz´ıvá indexy vrchol˚ u pro urychlen´ı v´ ykonu. Atribut gl_VertexID obsahuje stejnou hodnotu jakou má vrchol pˇriˇrazenou v poli index˚ u. Pˇredt´ım, neˇz je vrchol zpracován se porovná jeho ID s dalˇs´ımi indexy, které jsou uloˇzeny v cache. Pokud je v cache uloˇzeno, ˇze vrchol na tomto indexu se jiˇz zpracoval, nespouˇst´ı se znovu v´ ypoˇcet pro stejn´ y vrchol a pouze se vrát´ı uloˇzen´ y v´ ysledek z cache [2]. Dále jsou definovány vnitˇrn´ı v´ ystupn´ı atributy vrchol˚ u, do kter´ ych m˚ uˇze vertex shader zapisovat: outgl_PerVertex { vec4 gl_Position; float gl_PointSize; float gl_ClipDistance[]; }; Zapisován´ı do tˇechto atribut˚ u nen´ı povinné. Pokud vˇsak je dalˇs´ı fáze fragment shader, pak se oˇcekává, ˇze bude zapsáno do gl_Position, aby fungovala vnitˇrn´ı funkcionalita rasterizace. Atribut gl_Position ukládá v´ ystupn´ı souˇradnici vrcholu v homogenn´ıch souˇradnic´ıch.

11


Tessellation shader

Uˇzivatel m˚ uˇze definovat vlastn´ı vstupn´ı a v´ ystupn´ı atributy a jejich typy pro kaˇzd´ y vrchol. in vec3 positionIn; in vec3 normalIn; in vec2 texCoordIn; out vec2 texCoordOut; out vec3 normalOut; Uˇzivatel dále m˚ uˇze definovat pojmenovan´ y blok, podobnˇe jako strukturu v jazyce C. outVertexData { vec2 texCoord; vec3 normal; } VertexOut;

3.3

Tessellation shader

Napsat a nastavit tessellaˇcn´ı ˇcást grafického ˇretˇezce je nepovinné. Tessellaci pouˇzijeme, pokud chceme jedno primitivum rozdˇelit na nˇekolik menˇs´ıch. Tesselaˇcn´ı shader pˇrij´ımá záplaty (patches) a generuje na jejich základˇe nová primitiva (body, ˇcáry, troj´ uheln´ıky). Na rozd´ıl od jin´ ych primitiv maj´ı záplaty uˇzivatelem specifikovan´ y poˇcet vrchol˚ u. Uˇzivatel pouˇzije funkci glPatchParameteri, aby nastavil, kolik vrchol˚ u bude záplata m´ıt. Tato hodnota je pak konstantn´ı v pr˚ ubˇehu volán´ı funkce pro vykreslen´ı. glPatchParameteri(GL_PATCH_VERTICES, pocetVrcholuNaZaplatu ); Záplata je pole vrchol˚ u (ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u), jejichˇz atributy jsou vypoˇc´ıtány vertex shaderem. Tessellaˇcn´ı shader pak vˇetˇsinou rozdˇel´ı záplatu na menˇs´ı primitiva. Existuj´ı dva druhy záplat – troj´ uheln´ıkové záplaty a kvady. Poˇcet vrchol˚ u v záplatˇe vˇsak nezávis´ı na jej´ım druhu.

12


Tessellation shader

Tessellaˇcn´ı ˇcást ˇretˇezce se dˇel´ı na tˇri dalˇs´ı ˇca´sti: • tessellationControl • Primitive Generation • tessellationEvaluation Uˇzivatel m˚ uˇze napsat vlastn´ı shader pro prvn´ı a tˇret´ı ˇca´st tessellace. Fáze Primitive Generation programovatelná nen´ı.

3.3.1

Tessellation control shader

Tessellation control shader (dále jen TCS) pˇrij´ımá vstupn´ı záplatu, kterou tvoˇr´ı pole ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u. Tyto body nemus´ı nutnˇe tvoˇrit body na v´ ysledném povrchu vykreslovaného primitiva. TCs vypoˇc´ıtá atributy pro kaˇzd´ y vrchol v´ ystupn´ı záplaty. Jeho v´ ystupem je tedy pole ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u (s veˇsker´ ymi jejich atributy, které chceme pˇr´ıpadnˇe pˇredat). Poˇcet ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u v této nové záplatˇe, které vystupuj´ı z TCS, se m˚ uˇze liˇsit od poˇctu ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u, které do nˇej p˚ uvodnˇe vstoupily. Poˇcet ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u N, které TCs generuje, se nastav´ı v jeho kódu kvalifikátorem layout: layout (vertices = N) out; TCS se spouˇst´ı se znalost´ı vˇsech ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u ve vstupn´ı záplatˇe. Jeho ˇ v´ ystupem je vˇsak pouze jeden ˇr´ıd´ıc´ı bod. C´ıslo N udané v kvalifikátoru layout tedy udává poˇcet volán´ı (invokac´ı) TCS. Pro indexován´ı v´ ystupn´ıch ˇr´ıd´ıc´ıch bod˚ u, které budeme zapisovat do v´ ystupn´ı záplaty, pouˇzijeme promˇennou gl_InvocationID. Jak jej´ı název napov´ıdá, tato hodnota bude m´ıt r˚ uznou hodnotu indexu v rámci jedné záplaty pro kaˇzdou invokaci TCS. R˚ uzná volán´ı TCS dokonce mohou sd´ılet v´ ystupn´ı hodnoty – mohou ˇc´ıst v´ ystupn´ı hodnoty volán´ı právˇe prob´ıhaj´ıc´ı fáze, která zapisuje do stejné záplaty. Aby se ale mohlo toto sd´ılen´ı uskuteˇcnit, je nutné pouˇz´ıt synchronizaˇcn´ı mechanismy. Zároveˇ n tento shader zap´ıˇse pro kaˇzdou záplatu (nikoliv vrchol) atributy, které definuj´ı u ´roveˇ n dˇelen´ıtéto záplaty. Tyto atributy se naz´ yvaj´ı u ´rovnˇe tessellace (anglicky tessellation levels), dále jen TL. Zapisuj´ı se do pˇreddefinovan´ ych v´ ystupn´ıch promˇenn´ ych gl_TESsLevelInner a gl_TESsLevelOuter.

13


Tessellation shader

#version 430 core layout (vertices = 3) out; void main(void) { if(gl_InvocationID == 0) { gl_TESsLevelInner[0] = 5.0; gl_TESsLevelOuter[0] = 5.0; gl_TESsLevelOuter[1] = 5.0; gl_TESsLevelOuter[2] = 5.0; } gl_out[gl_InvocationID].gl_Position = gl_in[gl_InvocationID].gl_Position; } Tabulka 3.1: Ukázka tessellation control shaderu Protoˇze gl_TESsLevelInner a gl_TESsLevelOuter jsou hodnoty spoleˇcné pro celou záplatu, staˇc´ı do nich zapsat pouze jednou, napˇr´ıklad pˇri prvn´ı invokaci (invokace s indexem 0). Jako vstupn´ı a v´ ystupn´ı pole TCS m˚ uˇzeme pouˇz´ıt pˇreddefinované gl_in a gl_out. TCS tedy vygeneruje pole transformovan´ ych kontroln´ıch bod˚ u (vrchol˚ u záplaty) a dále pro kaˇzdou záplatu vygeneruje mnoˇzinu ˇc´ısel zvanou TL (znázornˇeno na ukázce 3.1).

3.3.2

Gener´ ator primitiv

Generátor primitiv (dále jen PG) je ˇca´st tessellaˇcn´ıho shaderu, která nen´ı programovatelná (lze pouze konfigurovat v´ ystupn´ı topologii). Tato ˇca´st grafického ˇretˇezce pˇrijme mnoˇzinu ˇc´ısel TL, která je v´ ysledkem TCS a na jej´ım základˇe a zvolené topologii vygeneruje souˇradnice u, v v parametrickém prostoru. Zároveˇ n urˇc´ı konektivitu vrchol˚ u. Souˇradnice u, v jsou normalizované na intervalu h0; 1i a parametrick´ y prostor tvoˇr´ı bud’ ˇctverec nebo troj´ uheln´ık v pˇr´ıpadˇe barycentrick´ ych souˇradnic. Generátor primitiv je ˇca´st, která se dá nastavit tak, aby vracela body nebo troj´ uheln´ıky. Pokud má vracet body, pouze vezme hodnoty z TL a vygeneruje 14


Tessellation shader

layout (triangles, equal_spacing, cw) in; #version 430 core layout (triangles, equal_spacing, cw) in; void main(void) { gl_Position = (gl_TESsCoord.x * gl_in[0].gl_Position + gl_TESsCoord.y * gl_in[1].gl_Position + gl_TESsCoord.z * gl_in[2].gl_Position); } Tabulka 3.2: Ukázka tessellation evalutation shaderu uv souˇradnice pro body a poˇsle je dále. Pokud má vracet troj´ uheln´ıky, pos´ılá dále body po tˇrech jako troj´ uheln´ıky.

3.3.3

Tessellation evaluation shader

Tessellation evaluation shader (dále jen TES) má pˇr´ıstup k transformovan´ ym vrchol˚ um z TCS a k uv souˇradnic´ım z PG. Jedna instance TES se spust´ı pro ´ kaˇzd´ y bod vygenerovan´ y pomoc´ı PG. Ukolem TES je pak z vygenerovan´ ych u ´daj˚ u sestavit hodnoty v´ ystupn´ıho vrcholu. Jelikoˇz má TES pˇr´ıstup k vrchol˚ um z TCS, m˚ uˇze udˇelat v´ıce neˇz jen vypoˇc´ıtat absolutn´ı pozici lineárn´ı interpolac´ı pozice vrchol˚ u. Do v´ ysledného v´ ypoˇctu m˚ uˇze TES pouˇz´ıt napˇr´ıklad normály, nebo jakékoliv jiné informace uloˇzené ve vrcholech. TES mus´ı vygenerovat právˇe jeden vrchol za invokaci. Nem˚ uˇze se rozhodnout vrchol vypustit. Provede tedy invokaci pro kaˇzd´ y vrchol, kter´ y má vzniknout ve v´ ystupn´ı záplatˇe. Je nutné dát pozor na vysoké hodnoty TL v kombinaci se sloˇzit´ ymi polygonáln´ımi modely nebo se sloˇzit´ ym TES, protoˇze v koneˇcném d˚ usledku m˚ uˇze d´ıky velkému mnoˇzstv´ı vrchol˚ u znatelnˇe trpˇet v´ ykon. Nastaven´ı v ukázce 3.2 na poˇca´tku TES ˇr´ıká, ˇze jako mód zvol´ıme troj´ uheln´ıky. Nové vrcholy by mˇeli b´ yt generovány rovnomˇernˇe mezi vrcholy polygonu, kter´ y rozb´ıj´ıme na menˇs´ı primitiva a uspoˇrádán´ı vrchol˚ u v primitivu je po smˇeru hodinov´ ych ruˇciˇcek [2].

15


3.4

Geometry Shader

Geometry Shader

Geometry Shader (dále jen GS) je stejnˇe jako tessellaˇcn´ı shadery nepovinn´ y. Je to posledn´ı fáze pˇred rasterizérem. Probˇehne vˇzdy jedna invokace pro jedno primitivum (napˇr´ıklad troj´ uheln´ık). Na vstupu GS jsou jednotlivá primitiva z pˇredchoz´ı fáze. Pokud pˇredcházej´ıc´ı fáze generovala troj´ uheln´ıkové stripy, vˇej´ıˇre nebo jiné smyˇcky, GS pˇrijme troj´ uheln´ıky. Na rozd´ıl od Vs má GS nav´ıc i informaci o vˇsech vrcholech náleˇz´ıc´ıch k jednomu primitivu a nav´ıc informace o sousednosti, pokud jsou specifikovány. Dokáˇze produkovat jiné typy primitiv, neˇz jaká pˇrij´ımá. Napˇr´ıklad dokáˇze vyprodukovat samostatné body z troj´ uheln´ık˚ u nebo naopak troj´ uheln´ıky z bod˚ u. Moˇzná vstupn´ı primitiva pro GS: • body (1 vrchol) • ˇcáry (2 vrcholy) • ˇcáry se sousednost´ı (4 vrcholy) • troj´ uheln´ıky (3 vrcholy) • troj´ uheln´ıky se sousednost´ı (6 vrchol˚ u) Moˇzná v´ ystupn´ı primitiva z GS: • body • lomené ˇca´ry • troj´ uheln´ıkové pásy GS je jediná fáze v grafickém ˇretˇezci, která dokáˇze programovˇe vygenerovat primitiva nav´ıc nebo nevygenerovat ˇzádná primitiva. Tessellaˇcn´ı shadery to provádˇej´ı také, ale pouze automaticky na základˇe nastaven´ı PG. GS m˚ uˇze pouˇz´ıt funkci EmitVertex(), která vezme vˇsechny nastavené v´ ustupn´ı promˇenné a prohlás´ı, ˇze byly v´ ychoz´ı hodnoty jednoho vrcholy nastaveny a

16


Primitive assembly, oˇrezáván´ı a rasterizér

#version 430 core layout (triangles) in; layout (points, max_vertices = 3) out; void main(void) { int i; for (i = 0; i < gl_in.length(); i++) { gl_Position = gl_in[i].gl_Position; EmitVertex(); } }

Tabulka 3.3: Ukázka geometry shaderu funkci EndPrimitive(), která vezme vˇsechny takto vyprodukované vrcholy a vytvoˇr´ı z nich primitivum. Toto primitivum je pak posláno do rasterizéru [2]. Kód v ukázce 3.3 ukazuje program GS, kter´ y pˇrijme troj´ uheln´ıky a rozdˇel´ı je na jednotlivé body. Prvn´ı kvalifikátor layout ˇr´ıká, ˇze na vstupu jsou troju ´heln´ıky. Druh´ y kvalifikátor layout ˇr´ıká, ˇze na v´ ystupu jsou body a jejich maximáln´ı poˇcet. Pokud bychom chtˇeli vykreslovat troj´ uheln´ıky, mus´ıme u kvalifikátoru layout specifikovat, ˇze chceme vykreslovat troj´ uheln´ıky m´ısto bod˚ u. Nav´ıc mus´ıme po nastaven´ı tˇr´ı vrchol˚ u (a následném zavolán´ı funkce EmitVertex()) zavolat funkci EndPrimitive() pro ukonˇcen´ı troj´ uheln´ıku. Tato funkce se volá explicitnˇe na konci shaderu, ale pokud generujeme v´ıce troj´ uheln´ık˚ u, mus´ıme j´ı pouˇz´ıt. Maximáln´ı poˇcet stále udává maximáln´ı poˇcet vrchol˚ u, které GS generuje.

3.5

Primitive assembly, oˇ rez´ av´ an´ı a rasteriz´ er

Tato ˇca´st ˇretˇezce vezme v´ ystupn´ı vrcholy z pˇredeˇslé fáze a informaci o jejich konektivitˇe vrchol˚ u. Primitive assembly nen´ı programovatelná ˇcást grafického ˇretˇezce. Jej´ı chován´ı se vˇsak dá urˇcit nastaven´ım parametru funkce glDraw. Po tom, co bylo primitivum sloˇzeno z jednotliv´ ych vrchol˚ u, je oˇrezáno na 17


Fragment shader

základˇe jeho pozice a zobrazitelné ˇcásti. Velikost zobrazitelné ˇcásti udává takzvan´ y viewport, jehoˇz pozice a velikost se dá nastavit pˇr´ıkazem OpenGL glViewport. Dále probˇehne pˇrevod vrchol˚ u z homogenn´ıho souˇradného systému do normalizovaného euklidovského prostoru. Jak´ ykoliv vrchol, kter´ y se má vykreslit, má hodnoty vˇsech zbyl´ ych tˇr´ı souˇradnic v intervalu od nuly do jedné. Jak´ ykoliv bod vnˇe se má vylouˇcit. Nejprve ale probˇehne oˇrezán´ı, které se v této práci nebude prob´ırat do hloubky. K oˇrezán´ı geometrie se pouˇzije 6 poloprostor˚ u, které koresponduj´ı se stˇenami krychle, která tvoˇr´ı normalizovan´ y prostor. U vˇsech zbyl´ ych ˇca´st´ı geometrie se urˇc´ı viditelnost na základˇe souˇradˇ asti, které jsou viditelné, se poˇslou rasterizéru. Ten urˇc´ı, které pinice z. C´ xely pokr´ yvaj´ı pozice primitiv a poˇsle fragment shaderu jejich seznam (spolu s ostatn´ımi interpolovan´ ymi informacemi z´ıskan´ ymi z vrchol˚ u) [2].

3.6

Fragment shader

uniform sampler2D mySampler; in vec2 texture_coordinate; out vec4 outputColor; void main() { outputColor = texture2D(mySampler, texture_coordinate); } Tabulka 3.4: Ukázka fragment shaderu Fragment shader je posledn´ı programovatelná fáze grafického ˇretˇezce. Tato fáze má pouze nastavit barvu fragment˚ u pˇred t´ım, neˇz jsou zaslány do bufferu, jehoˇz obsah se nakonec zobraz´ı na obrazovce. M˚ uˇzeme zde pouˇz´ıvat pˇrednastavené promˇenné jako gl_FragCoord, které obsahuj´ı pozici fragmentu v oknˇe. V praxi vˇsak vˇetˇsinou budeme poˇc´ıtat barvu pixel˚ u z osvˇetlen´ı a z textur, které jsou aplikovány na vykreslované povrchy. Pro osvˇetlen´ı se vyuˇzij´ı normály, které jsme transformovali zároveˇ n s pozicemi vrchol˚ u. Fragment shader nám nyn´ı poskytuje interpolované normály pro kaˇzd´ y fragment. Stejnˇe tak kdyˇz potˇrebujeme aplikovat textury, tak 18


Fragment shader

budeme pouˇz´ıvat texturovac´ı souˇradnice, které byly uloˇzeny ve vrcholech a nyn´ı jsou interpolovány ve vˇsech fragmentech, které koresponduj´ı s viditeln´ ymi povrchy [2]. Kód v ukázce 3.4 ukazuje, jak nastavit v´ ystupn´ı barvu fragmentu. Vstupn´ı promˇenná texture_coordinate obsahuje texturovac´ı souˇradnici, kterou jsme museli propagovat z pˇredeˇsl´ ych fáz´ı grafického ˇretˇezce. Obvykle je uloˇzena ve vrcholu, ale m˚ uˇzeme s n´ı bˇehem pr˚ uchodu r˚ uzn´ ymi shadery r˚ uznˇe manipulovat. Uniform promˇenná mySampler obsahuje vzorkovaˇc, kter´ y je provázan´ y s texturou.

19

4 Nástroje pro editaci shader˚ u V souˇcasné dobˇe existuje nˇekolik r˚ uzn´ ych nástroj˚ u pro editaci a ladˇen´ı shader˚ u. Liˇs´ı se v´ yˇctem sv´ ych funkc´ı a nˇekdy i podporou programovac´ıch jazyk˚ u pro grafické karty. Nˇekteré z tˇechto nástroj˚ u jsou zamˇeˇrené v´ıce na v´ yvoj jednoduch´ ych aplikac´ı, jiné jsou zamˇeˇrené na ladˇen´ı program˚ u.

4.1

AMD RenderMonkey (verze 1.82) [7]

Obrázek 4.1: Rozhran´ı nástroje RenderMonkey Program pˇrestal b´ yt vyv´ıjen. Posledn´ı verze je z data 18. 12. 2008. Jedin´ y z Testovan´ ych program˚ u, u kterého neexistuje verze pro Linux. Obrázek 4.1 ukazuje pohled na rozhran´ı. AMD RenderMonkey byl vytvoˇren tak, aby umoˇzn ˇoval ˇci obsahoval následuj´ıc´ı funkce:

20

Nástroje pro editaci shader˚ u


• v´ yvojové prostˇred´ı pro vytváˇren´ı shader˚ u • mechanismus pro ulehˇcen´ı sd´ılen´ı shader˚ u mezi v´ yvojáˇri • flexibiln´ı a rozˇsiˇritelná platforma, která podporuje integraci vlastn´ıch komponent a poskytuje základ pro budouc´ı v´ yvoj • prostˇred´ı, kde mohou na v´ yvoji efekt˚ u pracovat programátoˇri, umˇelci i hern´ı designéˇri • nástroj, kter´ y se dá jednoduˇse nastavit a integrovat do pracovn´ıho postupu v´ yvojáˇre Na stránkách AMD je oznámeno, ˇze v´ yvoj RenderMonkey byl ukonˇcen. v posledn´ı verzi podporuje vˇsechny ShaderModely poskytované do DirectX 9.0c (Shader Model 1.0 aˇz Shader Model 3.0). Lze pouˇz´ıt programovac´ı jazyky: • HLSL (do verze DirectX 9.1) • GLSL(do verze 2.0) • Es (2.0)

4.1.1

Funkce a charakteristiky software

• schopnost exportovat GLSL efekty jako: – collada soubory (formát pro interaktivn´ı 3D model definovan´ y otevˇren´ ym XML formátem),collada importér podporuje pouze troju ´heln´ıkové s´ıtˇe – soubory fx (Microsoft DirectX 9.0) • podpora HW tessellace pro verzi ATI Radeon 2000 a v´ yˇse • moˇznost pˇripojit ˇci naprogramovat plug-in (vygeneruje se projekt Microsoft Visual Studio 2005) • podpora pro shader model 3 (vzorkován´ı textur ve vertex shaderu) • knihovna pˇr´ıklad˚ u pro HLSL, GLSL, Es a assemblylanguage 21



• vykreslován´ı na celou obrazovku • zobrazován´ı textur 2D, 3D a kubick´ ych map • generátor srsti / ˇsupin • hláˇsen´ı run-time chyb • editory pro v´ yvoj: – vertex shaderu – fragment shaderu

4.1.2

Rozhran´ı

• workplace – abstraktn´ı strom pro uloˇzen´ı projektu – modely – textury – efekty ∗ parametry efekt˚ u ∗ vertex shader ∗ fragmentshader (pixel shader) • okno náhledu na zobrazen´ı modelu a efektu • editory pro shadery a GUI editory pro parametry shader˚ u • okno zpráv – kompilace – chyby – textové zprávy z aplikace • artist editor – editor parametr˚ u efekt˚ u

22


4.1.3


Editor

Doplˇ nován´ı kódu a naˇseptávaˇc je pˇr´ıtomn´ y pouze v nejv´ıce primitivn´ı formˇe, kdy naˇseptávaj´ı pouze sloˇzky vektor˚ u x, y, z a w po napsán´ı teˇcky. Nikdy nenaˇseptává rezervovaná slova, funkce nebo promˇenné. Syntaktické chyby nejsou podtrhávány. Chyby pˇri kompilaci se nedaj´ı dohledávat dost jednoduˇse. Editor postrádá schopnost oznaˇcit kl´ıˇcové slovo nebo ˇrádku, ve které nastala chyba. V logu se pouze vyp´ıˇse popis chyby, kter´ y je sm´ısen´ y s dalˇs´ımi zprávami o kompilaci. Chybová hláˇsen´ı nejsou od dalˇs´ıho textu nijak zv´ yraznˇena. V chybovém hláˇsen´ı se zobraz´ı popis chyby a odkaz na ˇra´dku. Bohuˇzel v oknˇe s programov´ ym kódem nen´ı ˇc´ıslován´ı ˇra´dek a ani nikde nen´ı zv´ yraznˇeno ˇc´ıslo ˇra´dky, na které se nacház´ı kurzor.

4.1.4

Ladˇ en´ı shader˚ u

Pro vykreslen´ı scény mus´ıme m´ıt minimálnˇe model (popˇr. textury a dalˇs´ı zdroje), kter´ y pouˇzijeme na vstupu, vertex shader a fragment shader. Na model se aplikuj´ı textury a shadery a následná vizualizace prob´ıhá ve smyˇcce. V nastaven´ı (Edit/Preferences/General) lze nastavit ˇcasov´ y interval pro vykreslovac´ı smyˇcku, popˇr´ıpadˇe interval pro obnovován´ı textur a modelu. Tato funkcionalita napomáhá uˇzivateli provádˇet zmˇeny za bˇehu vizualizace. Kód ˇ ıd´ıc´ı kód vizualizaˇcn´ı smyˇcky se provád´ı shader˚ u lze také mˇenit za bˇehu. R´ internˇe a nelze jej upravovat. Scéna lze animovat pouze pomoc´ı pouˇzit´ı promˇenné pro ˇcas. Do projektu se vloˇz´ı nová promˇenná (float) se sémantikou ˇcas (Time0_X), a tato promˇenná se pouˇzije v kódu shaderu. Kaˇzd´ y sn´ımek se provede inkrementace této hodnoty. Protoˇze se po kaˇzdé sekundˇe hodnota zv´ yˇs´ı o 1, nen´ı tento zp˚ usob závisl´ y na rychlosti sn´ımkován´ı. Sloˇzitˇejˇs´ı efekty vyˇzaduj´ı nˇekolik pr˚ uchod˚ u. V takovémto pˇr´ıpadˇe se mus´ı nastavit poˇcet pr˚ uchod˚ u a pro kaˇzd´ y pr˚ uchod nastavit nov´ y vertex shader, fragment shader a popˇr´ıpadˇe dalˇs´ı parametry grafické pipeline (mus´ı se pˇridat takzvan´ y render state block“, kter´ y nastavuje stav OpenGL ˇci DirectX). ” Vˇsechny shadery mus´ı b´ yt zadány staticky a mus´ı se zkop´ırovat. Nelze pouˇz´ıt jeden objekt shaderu v´ıcekrát, a to ani pˇresto, ˇze chceme v r˚ uzn´ ych pr˚ uchodech napˇr´ıklad pouˇz´ıt identick´ y vertex shader. Takovéto chován´ı je jednoduché pro pouˇzit´ı, ale nen´ı dostateˇcnˇe flexi23


Glsl Hacker (verze 0.5.0) [8]

biln´ı. Nelze provádˇet ˇzádné pokroˇcilejˇs´ı operace, jako napˇr´ıklad programovˇe zadan´ y poˇcet pr˚ uchod˚ u. Zobrazován´ı v´ıce objekt˚ u se dá emulovat pouze t´ım zp˚ usobem, ˇze se vyuˇzije systém pr˚ uchod˚ u – kaˇzd´ y dalˇs´ı objekt se vykresl´ı v novém pr˚ uchodu. Samozˇrejmˇe je t´ım znemoˇznˇeno napˇr´ıklad zobrazován´ı procedurálnˇe generovan´ ych objekt˚ u, protoˇze kaˇzd´ y objekt mus´ı b´ yt nastaven zvláˇst’ v oknˇe Workplace.

4.1.5

Export

RenderMonkey umoˇzn ˇuje export zdroj˚ u do soubor˚ u fx nebo collada, které následnˇe mohou pouˇz´ıt dalˇs´ı aplikace. Exportem se ale nevytvoˇr´ı aplikace se zobrazovac´ı smyˇckou, z´ıskáme j´ım pouze tyto soubory. Pokud bychom chtˇeli napodobit programovˇe vizualizaci programu Render Monkey, museli bychom sami naprogramovat zobrazovac´ı smyˇcku a v n´ı pouˇz´ıt tyto shadery.

4.2


Byla vyzkouˇsena verze z 9. 5. 2013. Nástroj navrˇzen pro rychlé 3D prototypován´ı shader˚ u. Glsl Hacker má svoje API na niˇzˇs´ı u ´rovni abstrakce. Je zapotˇreb´ı v´ıce kódu, ale t´ım poskytuje v´ıce moˇznost´ı, co se t´ yˇce vykreslován´ı scény. Bohuˇzel, tyto moˇznosti je moˇzno vyuˇz´ıt jen pokud chceme sestavit scénu ve skriptovac´ıch jazyc´ıch Python nebo Lua. Tato verze existuje pouze na 64bitové systémy. Posledn´ı vyv´ıjená verze 0.6.0 bude spustitelná i na 32bitov´ ych systémech. Obrázek 4.2 ukazuje pohled na rozhran´ı. Tato verze neobsahuje skoro ˇza´dné grafické rozhran´ı. Má stavovou ˇrádku, která umoˇzn ˇuje napsat pˇr´ıkaz ve skriptovac´ım jazyce a ihned jej vykonat. V jazyc´ıch Lua nebo Python se nap´ıˇse jeden ˇci nˇekolik inicializaˇcn´ıch skript˚ u a dále se nap´ıˇse jeden ˇci nˇekolik skript˚ u pro vykreslován´ı sn´ımk˚ u.

4.2.1


• umoˇzn ˇuje mˇenit za bˇehu aplikace: – GLSL programov´ y kód ∗ vertex shader 24



Obrázek 4.2: Rozhran´ı nástroje GLSL Hacker ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

fragment shader geometry shader tessellation control shader tessellation evaluation shader computation shader

– vykreslovac´ı smyˇcka (Lua skript nebo Python skript) ∗ init ∗ resize ∗ update • S´ıt’ové pˇripojen´ı pro ladˇen´ı programu na jiném stroji

25


4.2.2


Rozhran´ı

Rozhran´ı je velice minimalistické. Obsahuje pouze hlavn´ı nab´ıdku a plochu, kde se bude zobrazovat vykreslená scéna. V hlavn´ı nab´ıdce je volba naˇc´ıtán´ı scény a na zobrazen´ı nápovˇedy ˇci dokumentace. Hlavn´ı funkcionalita tohoto software je dostupná v nástroj´ıch. Zde se dá editovat skript inicializace, zobrazovac´ı smyˇcky i GLSL kód. Editace kódu se m˚ uˇze provádˇet bud’ na pˇr´ıkladu, kter´ y je spuˇstˇen´ y pˇr´ımo v aplikaci, nebo je moˇzné se pˇripojit pˇres s´ıt’ na jin´ y server, na kterém je tento program spuˇstˇen´ y.

4.2.3

Editor

Editor je velmi minimalistick´ y. Nemá ˇza´dné zv´ yrazˇ nován´ı kódu, ˇzádné naˇseptáván´ı kódu ani ˇza´dné funkce na rozbalován´ı funkˇcn´ıch blok˚ u. Jedná se pouze o jednoduch´ y textov´ y box. Dokonce uˇz´ıvá neproporcionáln´ı font, kter´ y se normálnˇe pro programov´ y kód nepouˇz´ıvá. Dalˇs´ı vlastnost´ı tohoto editoru je, ˇze neobsahuje v˚ ubec ˇzádné ovládac´ı prvky. Volby Zpˇet a Vpˇred obsahuje pouze po pravém kliknut´ı do textového boxu, nemá ˇza´dné vyhledáván´ı ˇretˇezc˚ u, nemá ˇc´ıslován´ı ˇra´dek a nemá dokonce ani volbu uloˇzen´ı zmˇen. M´ısto toho se zmˇeny aplikuj´ı vˇzdy okamˇzitˇe. Pokud se v kódu objev´ı chyba, vizualizace jednoduˇse ukazuje posledn´ı funkˇcn´ı verzi a v jednoduchém editoru se objev´ı pouze indikace, jestli je kód syntakticky v poˇrádku ˇci nikoliv. V editoru, kter´ y je vytvoˇren pro s´ıt’ovou verzi, je m´ısto této ˇra´dky log událost´ı, ale chyby jsou rovnˇeˇz bez jakéhokoliv popisu.

4.2.4


Pˇri ladˇen´ı shader˚ u, jeˇz vyuˇz´ıvaj´ı funkce, které nejsou hardwarovˇe podporovány na pˇr´ısluˇsném stroji, se nedaˇr´ı mˇenit kód shader˚ u. V takovém pˇr´ıpadˇe se dokonce ani neukládaj´ı zmˇeny. V pˇr´ıpadech, kdy je vˇse podporováno je moˇzno mˇenit shadery za bˇehu vizualizace. Vlastnost, která zp˚ usobuje, ˇze se vizualizace aktualizuje po zmˇenˇe kaˇzdého znaku v kódu shader˚ u, m˚ uˇze b´ yt nˇekdy velmi nepˇr´ıjemná.

26


4.3

gDEBugger (verze5.8.1) [9]


Obrázek 4.3: Rozhran´ı nástroje gDEBugger Profesionáln´ı aplikace pro ladˇen´ı program˚ u vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch OpenGL a OpenCL. Testovaná verze vyˇsla 11. 12. 2012. Sleduje aktivitu nad OpenGL nebo OpenCL programem a poskytuje informace potˇrebné pro nalezen´ı chyb v aplikaci nebo pro jej´ı u ´pravu za u ´ˇcelem optimalizace. Aplikace gDEBugger GL umoˇzn ˇuje sledovat aktivitu ˇca´st´ı kódu v uˇzivatelem spuˇstˇené OpenGL aplikaci. Ukázka rozhran´ı je na obrázku 4.3.

4.3.1


• profesionáln´ı nástroj na ladˇen´ı grafick´ ych OpenGL aplikac´ı • schopnost krokován´ı aplikac´ı z pohledu volán´ı OpenGL funkc´ı • moˇznost upravovat GLSL kód shader˚ u • tˇri základn´ı módy – ladˇen´ı, profilován´ı a analyzátor pamˇeti

27


4.3.2


Rozhran´ı

• historie volan´ ych funkc´ı • v´ ykonnostn´ı graf • sledován´ı OpenGL promˇenn´ ych (projekˇcn´ı matice, modelview matice,. . . ) • zásobn´ık volan´ ych funkci • log událost´ı • vlastnosti (poloˇzek oznaˇcen´ ych ve v´ ykonnostn´ım grafu) • dashboard na zobrazován´ı statistik (vyuˇzit´ı procesoru, sn´ımky za sekundu, OpenGL volán´ı za sekundu)

4.3.3

Editor

Editor programu Editor zdrojového kódu má zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe, postrádá ale naˇseptáván´ı kódu. Zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe se dá zvolit pro jazyky: Ada, Assembler, C++, CS, CSS, Fortran, GLSL, CL, HTML, Java, Javascript, Objective-C ,Pascal, Pearl, PHP, Python, Visual Basic a VB skript. Má schopnost rozvinut´ı a kolapse kódu funkc´ı v editoru. Nedokáˇze podtrhávat syntaktické chyby bˇehem editace kódu. Nen´ı propojen s kompilátorem. Nen´ı tedy moˇzné editovat kód aplikace za bˇehu. Je tomu tak vzhledem k tomu, ˇze program je urˇcen k ladˇen´ı v´ ysledn´ ych binárn´ıch aplikac´ı.

Editor shader˚ u Editován´ı kódu za bˇehu je moˇzné pouze u zdrojového kódu shader˚ u. V oknˇe historie volan´ ych funkc´ı lze oznaˇcit funkci, která má shader jako sv˚ uj asociovan´ y parametr. Pˇres okno vlastnost´ı (properties) se m˚ uˇzeme dostat na editaci kódu shaderu. Tento editor má zabudováno zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe GLSL. Nemá ˇza´dné naˇseptáván´ı kódu ani podtrháván´ı neplatné syntaxe. Pouze se po kompilaci 28



odkáˇze na ˇc´ıslo ˇra´dky, ve které nastala chyba. V´ ystup kompilace je vidˇet v pˇrehledné tabulce. Na chybné ˇra´dky se dá pˇrej´ıt hypertextov´ ym odkazem. Nav´ıc se dá zapnout ˇc´ıselné oznaˇcen´ı ˇrádek pomoc´ı volby View. Editor dále dokáˇze zobrazovat mezery a odˇra´dkován´ı. Stejnˇe jako druhá verze editoru pro zdrojov´ y kód, dokáˇze provést rozvinut´ı a kolaps podprogram˚ u. Jakmile je shader zkompilován a sestaven, m˚ uˇzeme opˇet rozbˇehnout program a zmˇeny se okamˇzitˇe projev´ı na v´ ystupu bez nutnosti restartovat program. Vˇsechny zmˇeny, které uˇzivatel uˇcin´ı pomoc´ı programu gDEBugger budou ale zapomenuty po restartován´ı aplikace.

4.3.4


Podporuje vertex shader, fragment shader a geometry shader. Tato aplikace byla vytvoˇrena zcela za u ´ˇcelem lazen´ı. Vˇetˇsina informac´ı se ale objevuje pouze, kdyˇz je aplikace pozastavena. Pokud se aplikace pozastav´ı na break pointu, zastaven´ı nenastane ihned, ale pouze na dalˇs´ım OpenGL volán´ı (pˇri spuˇstˇeném módu pro ladˇen´ı nebo pro anal´ yzu) nebo na konci sn´ımku (pˇri spuˇstˇeném módu pro profilován´ı). Je moˇzné pˇridávat break pointy na zaˇca´tek OpenGL. To se vykoná pˇridán´ım v oknˇe vyvolaném zkratkou Ctrl+B. Pokud si dáme breakpoint napˇr´ıklad jako glBegin, m˚ uˇzeme sledovat postup algoritmu bud’ po jednotliv´ ych kroc´ıch (Single Step), pˇreskoˇcit dalˇs´ı funkce dokud nenaraz´ıme na dalˇs´ı vykreslen´ı (Draw Step) nebo m˚ uˇzeme pˇreskoˇcit na stejn´ y breakpoint v dalˇs´ım sn´ımku (Frame Step). Pouˇzit´ım tohoto prostˇred´ı se dá snadno provést oprava aplikace, protoˇze m˚ uˇzeme naj´ıt a opravit problémy typu: • chyby OpenGL (volba break on OpenGLErrors) – vrac´ı OpenGL implementace; zp˚ usobeny ˇspatn´ ymi v´ yˇcty ˇci volán´ım funkc´ı kdyˇz nejsou relevantn´ı • detekované chyby – napˇr´ıklad pokud se pouˇz´ıvá pixel formát, kter´ y nen´ı hardwarovˇe akcelerovan´ y • nadbyteˇcné zmˇeny OpenGL stav˚ u • pouˇz´ıván´ı nedoporuˇcen´ ych OpenGL funkc´ı 29



• software fallback – nastává, pokud kombinace OpenGL stav˚ u nen´ı podporována nebo akcelerována na grafickém hardware; v takovém pˇr´ıpadˇe se pˇrep´ıná do softwarového módu a t´ım je znaˇcnˇe sn´ıˇzen v´ ykon Kdyˇz je aplikace vyˇciˇstˇena od vˇsech problém˚ u zp˚ usoben´ ych volán´ım OpenGL funkc´ı, dá se nástroj pouˇz´ıt pro detekován´ı a opraven´ı pˇr´ıpad˚ u neuvolnˇen´ ych grafick´ ych objekt˚ u z pamˇeti. Nástroj gDEBugger dokáˇze nav´ıc zobrazovat informace o texturách a bufferech. Tyto informace jsou sb´ırány za bˇehu a daj´ı se zobrazit v oknˇe vyvolaném Ctrl+T. Zde lze vybrat libovolnou texturu ˇci buffer (DepthBuffer, Front Buffer, BackBuffer apod.), a pak v pravé ˇca´sti okna vid´ıme obsah textury ˇci bufferu s pˇresn´ ymi informacemi o barvˇe v kaˇzdém pixelu. Lze zapnout ˇci vypnout kanály RGB, popˇr´ıpadˇe kanál alfa. V druhém listu nazvaném Data View m˚ uˇzeme vidˇet obrázek pouze v numerick´ ych hodnotách. U 3D textur lze navigovat mezi vrstvami textury, podobˇe u pole textur. Lze zobrazit i Vertex BufferObject, ale pouze v reˇzimuData View.

4.3.5

Statistiky

Program dokáˇze vypsat statistiky Ctrl+Shift+S. V tˇechto statistikách m˚ uˇzeme vidˇet procentuáln´ı pomˇer zastoupen´ı volan´ ych OpenGL funkc´ı dle jejich typu (texturovac´ı, maticové, resterizaˇcn´ı). Pomˇer zastoupen´ı jednotliv´ ych funkc´ı znázornˇen´ y ve sloupcovém grafu lze vidˇet v doln´ı ˇca´sti okna. Toto okno má speciáln´ı záloˇzku na zobrazen´ı zastaral´ ych (tzv. deprecated) funkc´ı, kde jsou vˇsechny pouˇzité vypsány vˇcetnˇe detail˚ u, kdy byla funkce takto oznaˇcena, ve které verzi byla pˇr´ıpadnˇe vymazána, poˇcet volán´ı funkce do aktuáln´ıho breakpointu ˇci procentuáln´ı zastoupen´ı vzhledem k ostatn´ım funkc´ım. Ostatn´ı volané funkce m˚ uˇzeme vidˇet v záloˇzce FunctionCalls, kde jsou uvedeny ke kaˇzdé funkci dalˇs´ı podrobnosti. Zejména jsou pak zv´ yraznˇena doporuˇcen´ı pˇr´ıpadnˇe nepouˇz´ıvat nevhodnou a nahradit ji za jinou. Dalˇs´ı zaj´ımavou statistikou je poˇcet skupin vrchol˚ u, které se bˇehem jednoho sn´ımku pos´ılaj´ı na zpracován´ı. Je zvykem snaˇzit se psát program tak, aby se najednou pos´ılalo vˇzdy co nejvˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı vertex˚ u, ˇc´ımˇz se zv´ yˇs´ı v´ ykon aplikace. 30


4.3.6


Profilov´ an´ı

V hlavn´ım oknˇe m˚ uˇzeme vidˇet ˇcasovou osu, na které je znázornˇen v´ ykonnostn´ı graf. Existuj´ı tˇri skupiny ˇc´ıtaˇc˚ u: • ˇc´ıtaˇce specifické pro operaˇcn´ı systém – sleduj´ı v´ ykon z pohledu správy systémov´ ych zdroj˚ u (správa pamˇeti, vyuˇzit´ı procesoru apod.). • ˇc´ıtaˇce specifické pro grafick´ y hardware – pouze pouˇzitelné pro nˇekter´ y hardware (NVIDIA, ATI/AMD, S3 Graphicsa 3DLabs), za podm´ınky ˇze jsou instalovány pˇr´ısluˇsné ovladaˇce. • gDEBugger ˇc´ıtaˇce – zde lze sledovat napˇr´ıklad poˇcet sn´ımk˚ u za sekundu, poˇcet volán´ı OpenGL funkc´ı a ˇc´ıtaˇc˚ u, poˇcet troj´ uheln´ık˚ u ˇci vrchol˚ u na sn´ımek atd.

4.3.7

Anal´ yza

Mód anal´ yzy umoˇzn ˇuje sledován´ı podrobn´ ych informac´ı o funkc´ıch na zmˇenu stavu a vyhledáván´ı redundantn´ıch pouˇzit´ı takov´ ychto funkc´ı. Z´ıskáván´ı informac´ı pro pouˇzit´ı tohoto sledován´ı vˇsak má velk´ y dopad na v´ ykon aplikace. Tento mód funguje podobnˇe jako mód na z´ıskáván´ı statistik. Zpomalen´ı je zp˚ usobeno t´ım, ˇze se mus´ı vyhodnocovat a ukládat vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı ukazatel˚ u, aby se redundantn´ı stavy odhalily. Ty se na rozd´ıl od obyˇcejn´ ych statistik, kdy se sˇc´ıtá poˇcet v´ yskyt˚ u volán´ı, mus´ı obohatit o porovnáván´ı hodnot ve vˇsech pˇredchoz´ıch stavech. D´ıky tˇemto porovnán´ım se m˚ uˇze napˇr´ıklad zjistit, ˇze dané konkrétn´ı volán´ı vˇzdy nastavuje stav na stejnou hodnotu, jaká byla pˇred t´ımto volán´ım. Okno na statistiky z´ıskané v módu anal´ yzy se vyvolává pomoc´ı zkratky Ctrl+Shift+S. Jedná se stále o stejné okno. Tentokrát nás zaj´ımá hlavnˇe záloˇzka StateChange, která zde m˚ uˇze m´ıt nˇekolik záznam˚ u o volán´ı, jeˇz ve 100% pˇr´ıpad˚ u nastavila stejn´ y stav, kter´ y byl pˇred zavolán´ım daného nastaven´ı.

31


4.3.8

GlslDevil (verze 1.1.5) [10]

N´ asledn´ıci projektu gDEBugger

gDEBugger AMD (verze 6.2) [14] Verze gDEBuggeru pro AMD grafické karty, která vyˇsla 20. 4. 2012. Rozhran´ı této verze se liˇs´ı od p˚ uvodn´ı. Nemá napˇr´ıklad rozdˇelen´ı na tˇri módy (ladˇen´ı, profilován´ı a anal´ yza pamˇeti). Nen´ı moˇzné spustit profilován´ı a sledovat tak zvolené promˇenné v grafu pˇri bˇehu aplikace. Z pohledu vlastnost´ı, které je vhodné uváˇzit pro zpracován´ı této diplomové práce, nepˇrináˇs´ı aplikace nic nového oproti jej´ı druhé verzi. Zdá se, ˇze sp´ıˇse nˇekteré funkce ztrác´ı (kompilace shader˚ u a profilaˇcn´ı mód). Na stránce projektu je uvedeno, ˇze jiˇz nebudou ˇzádné dalˇs´ı verze gDEBuggeru, kromˇe moˇzn´ ych oprav chyb. Projekt, kter´ y je následn´ıkem gDEBuggeru se naz´ yvá CodeXL.

CodeXL (verze 1.3) [15] Jako nástupce gDEBuggeru je CodeXL taktéˇz pokroˇcil´ y nástroj pro ladˇen´ı program˚ u vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch OpenGL nebo OpenCL. Stejnˇe jako jeho pˇredch˚ udce má mnoho nástroj˚ u pro ladˇen´ı, profilován´ı a anal´ yzu aplikac´ı z pohledu na GPU, CPU a novˇe i APU. Nab´ız´ı rovnˇeˇz statickou anal´ yzu jádra OpenCL. Testovan´ y program vyˇsel 11. 11. 2013. Tento program nab´ız´ı opˇet tˇri módy (ladˇen´ı, profilován´ı a anal´ yza pamˇeti). Na druhou stranu ale stále nedokáˇze mˇenit program shader˚ u. V´ yvoj tohoto programu se ub´ırá mnohem v´ıce smˇerem ladˇen´ı a anal´ yzy jiˇz zkompilovan´ ych program˚ u. Prvn´ı zkoumaná verze má v´ yhodnou vlastnost, která nám umoˇzn ˇuje mˇenit program shader˚ u za bˇehu programu. Tato vlastnost se ale pravdˇepodobnˇe autor˚ um nejev´ı jako d˚ uleˇzitá pro hlavn´ı u ´ˇcel aplikace – profilován´ı a zjiˇst’ován´ı v´ ykonnosti a moˇzn´ ych chyb v programu. Proto následuj´ıc´ı verze programu jiˇz tuto vlastnost neimplementuj´ı.

4.4


Nástroj pro ladˇen´ı OpenGL grafického ˇretˇezce. Stejnˇe jako gDEBugger dokáˇze ladit OpenGL programy bez nutnosti opˇetovné kompilace nebo dokonce 32



Obrázek 4.4: Rozhran´ı nástroje GlslDevil bez zdrojového kódu (data pro ladˇen´ı jsou z´ıskávána z hardwarové realizace ˇretˇezce). Posledn´ı verze (1.1.5) nepodporuje ladˇen´ı aplikac´ı, které jsou v´ıcevláknové. Nav´ıc, nelze ladit 32bitové aplikace za pouˇzit´ı 64bitové verze GlslDevil. Posledn´ı verze byla nahrána v roce 16. 2. 2010. Obrázek 4.4 ukazuje rozhran´ı nástroje.

4.4.1

Rozhran´ı

• OpenGL trace – poskytuje funkcionalitu pro ovládán´ı ladˇen´ı, zobrazuje proud OpenGL pˇr´ıkaz˚ u, umoˇzn ˇuje krokován´ı, pˇreskakován´ı funkc´ı a dokonce i u ´pravu OpenGL funkc´ı a jejich parametr˚ u 33



– umoˇzn ˇuje spustit program a zároveˇ n vypisovat lad´ıc´ı informace, coˇz ale velmi zpomaluje bˇeh programu – je moˇzné skoˇcit na dalˇs´ı vykreslen´ı, dalˇs´ı zmˇenu shaderu nebo volán´ı dalˇs´ı funkce (zadané uˇzivatelem) • shader source – editory pro vertex, fragment a geometry shadery • GL trace statistics – pˇrehled volan´ ych OpenGL funkc´ı • Watch • Shader Variables • GL Buffer View

4.4.2


Podporuje vertex shader, fragment shader a geometry shader. Pˇri ladˇen´ı geometry shaderu se m˚ uˇzeme pod´ıvat na detailn´ı informace o kaˇzdém primitivu, aktuáln´ı hodnoty dat a v´ ystupn´ı vrcholy. Lze dokonce vizualizovat data z geometry shaderu. Vizualizace m˚ uˇze napˇr´ıklad pouˇz´ıvat r˚ uzné barvy pro generované vertexy dle jejich indexu. Ladˇen´ı shaderu se vykonává na u ´rovni jednoho vykreslen´ı, kde vˇsechny dotyˇcné elementy jsou krokovány souˇcasnˇe. Aby bylo moˇzné ladit shader, je nutné, aby byl program ve specifickém stavu, a tud´ıˇz po volán´ı vykreslovac´ı funkce.

4.4.3

Funkcionalita

Tento program je bohuˇzel neudrˇzovan´ y a mˇel problémy s ladˇen´ım shader˚ u na vˇsech Testovan´ ych stanic´ıch. Velmi ˇcasto se stávalo, ˇze se program zastavil pˇri spuˇstˇen´ı na chybˇe nazvané Internal debugger error“. V pˇr´ıpadˇe program˚ u, ” které ˇsly spustit, nebylo nikdy moˇzné provést ladˇen´ı shader˚ u. Aplikace vˇzdy skonˇcila pˇri prvn´ım pokusu o jejich krokován´ı. Vzhledem k tomu, ˇze se nedaˇrilo naleznout ˇreˇsen´ı pro chyby, které nastávaly, a vzhledem k tomu, ˇze je projekt neudrˇzovan´ y, nemohlo b´ yt Testován´ı programu dokonˇceno.

34


4.5

KickJs GLSL Shader Editor [11]


Obrázek 4.5: Rozhran´ı webové stránky KickJs KickJs GLSL Shader Editor je aplikace, která se dá spustit ve webovém prohl´ıˇzeˇci. Ukázka rozhran´ı prohl´ıˇzeˇce je na obrázku 4.5. Podle dokumentace jsou podporovány (toho ˇcasu) nejnovˇejˇs´ı prohl´ıˇzeˇce Mozilla Firefox a Google Chrome. Internet Explorer verze 10 nepodporuje KickJS. Aplikace fungovala i v prohl´ıˇzeˇc´ıch Firefox verze 23.0, Chrome verze 30 a Opera verze 17.0. Posledn´ı aktualizace pˇred Testován´ım aplikace probˇehla 21. 7. 2013.

4.5.1


• testován´ı shader˚ u (fragment shader, vertex shader) • nastavován´ı uniform promˇenn´ ych spoleˇcn´ ych pro oba shadery • v animaˇcn´ı smyˇcce lze mˇenit pouze – textury (pouze obrázky pˇr´ıstupné ze stránky www.kickjs.org ve sloˇzce /example/shader editor/) – globáln´ı nastaven´ı pipeliny (face curling, z-TESt atd.) – ortogonáln´ı nebo perspektivn´ı kamera – v´ ybˇer jednoho z pˇrednastaven´ ych model˚ u 35



– pohyb modelu (model bude statick´ y nebo bude rotovat)

4.5.2

Rozhran´ı

Internetová aplikace rozdˇeluje okno na nˇekolik pomysln´ ych ˇca´st´ı. V horn´ı ˇcásti okna jsou volby, které se u vˇetˇsiny aplikac´ı nacház´ı na liˇstˇe pod volbou soubor (file). Bohuˇzel, akce naˇc´ıst a uloˇzit ukládaj´ı pouze stav aplikace (lze je provést pouze po pˇrihláˇsen´ı na google u ´ˇcet). V´ ysledek se nedá nijak exportovat. Uloˇzené záchytné body se mohou pouze pouˇz´ıt pro dalˇs´ı Testován´ı chodu v aplikaci KickJS. V´ ysledná scéna je vidˇet v malém oknˇe vlevo nahoˇre. Je moˇzno zapnout reˇzim na celou obrazovku.

4.5.3

Editor

Jsou zv´ yrazˇ nována vyhrazená slova, funkce a zabudované OpenGL promˇenné. Naˇseptáván´ı kódu nen´ı. Syntaktické chyby nejsou podtrhávány. Chyby jsou ohlaˇsovány ve speciáln´ı chybové konzoli, která funguje jako log událost´ı. V popisu chyby je moˇzné z´ıskat ˇc´ıslo ˇra´dku. Editoru kódu má ˇc´ıslován´ı ˇra´dek. V´ ysledky kompilace nemaj´ı ˇza´dné zv´ yraznˇen´ı u chyb ani interaktivn´ı odkazy, pˇresto vypadá v´ ypis velmi pˇrehlednˇe. Nen´ı zde moˇzné ukládat zmˇeny v editoru jinak neˇz automaticky. Editor okamˇzitˇe pˇreloˇz´ı shader pokaˇzdé zmˇenˇe. Pokud uˇzivatel nap´ıˇse nˇekolik znak˚ u za sebou, zmˇeny se projev´ı aˇz po tom, co uˇzivatel udˇelá pˇrestávku v psan´ı.

4.5.4


Tato aplikace umoˇzn ˇuje pouze napsán´ı vlastn´ıho shaderu pro vykreslován´ı jednoho objektu (z nˇekolika pˇrednastaven´ ych). Tento objekt m˚ uˇze m´ıt pouze jednu z nˇekolika pˇrednastaven´ ych textur. Vykreslovac´ı smyˇcka je pevnˇe dána. Kód shader˚ u se dá libovolnˇe editovat. Jinak zde nejsou ˇzádné pokroˇcilejˇs´ı moˇznosti krokován´ı programu.

36

OpenGL Shader Designer (Verze 1.5.9.6) [12]


4.6


Obrázek 4.6: Rozhran´ı nástroje ShaderDesigner OpenGL Shader Designer je v´ yvojové prostˇred´ı pro vytváˇren´ı shader˚ u v OpenGL. Je zde moˇzné vytváˇret vertex a fragment shadery. Posledn´ı dokumentace byla vytvoˇrena k datu 12. 6. 2004. Obrázek 4.6 ukazuje grafické rozhran´ı nástroje.

4.6.1


• testován´ı shader˚ u (fragment shader, vertex shader) • v animaˇcn´ı syˇcce lze pouze – mˇenit textury (lze naˇc´ıtat vlastn´ı) – mˇenit modely (lze naˇc´ıtat vlastn´ı ve formátu gsd) 37



• model se pohybuje taˇzen´ım myˇsi • lze exportovat jako AVI video

4.6.2

Rozhran´ı

• zobrazen´ı scény • náhled jedné z textur • editor pro vertex shader nebo fragment shader • pˇrehled uniform promˇenn´ ych • v´ ysledky kompilace • nastaven´ı svˇetla

4.6.3

Editor

Jsou zv´ yrazˇ nována vyhrazená slova, funkce a zabudované OpenGL promˇenné. Dále program dokáˇze naj´ıt druh´ y pár znak˚ u v´ıceˇra´dkového komentáˇre, pokud se kurzor um´ıst´ı pˇred znaky * nebo /. Program um´ı naˇseptávat symboly s v´ yjimkou uˇzivatelem definovan´ ych promˇenn´ ych. Chybou pˇri naˇseptáván´ı je to, ˇze pokud se naˇseptáván´ı vyvolá (Ctrl+Space), pokraˇcuje se v psan´ı a uˇzivatel se rozhodne, ˇze chce napsat promˇennou, kterou naˇseptávaˇc nezná, pak se bohuˇzel automaticky dopln´ı nˇejak´ y symbol z naˇseptávaˇce, kter´ y má k napsanému ˇretˇezci nejbl´ıˇze. Syntaktické chyby nejsou podtrhávány. Chyby jsou ohlaˇsovány ve v´ ysledc´ıch kompilace. Bohuˇzel nejsou v´ıce specifické v popisu chyby, neˇz ˇze vyp´ıˇsou hláˇsen´ı o nezdaˇrené kompilaci fragment shaderu ˇci vertex shaderu. Editoru má ˇc´ıslované ˇra´dky, ale bez odkazu na ˇra´dku s chybou je tato vlastnost mnohem ménˇe uˇziteˇcná. Editor dokáˇze zkolabovat nebo rozvinout funkˇcn´ı bloky. Zmˇeny v shaderu je nutné uloˇzit a zkompilovat, neˇz se zmˇeny uplatn´ı. Scéna se pak automaticky pˇrekresl´ı.

38


4.6.4

Shader Maker [13]


Tato aplikace umoˇzn ˇuje pouze napsán´ı vlastn´ıho shaderu pro vykreslován´ı jednoho objektu, kter´ y lze otáˇcet v oknˇe v´ ystupu. Vykreslovac´ı smyˇcka je pevnˇe dána. Kód shader˚ u se dá libovolnˇe editovat. Nejsou zde ˇzádné moˇznosti krokován´ı vykreslovac´ı smyˇcky ˇci shader˚ u. Záznamy pro vertex a fragment shader maj´ı napojen´ı na komponentu PropertyGrid. M˚ uˇzeme nastavovat pouze stav OpenGL, kter´ y se váˇze na danou fázi, napˇr´ıklad test hloubky nebo test pr˚ uhlednosti. Nastavován´ı uniform promˇenn´ ych nen´ı umoˇznˇeno.

4.7

Shader Maker [13]

Obrázek 4.7: Rozhran´ı nástroje ShaderMaker Shader Maker je multiplatformn´ı editor shader˚ u vyvinut´ y v QT. Projekt je opensource. Program neumoˇzn ˇuje ukládán´ı projektu. Umoˇzn ˇuje vˇsak rychlé vytváˇren´ı prototyp˚ u shader˚ u, s ˇc´ımˇz mu pomáhá jeho minimalistick´ y

39


Shader Maker [13]

vzhled. Posledn´ı update projektu probˇehl 14. 3. 2013. N obrázku 4.7 je vidˇet rozhran´ı nástroje.

4.7.1


• testován´ı shader˚ u (fragment shader, vertex shader, geometry shader) • v animaˇcn´ı smyˇcce lze mˇenit pouze – textury (lze naˇc´ıtat vlastn´ı) – modely (lze naˇc´ıtat vlastn´ı ve formátu obj) – osvˇetlen´ı – materiály – projekˇcn´ı matice – view port • model se pohybuje taˇzen´ım myˇsi

4.7.2

Rozhran´ı

Nástroj umoˇzn ˇuje prohl´ıdnut´ı scény v hlavn´ım oknˇe. Má záloˇzky pro prohl´ıˇzen´ı informac´ı o logu událost´ı, osvˇetlen´ı, materiál, uniform promˇenné a textury. Posledn´ı záloˇzka obsahuje informace z´ıskané z daného hardware a informace o nainstalovaném OpenGL. V tabulce uniform promˇenn´ ych se mohou nastavovat uniformy, které jsou obsaˇzeny ve zkompilovaném programu (s v´ yjimkou sampler˚ u). Kaˇzdá promˇenná má v grafickém rozhran´ı moˇznost pˇristupovat aˇz ke ˇctyˇrem jej´ım poloˇzkám. V pˇr´ıpadˇe matic lze pˇristupovat i k dalˇs´ım sloupc˚ um.

4.7.3

Editor

Jsou zv´ yrazˇ nována vyhrazená slova, funkce a zabudované OpenGL promˇenné. Nejsou zv´ yrazˇ novány uˇzivatelské promˇenné. Editor neum´ı naˇseptávat symboly.

40

Shrnut´ı funkcionality testovaných nástroj˚ u


Program je nutné pˇrekompilovat, aby se zmˇeny projevily. Pak jsou zmˇeny znatelné pˇri bˇehu programu. Shader se dá opˇetovnˇe nalinkovat (restartuj´ı se vˇsechny promˇenné). Syntaktické chyby jsou popsány v logu událost´ı. Obsahuj´ı odkaz na ˇrádku v editoru. Editor sice nemá ˇc´ıslován´ı ˇra´dek, ale ukazuje ˇc´ıslo ˇra´dky, na které je kurzor. Nen´ı pˇr´ıliˇs vhodné, ˇze okno událost´ı ukazuje jen posledn´ı kompilaci a nijak nezv´ yrazˇ nuje chybová hláˇsen´ı nebo varován´ı. Vˇsechny tˇri shadery (vertex, fragment, geometry) se daj´ı uloˇzit pouze zvláˇst’. Nen´ı moˇzno nˇejak´ ym zp˚ usobem ukládat projekt.

4.7.4


Stejnˇe jako pˇredchoz´ı aplikace Shader Maker umoˇzn ˇuje pouze napsán´ı vlastn´ıho shaderu pro vykreslován´ı jednoho objektu. Tento lze otáˇcet v oknˇe v´ ystupu. Vykreslovac´ı smyˇcka je pevnˇe dána. Kód shader˚ u se dá libovolnˇe editovat za bˇehu programu. Aplikace neumoˇzn ˇuje krokován´ı smyˇcky nebo shader˚ u.

4.8

Shrnut´ı funkcionality testovan´ ych n´ astroj˚ u

Testované programy vˇetˇsinou bylo moˇzné pouˇz´ıt podle jejich dokumentace. V´ yjimka vˇsak nastala u neudrˇzovaného projektu GlslDevil, kter´ y nebylo moˇzné pouˇz´ıt podle instrukc´ı. Nemˇel peˇclivˇe zdokumentovaná chybová hláˇsen´ı a online podpora k dan´ ym problém˚ um byla také nedostateˇcná. Programy, které byly pouˇz´ıvány zejména na ladˇen´ı, nebyly skuteˇcnˇe pˇr´ıliˇs vhodné pro v´ yvoj GLSL aplikac´ı. Tyto programy se hod´ı na ladˇen´ı v´ ysledné aplikace. Jen prvn´ı Testovaná verze gDEBuggeru byla schopná upravovat GLSL kód za bˇehu aplikace. Ostatn´ı verze byly speciálnˇe vytvoˇreny hlavnˇe na profilován´ı, ladˇen´ı a statistiky. Tyto funkce vˇsak umoˇzn ˇovaly provádˇet v´ yvoj pˇr´ımo v daném prostˇred´ı. Vˇetˇsina ostatn´ıch program˚ u byla jednoduˇse pouˇzitelné pro v´ yvoj shader˚ u. Tyto programy vˇsak mˇely nˇekolik nedostatk˚ u. Nebylo moˇzné upravovat zobrazovac´ı smyˇcku. V jediném programu, ve kterém toto bylo moˇzné, se kód 41

Shrnut´ı funkcionality testovaných nástroj˚ u


zobrazovac´ı smyˇcky psal pouze v Pythonu. Tento program nav´ıc nemˇel v˚ ubec ˇzádné pokroˇcilejˇs´ı vlastnosti editoru kódu. V aplikac´ıch, které umoˇzn ˇovaly doplˇ nován´ı kódu, bylo toto omezeno pouze na pár kl´ıˇcov´ ych slov ˇci funkc´ı. Nejkomplexnˇejˇs´ım programem, kter´ y by mohl splˇ novat nejv´ıce bod˚ u zadán´ı této práce, byl AMD RenderMonkey. Tento program znovu ale neobsahoval ˇzádné v´ıce upravitelné moˇznosti pro u ´pravu vykreslovac´ı smyˇcky. Z toho plynulo mnoho problém˚ u, zejména obt´ıˇznˇejˇs´ı práce s v´ıce modely (kaˇzd´ y musel b´ yt pˇridán ve zvláˇstn´ım pr˚ uchodu). Nav´ıc byl v´ yvoj RenderMonkey zastaven a tento nástroj jiˇz nepodporuje vyˇsˇs´ı verze GLSL neˇz 2.0.

42

5 Analýza vlastnost´ı vyv´ıjené aplikace Celá aplikace bude naprogramována v jazyku C# z d˚ uvodu rychlosti v´ yvoje a jednoduchosti vytváˇren´ı grafického rozhran´ı pro aplikaci. V projektu se budou pouˇz´ıvat volán´ı OpenGL. OpenGL je dynamicky linkovaná knihovna. Nejv´ yhodnˇejˇs´ı bylo pouˇzit´ı knihovny OpenTK pro extern´ı volán´ı funkc´ı OpenGL v jazyce C#. Tato knihovna je pˇr´ıjemnˇejˇs´ı na pouˇzit´ı neˇz napˇr´ıklad knihovna Tao. OpenTK má rozdˇelené v´ yˇcty podle typ˚ u ke kter´ ym patˇr´ı, má silné typován´ı promˇenn´ ych, zavedené struktury pro nejˇcastˇeji potˇrebné datové typy (vektory, matice), má implementované násoben´ı vektor˚ u a matic pˇret´ıˇzen´ım operátoru, m˚ uˇze pouˇz´ıvat generické datové typy a je v´ıce udrˇzované. Funkcionalita aplikace bude z pohledu vˇetˇsiny vlastnost´ı motivována Testovan´ ym programem Render Monkey. Uˇzivatel mus´ı b´ yt schopen vytvoˇrit sv˚ uj vlastn´ı jednoduch´ y efekt naˇcten´ım modelu, textury a specifikac´ı nˇekolika shader˚ u. Návrh mus´ı umoˇznit, aby bylo moˇzné specifikovat v jednom projektu v´ıce program˚ u i v´ıce model˚ u. Vytváˇren´ y GLSL editor mus´ı m´ıt následuj´ıc´ı vlastnosti: • pomoc´ı skriptu v jazyce C# m˚ uˇze sestavit scénu v interaktivn´ım editoru • poskytuje moˇznost upravovat shadery • jednoduch´ y zp˚ usob pro naˇc´ıtán´ı objekt˚ u a textur • zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe programového kódu • jednoduchá u ´prava uniform promˇenn´ ych • prohl´ıˇzen´ı naˇcten´ ych dat • sada ukázkov´ ych u ´loh Vˇetˇsina Testovan´ ych nástroj˚ u pro v´ yvoj splˇ novala velkou ˇca´st vyˇcten´ ych bod˚ u. Pomˇernˇe ˇcasto ale vˇsak chybˇela moˇznost definovat kód vykreslovac´ı

43

Analýza vlastnost´ı vyv´ıjené aplikace

smyˇcky. Kód v jazyce C# je dostateˇcnˇe pˇr´ıvˇetiv´ y pro vytváˇren´ı prototyp˚ u jednoduch´ ych shader˚ u d´ıky správˇe pamˇeti a rychlému pˇrekladu. Je nutné vyˇreˇsit, jak´ ym zp˚ usobem budou implementovány jednotlivé funkce. Aplikace, která je schopná splnit vˇsechny pˇredcházej´ıc´ı poˇzadavky mus´ı splnit následuj´ıc´ı u ´koly: • pouˇzit´ı a nastaven´ı grafick´ ych komponent prozv´ yrazˇ nován´ı a doplˇ nován´ı zdrojového kódu • kompilace C# kódu za bˇehu editoru a zmˇena hodnot globáln´ıch promˇenn´ ych za bˇehu vizualizaˇcn´ıho okna • spuˇstˇen´ı programu napsaného za bˇehu editoru a komunikace s n´ım • správa (shader˚ u, program˚ u, model˚ u a textur) V dalˇs´ıch kapitolách budou uvedeny podrobnosti ˇreˇsen´ı nast´ınˇen´ ych problém˚ u. Jazyk C# zjednoduˇsuje ˇreˇsen´ı nˇekter´ ych problém˚ u, ale i tak je nˇekdy nutné provést sofistikovanˇejˇs´ı nastaven´ı existuj´ıc´ıch komponent nebo implementovat vlastn´ı.

44

6 Analýza komponent pro zv´ yrazˇ nov´ an´ı k´ odu Jednou z hlavn´ıch vlastnost´ı implementovaného editoru je zv´ yrazˇ nován´ı textu a doplˇ nován´ı kódu. Existuje nˇekolik komponent pouˇziteln´ ych v C#, které jiˇz tuto funkcionalitu implementuj´ı. v následuj´ıc´ıch kapitolách budou analyzovány vlastnosti komponent.

6.1

Scintilla [16]

Scintilla je free source komponenta pouˇzitelná pro editován´ı kódu. Lze pouˇz´ıt pro jak´ ykoliv komerˇcn´ı ˇci nekomerˇcn´ı projekt. Má vlastnosti potˇrebné pro standardn´ı editory textu. Scintilla má vlastnosti, které jsou uˇziteˇcné pro editován´ı kódu: • r˚ uzné styly syntaxe (proporcionáln´ı/neproporcionáln´ı fonty, tuˇcné p´ısmo, kurz´ıva, barva popˇred´ı, pozad´ı, zmˇena font˚ u) • indikátor chyb • doplˇ nován´ı kódu V´ yvoj Scintilly zaˇcal jako snaha vylepˇsit text editor PythonWin. PythonWin pouˇz´ıval Richedit grafickou komponentu, která zmˇeny stylu klasifikovala do stejné kategorie, do které se ukládaly zmˇeny zásobn´ıku pro volbu zpˇet. Nav´ıc tato komponenta nastavovala flag dirty. Jeden z program˚ u, kter´ y byl vytvoˇren pomoc´ı této komponenty je SciTE. P˚ uvodnˇe byl SciTE pouze vytvoˇren pro demonstraci Scintilly. Nejlépe se hod´ı pro menˇs´ı projekty, do kter´ ych se daj´ı zahrnout Testovac´ı programy. Scintilla je psaná v C++. Jej´ı kód vˇsak pouˇz´ıvá pouze podmnoˇzinu vlastnost´ı jazyka C++, protoˇze Scintilla m˚ uˇze b´ yt pouˇz´ıvána i v projektech psan´ ych v C.

45

Analýza komponent pro zvýrazˇ nován´ı kódu

6.1.1

Scintilla [16]

ScintillaNET [17]

ScintillaNET je wrapper Scintilly pro platformu .NET. Dle autor˚ u jsou zde k nalezen´ı funkce, které v jin´ ych wrapperech neexistuj´ı: • doplˇ nován´ı snipplet˚ u (doplˇ nován´ı ˇcasto pouˇz´ıvané malé ˇcásti kódu, napˇr´ıklad try/catch nebo property) • integrované hledán´ı a náhrada ˇretˇezc˚ u • hledán´ı regulárn´ıch ˇretˇezc˚ u • dopˇredná ˇci zpˇetná navigace v textu Bylo jiˇz plnˇe konfigurováno nˇekolik jazyk˚ u pro zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe. Mezi jazyky s hotovou podporou zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe je C#, GLSL mezi nimi ale nen´ı. Posledn´ı update byl zaznamenán 18. 3. 2013.

6.1.2

Testovac´ı aplikace

Projekt nemá k dispozici ˇza´dnou Testovac´ı aplikaci. Proto byla naprogramována vlastn´ı aplikace pomoc´ı návodu k ovˇeˇren´ı funkcionality této komponenty. Postup vytvoˇren´ı programu: • stáhnut´ı knihoven ScintillaNET.dll, SciLexer.dll, a SciLexer64.dll • konfigurace promˇenné Path, aby Windows mohl nalézt knihovny • pˇridán´ı komponenty do návrháˇre Windows formuláˇr˚ u ve Visual Studiu. Dále je na stránkách ScintillaNET popsáno jak zaˇc´ıt programovat aplikace s touto komponentou. Jsou vysvˇetleny pˇr´ıklady pro: • vlastn´ı konfiguraˇcn´ı soubory • zprovoznˇen´ı zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe 46


Fast ColoredTextbox[20]

• zobrazen´ı ˇc´ısel ˇra´dek • implementace vlastn´ıho lexeru (objektu, kter´ y provád´ı lexikáln´ı anal´ yzu)

6.2


Fast ColoredTextbox je komponenta pro editován´ı textu. Je nejbohatˇs´ı co se t´ yká pˇr´ıklad˚ u (posledn´ı update probˇehl 1. 11. 2013). Komponenta byla vytvoˇrena jako lepˇs´ı verze komponenty RichTextBox, kter´ y zv´ yrazˇ noval vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı fragment˚ u (nad 200) jen velice pomalu. Celé vykreslován´ı textu v novˇe vytvoˇrené komponentˇe je naprogramováno pomoc´ı GDI+, coˇz je C/C++ API. GDI+ umoˇzn ˇuje aplikac´ım pouˇz´ıvat grafické formátován´ı textu pro displeje i pro tiskárny [19]. K textu lze pˇristupovat pouˇzit´ım regulárn´ıch v´ yraz˚ u. Mimo jiné Je podporováno zalomen´ı ˇra´dek, najdi/nahrad’, ˇci zpˇet/vpˇred.

6.2.1


Tato komponenta pˇricház´ı s Testovac´ım pˇr´ıkladem. Testovac´ı pˇr´ıklad je tvoˇren jedn´ım hlavn´ım formuláˇrem aplikace, ze kterého se daj´ı vyvolat r˚ uzné verze editor˚ u pro r˚ uzné u ´ˇcely. Aplikace obsahuje pˇr´ıklady pro: • zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe (vˇcetnˇe zv´ yrazˇ nován´ı vˇsech v´ yskyt˚ u té promˇenné v kódu, na které se nacház´ı kurzor) • nastaven´ı vlastn´ı syntaxe • vytvoˇren´ı zv´ yrazˇ novaˇce ˇra´dky • vytvoˇren´ı vlastn´ıho stylu zv´ yrazˇ nován´ı textu • zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe pro dlouhé texty (statis´ıce ˇra´dek) • práce s extrémnˇe dlouh´ ymi texty (miliony ˇra´dek, stále zab´ırá pouze 120 MB v pamˇeti)

47



• C# editor obsahuj´ıc´ı základn´ı funkce (vpˇred, zpˇet, ukládán´ı, tisk, práce se schránkou, vyhledáván´ı ˇretˇezce, zobrazován´ı b´ıl´ ych znak˚ u) • vkládán´ı obrázk˚ u do textového pole • podpora logován´ı • split-screen • naˇc´ıtán´ı velk´ ych soubor˚ u technikou l´ıného naˇc´ıtán´ı (anglicky lazyloading) • ukázka jak formátovat kód obsahuj´ıc´ı ˇretˇezce z v´ıce jazyk˚ u (HTML a PHP) • hypertextov´ y odkaz • animovan´ y text • kolapse a rozv´ıjen´ı funkˇcn´ıch blok˚ u textu (anglicky codefolding) • automatické doplˇ nován´ı kódu (doplˇ nován´ı staticky zadan´ ych ˇretˇezc˚ u, snipplet˚ u dynamické doplˇ nován´ı) • tooltip • dynamické zv´ yrazˇ nován´ı kódu (zv´ yrazˇ nován´ı závorek, zv´ yrazˇ nován´ı promˇenn´ ych) • zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe popsané XML souborem ˇ ınsk´ • zobrazován´ı ciz´ıch znak˚ u (Arabsk´ ych, C´ ych, Japonsk´ ych apod.) • automatické odsazován´ı • správa záloˇzek • emulátor konzole • nápovˇedy • bloky jen pro ˇcten´ı (nelze upravit strukturu tag˚ u, pouze jejich obsah) • text s pˇreddefinovan´ ym stylem a hypertextov´ ymi odkazy • vytváˇren´ı maker (nahraje se posloupnost stisknut´ ych kláves, a takto vytvoˇrené makro se dá pouˇz´ıt pro opakovanou u ´pravu textu) 48


ICSharpCode.TextEditor [18]

• otevˇrené fonty • prav´ıtko • mapa dokumentu (náhled dokumentu)

6.3

ICSharpCode.TextEditor [18]

SharpDevelop má grafickou komponentu, která pln´ı funkci textového editoru. Dá se pouˇz´ıt na u ´pravu, ukládán´ı ˇci náhradu ˇretˇezc˚ u. Dokáˇze provádˇet akce s pomoc´ı systémové schránky, um´ı zv´ yrazˇ novat ˇretˇezce, rozv´ıjet ˇci kolabovat bloky textu, pouˇz´ıvat záloˇzky a mˇenit nastaven´ı zobrazen´ı. Existuje jen jedna verze publikovaná 13. 11. 2008. Vyˇzaduje C# 3.0 kompilátor. Cel´ y projekt byl v posledn´ı dobˇe pˇredˇelán do WPF (Windows Presentation Foundation). Nyn´ı se naz´ yvá AvalonEdit.

6.3.1

Komponenty a tˇ r´ıdy

Textov´ y editor obsahuje propojené grafické komponenty TextEditorControl, TextAreaControl a TextArea. TextEditorControl je na nejvyˇsˇs´ı u ´rovni. TextAreaControl zapouzdˇruje komponentu TextArea a jej´ı scrollbary. TextArea zpracovává vstup z klávesnice a vykresluje text.

6.3.2

Vlastnosti editoru

Editor má implementovanou volbu zpˇet a opˇetovné vrácen´ı zmˇen. Dokáˇze doˇcasnˇe vyznaˇcit slova pomoc´ı marker˚ u. Implementuje záloˇzky, skládán´ı blok˚ u kódu, automatické zarovnán´ı kódu a zv´ yraznˇen´ı syntaxe.

6.3.3


Aplikace m˚ uˇze otevˇr´ıt nˇekolik záloˇzek, ve kter´ ych budou r˚ uzné soubory se zdrojov´ ym kódem. Umoˇzn ˇuje naˇc´ıtán´ı a ukládán´ı. V u ´pravách jsou volby

49


ChameleonRichTextBox [21]

typické pro u ´pravy v aplikac´ıch (práce se schránkou a hledán´ı ˇci nahrazen´ı ˇretˇezce). Nav´ıc je v u ´pravách moˇznost vkládat a navigovat mezi záloˇzkami. M˚ uˇzeme dále zvolit dalˇs´ı moˇznosti, které se t´ ykaj´ı hlavnˇe zobrazován´ı kódu: • split-screen • zobrazen´ı b´ıl´ ych znak˚ u • zobrazen´ı ˇc´ısel ˇra´dek • zv´ yraznˇen´ı aktuáln´ı ˇrádky • zv´ yraznˇen´ı párové závorky • nastaven´ı velikosti tabulátoru • nastaven´ı velikosti fontu

6.4

ChameleonRichTextBox [21]

Tato komponenta je souˇca´st´ı projektu CleanCode. CleanCode jsou knihovny pro v´ yvojáˇre .NET, PowerShell, SQL, Java, Perl, a Javascript aplikac´ı. ChameleanRichTextBox je komponenta, která dˇed´ı od RichTextBox. Je dalˇs´ım vylepˇsen´ım komponenty SyntaxHilightTextBox. Posledn´ı update probˇehl 30. 6. 2013. Mezi jej´ı vlastnosti patˇr´ı: • zmˇena zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe bez implementace nové komponenty pouˇzit´ım dˇediˇcnosti • doplˇ nován´ı kódu • v´ ykonnˇejˇs´ı neˇz SyntaxHilightTextBox • doplˇ nován´ı kl´ıˇcov´ ych slov • najdi a nahrad’ • podpora maker 50


Zhodnocen´ı komponent

• klávesové zkratky pro formátován´ı • konfigurace XML souborem

6.4.1


Existuje Testovac´ı aplikace [22]. Tato aplikace TEStuje mnoho implementovan´ ych ˇca´st´ı projektu CleanCode. Zaj´ımá nás hlavnˇe komponenta ChameleonRichTextBox. Testovanou komponentu bylo moˇzné pouˇz´ıt pro zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe pro nˇekolik pˇrednastaven´ ych jazyk˚ u (SqlServer, Oracle, MySql a Odbc). Ukazuje jak pracovat s tabulátory a zv´ yrazˇ nován´ım. Bohuˇzel tento pˇr´ıklad neukazuje ˇza´dné pokroˇcilejˇs´ı funkce. Nepodaˇrilo se naj´ıt ˇza´dné obsáhlejˇs´ı pˇr´ıklady k této komponentˇe.

6.5

Zhodnocen´ı komponent

Vˇsechny komponenty dokázaly zv´ yrazˇ novat syntaxi a doplˇ nován´ı kódu. Udrˇzovanost tˇechto komponent se vˇsak liˇs´ı. • SCIntilla je sice velmi rozˇs´ıˇrená, ale jej´ı .NET wrapper je udrˇzovan´ ya dokumentovan´ y o nˇeco ménˇe kvalitnˇeji. Pˇr´ıklad˚ u pouˇzit´ı je velmi málo. • ICSharpCode.TextEditor splˇ nuje základn´ı poˇzadavky, které budou potˇreba v této práci. Tato komponenta má pro Window Form grafické rozhran´ı nejstarˇs´ı verzi. • ChameleonRichTextBox je souˇcást´ı vˇetˇs´ıho projektu a bylo velmi obt´ıˇzné nalézt uˇziteˇcn´ y pˇr´ıklad nebo dokumentaci. • FastColoredTextbox vycház´ı jako nejlepˇs´ı volba z dan´ ych komponent. Tento projekt je velmi rozsáhl´ y, udrˇzovan´ y a má velké mnoˇzstv´ı featur a pˇr´ıklad˚ u, které vˇsechny d˚ uleˇzité funkce demonstruj´ı.

51

7 Implementace editoru zdrojového k´ odu Pro editaci zdrojového kódu se bude pouˇz´ıvat komponenta FastColoredTextbox [20]. Tato komponenta umoˇzn ˇuje zv´ yrazˇ nován´ı kódu a doplˇ nován´ı syntaxe. Byla vybrána kv˚ uli velkému mnoˇzstv´ı vlastnost´ı a pˇr´ıklad˚ u, na kter´ ych jsou vlastnosti demonstrovány.

7.1

Nastaven´ı komponenty FastColoredTextbox

Komponenta je pˇripravená pro zv´ yrazˇ nován´ı kódu C#. Staˇc´ı pouze pˇrepnout jej´ı vlastnost Language na hodnotu Language.CSharp, a veˇskeré zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe C# funguje. Pˇresto ale existuj´ı drobné vady. Stále se zv´ yrazˇ nuj´ı ˇretˇezce uvnitˇr komentáˇr˚ u. Zdrojov´ y kód od poˇca´tku souboru se zv´ yrazn´ı jako v´ıceˇra´dkov´ y komentáˇr, a to pokud má v´ıceˇrádkov´ y komentáˇr v kódu pˇr´ıtomen ukonˇcovac´ı token, ale ˇzádn´ y startovac´ı token. Vˇetˇsina editor˚ u v takovém pˇr´ıpadˇe podtrhne ukonˇcovac´ı token v´ıceˇrádkového komentáˇre. I kdyˇz se chován´ı liˇs´ı od vˇetˇsiny jin´ ych editor˚ u, stále upozorˇ nuje uˇzivatele, ˇze je v kódu chyba. Pro vlastn´ı nastaven´ı zv´ yrazˇ nován´ı kódu umoˇzn ˇuje komponenta pˇridat implementaci metody na událost TextChanged. Komponenta nezv´ yrazˇ nuje kód na základˇe lexikáln´ı ani syntaktické anal´ yzy, ale na základˇe regulárn´ıch v´ yraz˚ u. Po kaˇzdé zmˇenˇe textu se mus´ı zv´ yraznˇen´ı znovu vyhodnotit.

7.2

Zv´ yrazˇ nov´ an´ı vlastn´ıho jazyka

Jazyk GLSL nen´ı standardnˇe podporován komponentou FastColoredTextBox. Nejprve mus´ıme vytvoˇrit regulárn´ı v´ yrazy, které odpov´ıdaj´ı konstrukc´ım jazyka GLSL a mus´ıme jim nastavit r˚ uzné styly. Styly se mus´ı aplikovat ve správném poˇrad´ı. Nastaven´ım komponenty na jazyk Language.Custom komponenta uˇz dále 52

Implementace editoru zdrojového kódu

Zvýrazˇ nován´ı vlastn´ıho jazyka

GreenStyle = new TextStyle(Brushes.Green, null, FontStyle.Italic); ... range.ClearStyle(GreenStyle); range.SetStyle(GreenStyle, @"//.*$", RegexOptions.Multiline); Tabulka 7.1: Ukázka zruˇsen´ı a znovu nastaven´ı stylu range.SetStyle(GreenStyle, @"(/\*.*?\*/)|(/\*.*)", RegexOptions.Singleline); range.SetStyle(GreenStyle, @"(/\*.*?\*/)|(.*\*/)", RegexOptions.Singleline | RegexOptions.RightToLeft); Tabulka 7.2: Ukázka nastaven´ı z´ yraznˇen´ı v´ıceˇrádkového komentáˇre nezv´ yrazˇ nuje kód na základˇe pˇrednastaven´ ych pravidel.Dále je tˇreba pˇripojit metodu na událost TextChanged. V napojené metodˇe mus´ıme zruˇsit vˇsechny pouˇz´ıvané styly danou instanc´ı FastColoredTextbox. Stejné styly se znovu nastav´ı. Na ukázce 7.1 vid´ıme zruˇsen´ı a znovu nastaven´ı stylu. Pro jednoˇra´dkové komentáˇre nastav´ıme volbu hledán´ı regulárn´ıho v´ yrazu v´ıceˇra´dkovˇe. M˚ uˇze se zdát, ˇze bychom mˇeli nastavit volby obrácenˇe a hledat jednoˇra´dkovˇe. Regulárn´ı v´ yraz ale pˇri nastaven´ı volby v´ıceˇra´dkového prohledáván´ı Testuje kaˇzdou ˇrádku zvláˇst’. Znak dolaru máme na konci v´ yrazu, protoˇze hledáme u jednoˇra´dkového komentáˇre konec ˇrádky. U v´ıceˇra´dkového komentáˇre naopak nastav´ıme volbu prohledáván´ı jednoˇra´dkovˇe. Je to proto, ˇze cel´ y text pak bude brát regulárn´ı v´ yraz jako jednu ˇra´dku. Nebude se tedy zastavovat na znac´ıch pro odˇra´dkován´ı. Na ukázce 7.2 vid´ıme nastaven´ı komentáˇre na v´ıce ˇrádek. Nejprve se specifikuje zaˇcátek v´ıceˇra´dkového komentáˇre a nastav´ı se prohledáván´ı celého textu jako by byl jednou ˇrádkou. Následnˇe se specifikuje regulárn´ı v´ yraz pro konec v´ıceˇra´dkového komentáˇre a rovnˇeˇz se hledá v celém textu jako by byl jednou ˇra´dkou. Na rozd´ıl od pˇredchoz´ıho pˇr´ıpadu se hledá zprava doleva. Pro zv´ yraznˇen´ı dalˇs´ıch token˚ u bylo tˇreba nalézt cel´ y v´ yˇcet vˇsech pˇreddefinovan´ ych funkc´ı promˇenn´ ych, kl´ıˇcov´ ych slov a direktiv preprocesoru pro GLSL verzi 4.3. Vzhledem k tomu, ˇze se pouˇz´ıvaj´ı pouze regulárn´ı v´ yrazy,

53



@"\b(gl_NumWorkGroups|gl_WorkGroupSize|gl_WorkGroupID|...)\b";

Tabulka 7.3: Ukázka nastaven´ı z´ yraznˇen´ı vˇsech pˇreddefinovan´ ych promˇenn´ ych nen´ı v ˇzádném pˇr´ıpadˇe zv´ yrazˇ nován´ı zdrojového kódu dokonalé. Nem˚ uˇzeme zv´ yrazˇ novat promˇenné se stejn´ ym jménem v jednom bloku, nem˚ uˇzeme odliˇsovat uˇzivatelsky definované funkce od uˇzivatelsky definovan´ ych promˇenn´ ych atd. Bylo zvoleno, ˇze vˇsechny shadery budou m´ıt stejné zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe. Tento postup byl aplikován kv˚ uli jednoduchosti implementace. Mnoˇzstv´ı pˇreddefinovan´ ych promˇenn´ ych a funkc´ı je pomˇernˇe velké. Regulárn´ı v´ yraz, kter´ y hledá kl´ıˇcová slova, mus´ı obsahovat celou mnoˇzinu kl´ıˇcov´ ych slov. Na ukázce 7.3 vid´ıme, jak´ y zp˚ usobem se vytvoˇr´ı regulárn´ı v´ yraz pro hledán´ı pˇreddefinovan´ ych promˇenn´ ych. Seznam vˇsech promˇenn´ ych, funkc´ı, kl´ıˇcov´ ych slov a preprocesorov´ ych direktiv byl z´ıskán ze specifikace GLSL jazyka verze 4.3 [31].

7.2.1

Vyvol´ an´ı nab´ıdky pro doplˇ nov´ an´ı k´ odu

Doplˇ nován´ı kódu je implementováno stejnˇe jako zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe na principu hledán´ı regulárn´ıch v´ yraz˚ u. Tˇr´ıda AutocompleteMenu má speciáln´ı promˇennou SearchPattern, která obsahuje regulárn´ı v´ yraz pro v´ yˇcet mnoˇziny znak˚ u, které si bude komponenta ukládat do svoj´ı vnitˇrn´ı doˇcasné promˇenné fragment. V pˇr´ıpadˇe, ˇze nap´ıˇseme znak, kter´ y nen´ı ve v´ yˇctu, ukládán´ı do fragmentu se restartuje. Kdyˇz uˇzivatel nap´ıˇse minimálnˇe dva znaky a pˇrestane na chv´ıli psát (nebo pˇrikáˇze vypsán´ı nab´ıdky pro doplˇ nován´ı kódu klávesami SHIFT + mezern´ık), zaˇcne komponenta ze svého seznamu vyb´ırat poloˇzky, které nab´ıdne k doplnˇen´ı. Pˇrednastaven´ y obsah promˇenné SearchPattern pro doplˇ nován´ı C# kódu: @"[\w\.:=!<>]" V´ yznam uvedeného ˇretˇezce je takov´ y, ˇze se maj´ı do fragmentu ukládat znaky slov (p´ısmena, ˇc´ıslice), teˇcky, dvojteˇcky, rovn´ıtka, vykˇriˇcn´ıky a zna54



AutocompleteMenu popupMenu = new AutocompleteMenu(fastColoredTextBox); DynamicCollectionCs items = new DynamicCollectionCs( popupMenu, autoCompleteCs, fastColoredTextBox, prjFile); popupMenu.Items.SetAutocompleteItems(items);

Tabulka 7.4: Ukázka vytvoˇren´ı menu pro doplˇ nován´ı kódu ménka vˇetˇs´ı a menˇs´ı. Speciáln´ı znaky jsou zde proto, ˇze kromˇe promˇenn´ ych ukazuj´ı pˇr´ıklady komponenty FastColoredTexbox pouˇzit´ı pˇri doplˇ nován´ı snipplet˚ u (rychl´ ych ˇca´st´ı kódu, napˇr´ıklad vypsán´ı anotace pro klausule if nebo switch) a vkládán´ı mezer mezi operátory a ˇc´ısla. Pro u ´ˇcely této práce mus´ıme zmˇenit SearchPattern na následuj´ıc´ı: "[\\w\\.\\[\\]\":=!<>]" Zavináˇc, kter´ y v jazyce C# pomáhá vypnout vlastnost zpˇetného lom´ıtka jako escape symbolu nem˚ uˇzeme vyuˇz´ıt. Je nutné pˇridat do ˇretˇezce uvozovky, které se jinak berou jako konec ˇretˇezce. Uvozovky mus´ıme pˇridat proto, aby uˇzivateli editor pohodlnˇe naˇseptával ˇretˇezcové konstanty, které se budou pouˇz´ıvat pˇri vyb´ırán´ı objekt˚ u ze slovn´ık˚ u.

7.2.2

Nastaven´ı dat pro doplˇ nov´ an´ı k´ odu

Vˇsechny ˇretˇezce, které nab´ıdka doplˇ nuje, uloˇz´ıme do ˇc´ıseln´ıku a nastav´ıme tˇr´ıdˇe AutocompleteMenu jako vlastnost Items. Tento ˇc´ıseln´ık se m˚ uˇze dynamicky mˇenit. Abychom mohli doplˇ novat ˇretˇezce a reagovat na zmˇeny v projektu, vytvoˇr´ıme vlastn´ı ˇc´ıseln´ık DynamicCollectionCs. Na ukázce 7.4 je vidˇet jednoduchá posloupnost pˇr´ıkaz˚ u, která vytvoˇr´ı menu doplˇ nuj´ıc´ı kód pro instanci editoru FastColoredTextBox. Objekt typu DynamicCollectionCs poskytuje seznam vˇsech ˇretˇezc˚ u, které se mohou objevit v nab´ıdce. Objekty ProjectFile pˇristupuj´ı k soubor˚ um se zdrojov´ ymi kódy. Promˇenná prjFile v pˇr´ıkladu je instance tˇr´ıdy ProjectFile. Objekt popupMenu je pouˇz´ıván na z´ıskán´ı fragmentu a objekt autoCompleteCs obsahuje uloˇzené nemˇenné pˇrednastavené promˇenné, metody a kl´ıˇcová slova.

55



public class DynamicCollectionCs : IEnumerable { ... public IEnumerator GetEnumerator() { ... foreach (var modelFile in listOfModels) { name = StrinGS.DICT_VAR_MODELs + "[\"" + modelFile.NameWithoutExtension + "\"]"; yield return new DictionaryAutocompleteItem(name); yield return new DictionaryAutocompleteItem( name + StrinGS.CLASS_MODEL_METHOD_DRAW); } ...

Tabulka 7.5: Ukázka vráceného ˇc´ıseln´ıku tˇr´ıdy DynamicCollectionCs Na ukázce 7.5 je vidˇet základn´ı myˇslenka, jak budeme vracet seznam ˇretˇezc˚ u, které chceme doplˇ novat. Platforma .NET nám poskytuje kl´ıˇcové slovo yield. Kdyˇz nepouˇz´ıváme yield a máme metodu, která vrac´ı v´ yˇcet (ˇc´ıseln´ık) hodnot, mus´ıme ˇc´ıseln´ık nejdˇr´ıve vytvoˇrit, pak naplnit a nakonec vrátit. v pˇr´ıpadˇe, ˇze yield pouˇz´ıváme, m˚ uˇzeme vracet poloˇzky ˇc´ıseln´ıku pr˚ ubˇeˇznˇe pomoc´ı yield return. Vrácená hodnota se tak nastav´ı implicitnˇe vytvoˇreného ˇc´ıseln´ıku. V uvedeném pˇr´ıkladˇe vrac´ıme objekt typu DictionaryAutocompleteItem, kter´ y dˇed´ı od tˇr´ıdy MethodAutoCompleteItem poskytované knihovnou dis´ tribuovanou s komponentou FastColoredTextbox. Ukolem objektu DictionaryAutocompleteItem je uloˇzit ˇretˇezec nab´ızen´ y k doplnˇen´ı kódu a zároveˇ n porovnán´ı s aktuáln´ım fragmentem, kter´ y vznikl pˇri psan´ı kódu. Pˇri vyb´ırán´ı poloˇzek, které budou nakonec zobrazeny v seznamu s nab´ızen´ ymi ˇretˇezci, se porovná jiˇz napsan´ y fragment s prvn´ı ˇcást´ı ˇretˇezce v seznamu. Pokud dosud napsan´ y fragment m˚ uˇze pokraˇcovat tak, ˇze sloˇz´ı v´ ysledn´ y ˇreˇ ezce se porovnávaj´ı stantˇezec, tak se tento ˇretˇezec v seznamu ponechá. Retˇ dardn´ımi metodami C# pro práci s ˇretˇezci. Pro zjiˇstˇen´ı, zda ˇretˇezce zaˇc´ınaj´ı stejnˇe, se pouˇz´ıvá metoda StartsWith. Nejsou poskytovány ˇza´dné nástroje pro optimalizaci. 56

8 Online kompilace C# kódu Hlavn´ı funkce, bez které se aplikace neobejde, je moˇznost kompilovat C# kód za bˇehu editoru. Grafická komponenta pro zv´ yrazˇ nován´ı a doplˇ nován´ı kódu pomáhá uˇzivateli s v´ yvojem kódu. Bez moˇznosti zkompilovat a spustit kód je vˇsak nástroj nefunkˇcn´ı. P˚ uvodn´ı pˇredstava byla taková, ˇze skoro veˇsker´ y kompilovan´ y kód bude m´ıt uˇzivatel pˇr´ıstupn´ y k editaci. Tento kód by se objevil ve formˇe nˇekolika metod (napˇr´ıklad metody pro aktualizaci, metody pro vykreslen´ı a podobnˇe). V´ ysledek by se zkompiloval do dll knihovny. Tato knihovna by se naˇcetla, vytvoˇrila by se jej´ı instance v editoru, a tato instance by se pouˇzila k bˇehu vizualizace. Problém zam´ yˇsleného pˇr´ıstupu je ten, ˇze upravovat kód jiˇz bˇeˇz´ıc´ı aplikace nen´ı triviáln´ı problém. Pro doc´ılen´ı tohoto efektu mus´ıme b´ yt schopni zkompilovan´ y kód za bˇehu naˇc´ıst a spustit. Protoˇze se ale bude kód mnohokrát pˇredˇelávat bˇehem v´ yvoje, je nutné pˇredchoz´ı verze kódu odstranit z pamˇeti. Existuje jen jedna moˇznost, jak odstranit z pamˇeti assembly (zkompilovan´ y C# kód ve spustitelné formˇe), které bylo jednou pˇripojeno k bˇeˇz´ıc´ı aplikaci. Je nutné naˇc´ıst assembly do zvláˇstn´ı aplikaˇcn´ı domény, které poskytuje urˇcitou izolaci od ostatn´ıho kódu. Kód v dalˇs´ı vytvoˇrené aplikaˇcn´ı doménˇe se m˚ uˇze spustit nezávisle na kódu v hlavn´ı aplikaˇcn´ı doménˇe. Kdyˇz chceme odstranit starou pˇreloˇzenou verzi programu z pamˇeti, mus´ıme bˇeˇz´ıc´ı pˇreloˇzen´ y program ukonˇcit a pak zruˇsit aplikaˇcn´ı doménu. Je nutné ˇreˇsit dva problémy. Jak vypadá kód, kter´ y chceme kompilovat a jak´ ym zp˚ usobem bude prob´ıhat komunikace mezi hlavn´ı programem (editorem) a vizualizaˇcn´ım programem (vizualizaˇcn´ım oknem).

8.1

N´ avrh zp˚ usobu kompilace

Pro kompilaci kódu pouˇz´ıváme tˇr´ıdu Microsot.CSharp.CSharpCodeProvider. Tato tˇr´ıda nám umoˇzn ˇuje pˇr´ıstup k pˇrekladaˇci. Vytvoˇr´ıme jej´ı instanci, dodáme zdrojové soubory a parametry pˇrekladu pro proveden´ı kompilace. V´ ysledkem kompilace m˚ uˇze b´ yt spustiteln´ y soubor nebo dynamicky linkovaná knihovna. 57

Online kompilace C# kódu

Návrh zp˚ usobu kompilace

public class GlobalVarSetCustom : GlobalVarSet { [DisplayName("Blue Background Color")] public InterfaceVector3 vColor { get; set; } [DisplayName("Matrix Projection")] public InterfaceMatrix4 mProjection { get; set; } [DisplayName("Matrix View")] public InterfaceMatrix4 mView { get; set; } [DisplayName("Matrix Model")] public InterfaceMatrix4 mModel { get; set; } public Init() { this.vColor.Val = new Vector3(0.5f, 0.5f, 0.0f); } }

Tabulka 8.1: Ukázka implementace globáln´ıch promˇenn´ ych V´ ysledná aplikace by nemˇela fungovat tak, ˇze uˇzivatel bude psát veˇsker´ y kód vizualizaˇcn´ıho okna. Vˇetˇsina kódu bude jiˇz napsaná pˇredem. Uˇzivatel bude specifikovat pouze kód dvou tˇr´ıd. Jedna z tˇechto tˇr´ıd implementuje souhrn globáln´ıch promˇenn´ ych, druhá popisuje inicializaci, aktualizaci a vykreslován´ı vizualizace.

8.1.1

Implementace glob´ aln´ıch promˇ enn´ ych

Tˇr´ıda GlobalVarSetCustom obsahuje globáln´ı promˇenné, jejichˇz hodnoty bude uˇzivatel cht´ıt za bˇehu mˇenit bez toho, aby musel mˇenit kód (mˇenit C# implementaci za bˇehu ve v´ ysledné aplikaci nelze). Protoˇze chceme nastavovat nˇekolik typ˚ u globáln´ıch promˇenn´ ych, je nutné poskytnout uˇzivateli nˇejaké aplikaˇcn´ı rozhran´ı, které se postará o pˇr´ıstup k tˇemto promˇenn´ ym. Kompilátor oˇcekává, ˇze tato tˇr´ıda bude m´ıt promˇenné dostupné pˇres vlastnosti a konstruktor, kter´ y vˇsechny promˇenné inicializuje. Na ukázce 8.1 je vidˇet implementace tˇr´ıdy GlobalVarSetCustom. Tˇr´ıda, kterou bude uˇzivatel takto implementovat, mus´ı dˇedit od tˇr´ıdy GlobalVarSet. 58



Rodiˇcovská tˇr´ıda má automatick´ y konstruktor, kter´ y vytvoˇr´ı instance objekt˚ u pro vˇsechny uˇzivatelem deklarované vlastnosti. Pro inicializaci objekt˚ u, které ani nemá rodiˇcovská tˇr´ıda v sobˇe definované se pouˇz´ıvá System.Reflection. Instance tˇr´ıdy GlobalVarSetCustom se nastav´ı jako zdroj komponenty PropertyGrid, která se pak pouˇz´ıvá pro nastavován´ı hodnot promˇenn´ ych za bˇehu programu. Existuje nˇekolik tˇr´ıd, které jsou pˇripraveny pro pouˇzit´ı s komponentou PropertyGrid. Tyto tˇr´ıdy v sobˇe obsahuj´ı data v podobˇe OpenTK struktur. Jména tˇechto tˇr´ıd skládaj´ı ze slova Interface a datového typu, kter´ y tˇr´ıda obaluje. Kaˇzdá tˇr´ıda pak má jeden veˇrejn´ y atribut Val. Název tˇr´ıdy napov´ıdá o tom, jakého je atribut datového typu. Existuje nˇekolik tˇr´ıd, které obaluj´ı primitivn´ı datové typy nebo struktury OpenTK. Jsou to tˇr´ıdy pro obalen´ı ˇc´ısel float, double, integer a pro obalen´ı vektor˚ u a matic. Vˇetˇsina z tˇechto tˇr´ıd má tˇri konstruktory. Jeden prázdn´ y, kter´ y inicializuje strukturu nebo jednoduch´ y datov´ y typ na nulové hodnoty. Dalˇs´ı konstruktor pˇrij´ımá ˇca´rkami oddˇelené hodnoty ˇc´ısel, která jsou pouˇzita na inicializaci struktur. Matice a vektory pˇrij´ımaj´ı jako datové typy pouze ˇc´ısla float. Matice a vektory maj´ı jeˇstˇe tˇret´ı konstruktor, do kterého m˚ uˇzeme vloˇzit rovnou celou OpenTK strukturu, dle typu tˇr´ıdy.

8.1.2

Implementace vizualizaˇ cn´ı smyˇ cky

Tˇr´ıda VisualizationModulCustom dˇed´ı od tˇr´ıdy VisualizationModul. v rodiˇcovské tˇr´ıdˇe je definováno mnoho chránˇen´ ych atribut˚ u, ke kter´ ym má uˇzivatel pˇri implementaci pˇr´ıstup: • instance tˇr´ıdy s globáln´ımi promˇenn´ ymi globalVarSet, popsaná v´ yˇse • slovn´ıky (System.Collections.Generic.Dictionary) – shaderPrograms – hotové programy obsahuj´ıc´ı zkompilované a pˇripravené shadery – models – modely, které bude aplikace vykreslovat – textures – textury, které jsou jiˇz nahrané na grafickou kartu • ˇcasy pro animaˇcn´ı smyˇcku 59



– elepsedMilliseconds – celkov´ y ˇcas od startu vizualizace v milisekundách – elapsedSeconds – celkov´ y ˇcas od startu vizualizace v sekundách – elapsedMinuTES – celkov´ y ˇcas od startu vizualizace v minutách • azimuth – azimut vypoˇcten´ y z taˇzen´ı myˇsi se stisknut´ ym lev´ ym tlaˇc´ıtkem • zenith – zenith vypoˇcten´ y z taˇzen´ı myˇsi se stisknut´ ym lev´ ym tlaˇc´ıtkem • screenWidth – ˇs´ıˇrka zobrazovac´ı plochy komponenty glControl • screenHeight – v´ yˇska zobrazovac´ı plochy komponenty glContorl • near – oˇrezávac´ı rovina near nastavovaná ze speciáln´ı komponenty na vizualizaˇcn´ım oknˇe • far – oˇrezávac´ı rovina far nastavovaná ze speciáln´ı komponenty na vizualizaˇcn´ım oknˇe • distance – vzdálenost objekt˚ u od kamery nastavovaná ze speciáln´ı komponenty na vizualizaˇcn´ım oknˇe • size – velikost objekt˚ u nastavovaná koleˇckem myˇsi • loopUpdateAllowed – povolen´ı aktualizace metody LeepUpdatenastavováno zaˇskrtávac´ım pol´ıˇckem na vizualizaˇcn´ım oknˇe Slovn´ıky jsou naplnˇeny pˇripraven´ ymi objekty. K tˇemto objekt˚ um m˚ uˇzeme pˇristoupit pomoc´ı ˇretˇezcov´ ych kl´ıˇc˚ u. Kaˇzd´ y objekt je ve slovn´ıku uloˇzen pod stejn´ ym jménem, pod jak´ ym jménem je jeho zdroj uveden v editoru. U textur a model˚ u se jedná o názvy soubor˚ u. U program˚ u se jedná o názvy program˚ u uloˇzen´ ych v nastaven´ı projektu. Mnoho promˇenn´ ych se nastavuje automaticky pˇri aktualizaci, která nastane pˇri manipulaci s uˇzivatelsk´ ym rozhran´ım. Promˇenné jsou pojmenovány podle jejich zam´ yˇsleného uˇzit´ı. Nikdo vˇsak uˇzivatele nedonut´ı pouˇz´ıvat napˇr´ıklad promˇenné pro azimut a zenit. Tyto atributy byly pouze vybrány jako nejˇcastˇejˇs´ı potˇrebné pˇri jakékoliv vizualizaci. Nˇekteré z promˇenn´ ych je pˇr´ıhodnˇejˇs´ı nastavovat speciáln´ım zp˚ usobem, m´ısto nastavován´ı vˇsech v komponentˇe PropertyGrid. Napˇr´ıklad otáˇcen´ı modelu taˇzen´ım myˇsi je mnohem pˇr´ıjemnˇejˇs´ı neˇz psan´ı ˇc´ıseln´ ych hodnot do r˚ uzn´ ych pol´ı transformaˇcn´ıch matic zobrazen´ ych v komponentˇe PropertyGrid. 60



Vˇetˇsina ze zm´ınˇen´ ych atribut˚ u je nastavována pouze pˇri uˇzivatelském vstupu. Aktualizace probˇehne, pokud uˇzivatel zadá na klávesnici ˇc´ıselné hodnoty do pˇripraven´ ych komponent, pokud táhne myˇs´ı se stisknut´ ym lev´ ym tlaˇc´ıtkem nad komponentou pro zobrazen´ı vizualizace, pokud roztáhne okno, pokud klikne na ˇsipku u komponent NumericUpDown nebo pokud roluje koleˇckem myˇsi. Uplynul´ y ˇcas aplikace je jediná informace, která se aktualizuje zvláˇst’ kaˇzd´ y sn´ımek. Uˇzivatel m˚ uˇze pˇret´ıˇzit následuj´ıc´ı metody: • Init – nastaven´ı jak´ ychkoliv promˇenn´ ych pˇri inicializaci; aktualizace slovn´ık˚ u a globáln´ıch promˇenn´ ych prob´ıhá automaticky pˇred zavolán´ım této metody • InputUpdate –aktualizace promˇenn´ ych ze vstup˚ u; probˇehne aˇz po aktualizaci chránˇen´ ych atribut˚ u tˇr´ıdy z uˇzivatelského rozhran´ı • LoopUpdate – implementace aktualizace promˇenn´ ych pˇri animaci závislé na ˇcase; probˇehne kaˇzd´ y sn´ımek po tom, co se aktualizuj´ı chránˇené promˇenné pro ˇcas; z uˇzivatelského rozhran´ı (nebo i programovˇe) lze volán´ı této metody zakázat • Render – implementace vykreslen´ı na plochu komponenty glControl; prob´ıhá kaˇzd´ y sn´ımek, nelze zakázat Pokud v kterékoliv z tˇechto metod vznikne v´ yjimka, je odchycena ve fixn´ım kódu, kter´ y vyjmenované metody volá. D˚ uvodem popsaného chován´ı je, ˇze uˇzivatel by mohl napsat kód, kter´ y skonˇc´ı v´ yjimkou v kaˇzdém sn´ımku. Kdyby se vykreslován´ı nezastavilo, zaplavil by se log v´ ypisy v´ yjimek. Jediná moˇznost jak v pˇr´ıpadˇe v´ yjimky pokraˇcovat je restartovat vizualizaˇcn´ı okno nebo nahrát znovu zdroje. Pokud je ale v´ yjimka zp˚ usobena nˇeˇc´ım jin´ ym neˇz chybˇej´ıc´ımi zdroji, nastane pravdˇepodobnˇe znovu.

8.1.3

Zmˇ ena hodnot uniform promˇ enn´ ych za bˇ ehu vizualizace

Protoˇze zmˇenou nastaven´ı globáln´ıch hodnot mˇen´ıme zdrojov´ y kód vizualizaˇcn´ıho okna, nem˚ uˇzeme na seznam globáln´ıch hodnot napojit ˇzádnou komponentu v editoru. M´ısto toho se hodnoty globáln´ıch promˇenn´ ych mˇen´ı 61



v komponentˇe, která se nacház´ı na zkompilovaném a spuˇstˇeném vizualizaˇcn´ım oknˇe. Pro nastavován´ı uniform promˇenn´ ych mus´ı uˇzivatel napsat kód v C# pouˇzit´ım metod OpenTK. Pokud nechce pouˇz´ıvat animace, bude tento kód psát pouze do metody InputUpdate. Pokud chce aktualizaci v závislosti na ˇcase, bude muset tento kód napsat do metody LoopUpdate. Pokud chce uˇzivatel kód napsat tak, aby mohl hodnoty uniform promˇenn´ ych mˇenit za bˇehu vizualizace, mus´ı z´ıskávat data pro nastaven´ı uniform promˇenn´ ych z objektu globalVarSet. Kdyˇz se uˇzivatel rozhodne, ˇze se tyto promˇenné zobrazované v komponentˇe PropertyGrid budou aktualizovat na základˇe chránˇen´ ych promˇenn´ ych tˇr´ıdy VisualizationModul v kaˇzdém sn´ımku, pak jsou tyto promˇenné prakticky zobrazeny pouze pro ˇcten´ı. Pokud uˇzivatel uprav´ı jejich hodnoty, tak se v dalˇs´ım sn´ımku aktualizuj´ı na základˇe kódu, kter´ y napsal sám uˇzivatel. Uˇzivatel si tedy mus´ı dávat pozor na to, kdy a jak´ ym zp˚ usobem se mˇen´ı hodnoty globáln´ıch promˇenn´ ych. Nav´ıc zde existuje moˇznost vypnout volán´ı metody LoopUpdate, aby mohl uˇzivatel mˇenit za bˇehu i promˇenné, které se sami ve smyˇcce automaticky aktualizuj´ı na základˇe jin´ ych hodnot.

62

9 Komunikace s vizualizaˇcn´ım oknem Uˇzivatel bude bˇehem jednoho bˇehu nástroje editoru GLSL potˇrebovat nˇekolikrát zdrojov´ y kód upravit, nˇekolikrát jej zkompilovat a nˇekolikrát jej naˇc´ıst a vyuˇz´ıt. Platforma .NET sice dokáˇze dynamicky naˇc´ıtat knihovny v rámci jedné aplikaˇcn´ı domény bˇehem bˇehu aplikace, nedokáˇze vˇsak tyto naˇctené knihovny bˇehem bˇehu aplikace uvolˇ novat z pamˇeti stejné aplikaˇcn´ı domény. Pokud by uˇzivatel mnohokrát zkompiloval cel´ y projekt i tˇreba s mal´ ymi zmˇenami, po kaˇzdé by vytvoˇril novou dynamicky linkovanou knihovnu, kterou by naˇcetl do aplikace a jej´ı pamˇet’ová nároˇcnost by se nekoneˇcnˇe zvyˇsovala. Nav´ıc takováto knihovna by se uloˇzila na disk a byla by zamˇcená – chránˇená proti pˇrepsán´ı nebo smazán´ı. Pokud chceme, abychom mohli nˇejakou dobu vykonávat urˇcit´ y kód a po libovolné dobˇe pˇrestat kód pouˇz´ıvat a odstranit jej z pamˇeti, mus´ıme pouˇz´ıt tˇr´ıdu System.AppDomain. Kromˇe stávaj´ıc´ı aplikaˇcn´ı domény, ve které bˇeˇz´ı editor, vytvoˇr´ıme novou aplikaˇcn´ı doménu, ve které bude bˇeˇzet pouze vizualizaˇcn´ı okno.

9.1

Tˇ r´ıda AppDomain

Jin´ ym zp˚ usobem, neˇz uˇz´ıván´ım aplikaˇcn´ıch domén, nen´ı moˇzné uvolˇ novat z pamˇeti jednotlivé assembly nebo definice typ˚ u. Veˇsker´ y kód, jehoˇz assembly chceme uvolnit, se mus´ı nacházet uvnitˇr aplikaˇcn´ı domény a zároveˇ n mus´ı bˇeˇzet uvnitˇr aplikaˇcn´ı domény. Pokud vytvoˇr´ıme v rámci jedné aplikaˇcn´ı domény instanci urˇcitého typu, nem˚ uˇzeme definici této instance dostat z pamˇeti jin´ ym zp˚ usobem neˇz zruˇsen´ım celé aplikaˇcn´ı domény. Pokud vytvoˇr´ıme novou aplikaˇcn´ı doménu, vytvoˇr´ıme urˇcitou izolaci, která nám oddˇeluje novˇe vytvoˇren´ y typ od hlavn´ı aplikace, ale zároveˇ n stále umoˇzn ˇuje urˇcitou u ´roveˇ n interakce[23]. Nˇekdy m˚ uˇze b´ yt problémem garbage collector, kter´ y uvoln´ı z pamˇeti stále jeˇstˇe pouˇz´ıvané objekty pˇri vzdálené komunikaci. Po urˇcité dobˇe se uvoln´ı z pamˇeti objekty server˚ u. Aplikace, která s t´ımto chován´ım nepoˇc´ıtá, pak skonˇc´ı na v´ yjimce. U aplikac´ı se vzdálen´ ym pˇr´ıstupem se poˇc´ıtá s t´ım, ˇze m˚ uˇze b´ yt vytvoˇreno obrovské mnoˇzstv´ı klient˚ u. Zde je tradiˇcn´ı garbage collector nahrazen systémem, kter´ y uvolˇ nuje objekty po urˇcitém ˇcase. v na63

Komunikace s vizualizaˇcn´ım oknem

Výhody uˇz´ıván´ı aplikaˇcn´ıch domén

ˇsem pˇr´ıpadˇe ale poˇc´ıtáme s aplikac´ı, která bude m´ıt pouze jednoho klienta za jak´ ychkoliv okolnost´ı. z toho d˚ uvodu m˚ uˇzeme problém vyˇreˇsit jednoduch´ ym pˇret´ıˇzen´ım metody GetLifetimeService. Toto je metoda tˇr´ıdy, která dˇed´ı od MarshalByRefObject. v naˇsem pˇr´ıpadˇe je to formuláˇr. Pokud pˇret´ıˇz´ıme metodu tak, aby m´ısto objektu vrátila null, nebude ˇzádn´ y objekt pro vzdálenou komunikaci z pamˇeti vymazán [25].

9.2

V´ yhody uˇ z´ıv´ an´ı aplikaˇ cn´ıch dom´ en

Hlavn´ı v´ yhodou je hlavnˇe jiˇz dˇr´ıve zm´ınˇená moˇznost uvolnˇen´ı pouˇzit´ ych assembly z pamˇeti. Na rozd´ıl od komunikace mezi procesy poskytuje pouˇz´ıván´ı aplikaˇcn´ıch domén prostˇredek ke komunikaci na vyˇsˇs´ı u ´rovni. Data m˚ uˇzeme serializovat a pos´ılat do druhé aplikaˇcn´ı domény. Aplikace bˇeˇz´ıc´ı v jiné doménˇe se dá zastavit bez toho, aby toto ovlivnilo cel´ y proces. Chyby v jedné aplikaci nemohou ovlivˇ novat druhé aplikace. Kód bˇeˇz´ıc´ı v jedné doménˇe nem˚ uˇze ovlivnit jiné domény ve stejném procesu, co se t´ yˇce chyb v pamˇeti. Pokud uˇzivatelsk´ y kód bude zp˚ usobovat chyby s pamˇet´ı (neuvolnˇené objekty, pˇr´ıstup na nepovolená m´ısta v pamˇeti d´ıky vyuˇz´ıván´ı chybn´ ych ukazatel˚ u pˇri pouˇz´ıván´ı OpenGL funkc´ı), hlavn´ı aplikace editoru by mˇela v poˇra´dku pokraˇcovat. Pˇri problémech staˇc´ı pouze restartovat vizualizaˇcn´ı okno. Kód, kter´ y bˇeˇz´ı v jedné doménˇe, nem˚ uˇze pˇr´ımo pˇristupovat ke kódu ani zdroj˚ um druhé domény. Nelze pouˇz´ıvat pˇr´ımá volán´ı mezi objekty. Objekty, které se pos´ılaj´ı mezi doménami, jsou kop´ırovány nebo je k nim pˇristupováno pˇres proxy. Pokud je objekt zkop´ırován, veˇsker´ y pˇr´ıstup k nˇemu je pouze lokáln´ı. Pokud je k objektu pˇristupováno pˇres proxy, pouˇz´ıvaj´ı se vzdálená volán´ı na objekt. V takovém pˇr´ıpadˇe je objekt v jiné doménˇe neˇz ten, kdo ho volá. Aplikace v hlavn´ı doménˇe m˚ uˇze udˇelovat oprávnˇen´ı, s jak´ ymi bude kód v druhotné doménˇe bˇeˇzet.

9.3

N´ avrh komunikaˇ cn´ıho rozhran´ı

Pˇri pouˇz´ıván´ı aplikaˇcn´ıch domén m˚ uˇzeme vyuˇz´ıt dvou zp˚ usob˚ u komunikace: 64


Návrh komunikaˇcn´ıho rozhran´ı

• nastaven´ım dat do aplikaˇcn´ı domény funkc´ı SetData() a následn´ ym z´ıskán´ım dat v druhé doménˇe pˇristoupen´ım k objektu domény a zavolán´ım metody GetData() • pouˇzit´ım tˇr´ıd, které implementuj´ı MarshalByRefObject Prvn´ı zp˚ usob pos´ılán´ı dat nastav´ı data, ale aplikace bˇeˇz´ıc´ı v druhé doménˇe nez´ıská ˇza´dné upozornˇen´ı, ˇze data byla poslána. Pˇr´ıhodnˇejˇs´ı je vyuˇz´ıván´ı implementace tˇr´ıdy MarshalByRefObject, d´ıky ˇcemuˇz m˚ uˇzeme vyuˇz´ıvat vzdálená volán´ı na objektech v jiné doménˇe. Dá se vyuˇz´ıt toho, ˇze tˇr´ıda Form pro vytváˇren´ı formuláˇr˚ u jiˇz implementuje MarshalByRefObject. Zde se bohuˇzel nacház´ı problém.Nen´ı vˇzdy bezpeˇcné pouˇz´ıvat vzdálen´ y pˇr´ıstup na objekty, které maj´ı sloˇzité uˇzivatelské rozhran´ı, jako jsou právˇe formuláˇre. Ve v´ ysledné aplikaci je na vizualizaˇcn´ım oknˇe znaˇcné mnoˇzstv´ı komponent, coˇz jeˇstˇe potvrzuje nutnost ˇreˇsit tento problém. Nestaˇc´ı, ˇze je formuláˇr potomek tˇr´ıdy pro komponentu, která dˇed´ı od MarshalByRefObject. Nen´ı totiˇz podporován vztah rodiˇc/potomek mezi doménami. Rozhran´ı, která pracuj´ı s formuláˇrem, mohou b´ yt u ´spˇeˇsnˇe pouˇzita pro vzdálen´ y pˇr´ıstup, ale API takovéto komponenty vzdálen´ y pˇr´ıstup neumoˇzn ˇuje. Pokud si v´ yvojáˇr tuto skuteˇcnost neuvˇedom´ı, m˚ uˇze pˇri v´ yvoji narazit na v´ yjimky pˇri serializaci [24]. Zp˚ usob, jak ˇreˇsit popsan´ y problém je vˇzdy pouˇz´ıt rozhran´ı. Formuláˇr (vizualizaˇcn´ı okno) bude implementovat rozhran´ı pro manipulaci s oknem. Pˇri vytváˇren´ı proxy objektu nebudeme pˇretypovávat objekt na Form, ale na rozhran´ı, které Form implementuje. Rozhran´ı pro komunikaci specifikuje následuj´ıc´ı metody: • ShowWindow – zobraz okno • CloseWindow – zavˇri okno • SetTexture – nastav texturu • SetShader – nastav shader • SetMesh – nastav model • SetShaderProgram – nastav program • InitializationFinished – oznam, ˇze inicializace byla dokonˇcena 65



• SetCloseDelegate – nastav´ı delegát pro oznámen´ı o zavˇren´ı vizualizaˇcn´ıho okna • SetLogDelegate – nastav´ı delegát pro poslán´ı zpráv z vizualizaˇcn´ıho okna • SetErrorLineDelegate – nastav´ı delegát pro pos´ılán´ı chyb vznikl´ ych pˇri kompilaci GLSL kódu (poˇsle zprávu o chybˇe, soubor a ˇra´dku ve které vznikla) Metoda na zobrazen´ı okna má vyvolat stejnou událost, jakou by vyvolala stejnˇe pojmenovaná metoda u formuláˇre. Stejné je to i u zavˇren´ı okna. Nastaven´ı zdroj˚ u pos´ılá vizualizaˇcn´ımu oknu data pro následné zobrazen´ı. Data mus´ı b´ yt jednoduché datové typy, nebo objekty, které maj´ı nastaven´ y atribut Serializable. Metoda pro oznámen´ı, ˇze vˇsechny zdroje jiˇz byly nahrány, je nutná, protoˇze vizualizaˇcn´ı okno mus´ı vˇedˇet, ve kterou chv´ıli jsou jiˇz vˇsechny zdroje pˇr´ıtomny. Pokud by se pokusilo inicializovat (nebo obnovit) inicializaci dˇr´ıve, neˇz se nahraj´ı vˇsechny zdroje, nastala by chyba. v takovém pˇr´ıpadˇe by se vˇsechny zdroje stejnˇe museli nahrát znovu. Pˇr´ıpadnˇe by se muselo okno restartovat. Pˇri prvn´ım spuˇstˇen´ı se nejdˇr´ıv nastav´ı vˇsechny zdroje, pak se zavolá InitializationFinished a aˇz po té se zavolá metoda pro zobrazen´ı formuláˇre. Pokud se metody SetTexture, SetShader nebo SetMesh zavolaj´ı bˇehem doby, kdy je okno zobrazeno, nastav´ı se pˇr´ıznak, ˇze jsou dostupné nové zdroje. Ve chv´ıli, kdy se zavolá metoda InitializationFinished je vykreslován´ı pozastavené do té doby, dokud nejsou vˇsechny zdroje naˇcteny. Jakmile jsou zdroje naˇcteny, zpracovány a pˇridány do slovn´ık˚ u objekt˚ u, vykreslován´ı se opˇet spust´ı. Je nutno poznamenat, ˇze pˇri jednom bˇehu okna nen´ı moˇzné mˇenit kód vizualizaˇcn´ı smyˇcky, jej´ı inicializace ani ˇza´dné jiné metody ˇci deklarace v C# jazyku. z tohoto d˚ uvodu je naprosto nutné, aby pˇr´ıpadné zmˇeny v datech byly pouze zmˇeny obsahu a nikoliv zmˇeny v rozhran´ı. T´ım se mysl´ı, ˇze uˇzivatel nesm´ı pˇrejmenovávat shadery, programy ani modely, nesm´ı ruˇsit uniform promˇenné, nem˚ uˇze oˇcekávat, ˇze po vytvoˇren´ı nov´ ych promˇenn´ ych se aktualizuje rozhran´ı na jejich editaci atd. Pokud chce uˇzivatel provést zmˇeny v C# implementaci, mus´ı restartovat okno vizualizace.

66



Metody SetCloseDelegate, SetLogDelegate, a SetErrorLineDelegate nastav´ı delegát, kter´ y se dá pouˇz´ıvat pro zpˇetnou komunikaci mezi vizualizaˇcn´ım oknem a editorem. Editor si vytvoˇr´ı delegát, kter´ y bude po zavolán´ı vykonávat urˇcitou ˇcinnost. Tento delegát se poˇsle vizualizaˇcn´ımu oknu pˇri vytváˇren´ı okna. Vizualizaˇcn´ı okno pak delegát m˚ uˇze zavolat a t´ım spust´ı událost v editoru. M˚ uˇzeme rovnˇeˇz pos´ılat parametry s hodnotami. Plat´ı zde znovu pˇrirozen´ y pˇredpoklad, ˇze parametry budou jednoduché datové typy nebo instance tˇr´ıd s atributem Serializable.

67

10 Správa zdroj˚ u Editor bude obsahovat podporu pro tˇri typy zdroj˚ u – shadery, 3D modely a textury. Správa kódu shader˚ u jiˇz byla vysvˇetlena v pˇredcházej´ıc´ıch kapitolách o editorech zdrojového kódu. Dále bude uveden zp˚ usob zpracován´ı soubor˚ u, do kter´ ych se zdroje ukládaj´ı.

10.1

Syst´ em projekt˚ u

Pro vytvoˇren´ı jakéhokoliv efektu mus´ı uˇzivatel spravovat nˇekolik soubor˚ u najednou. Vˇsechny soubory, které uˇzivatel potˇrebuje na vytvoˇren´ı jedné vizualizace, se ukládaj´ı do projektu. Projekt obsahuje souhrn vˇsech uˇzivatelsk´ ych zdrojov´ ych kód˚ u (GLSL i C# soubor˚ u), textur a model˚ u. Dalˇs´ı informaci, kterou v projektu potˇrebujeme uloˇzit, ale nenáleˇz´ı logicky ˇzádnému z uveden´ ych zdroj˚ u, uloˇz´ıme do vlastnost´ı projektu. Ve vlastnostech projektu je uloˇzen seznam program˚ u a seznam referenc´ı. Seznam program˚ u obsahuje shadery, ze kter´ ych se programy skládaj´ı. Nav´ıc obsahuje seznam atribut˚ u pro dan´ y program, které vstupuj´ı do vertex shaderu. Kaˇzdá poloˇzka v seznamu má ˇretˇezcov´ y název a celoˇc´ıseln´ y index, na kter´ y je atribut navázán. Kdyˇz se pos´ılá informace o programech do vizualizaˇcn´ıho okna, okno nastav´ı indexy atribut˚ u podle uloˇzen´ ych záznam˚ u v seznamu. Uˇzivatel samozˇrejmˇe m˚ uˇze stejnou informaci napsat do zdrojového kódu vertex shaderu pomoc´ı layout kvalifikátoru, jak je uvedeno v teoretické ˇcást (kapitola 2.2.5). Reference potˇrebuje projekt pro kompilaci zdrojov´ ych kód˚ u. Standardn´ı reference odkazuj´ı na systémové knihovny a na knihovny OpenTK. Uˇzivateli je umoˇznˇeno pˇridávat reference na jiné dalˇs´ı knihovny.

10.2

Naˇ c´ıt´ an´ı textur

Editor podporuje pouze naˇc´ıtán´ı dvourozmˇern´ ych textur. Textury jsou naˇc´ıtány v podobˇe obrázk˚ u. Editor dokáˇze obrázky pouze zobrazovat, nedokáˇze 68

Správa zdroj˚ u

Naˇc´ıtán´ı a pouˇz´ıván´ı 3D model˚ u

je upravovat. Obrázky se mezi aplikaˇcn´ımi doménami nedaj´ı pos´ılat jako objekt tˇr´ıdy Bitmap [30]. Pokud otevˇreme obrázek na disku a naˇcteme jej do objektu Bitmap, existuje zde propojen´ı mezi daty na disku a mezi objektem v pamˇeti. Cel´ y obrázek se nekop´ıruje do pamˇeti, protoˇze by mohl zabrat pˇr´ıliˇs m´ısta. Bitmapy, které se pos´ılaj´ı vizualizaˇcn´ımu oknu, se pˇrevedou na pole byt˚ u, které se následnˇe dá serializovat. Vizualizaˇcn´ı okno si opˇet vytvoˇr´ı bitmapu z doˇsl´ ych dat. Aby textury nezabraly pˇr´ıliˇs mnoho pamˇeti, tak se po inicializaci vizualizace nahraj´ı na grafickou kartu a smaˇzou se z operaˇcn´ı pamˇeti. Kaˇzdá textura je pak pˇr´ıtomna v kódu vizualizace jen jednou, i kdyˇz ji pouˇz´ıvaj´ı r˚ uzné programy. Na ukázce 10.1 je vidˇet nastaven´ı textury pro program SP1. Program SP1 vyuˇz´ıvá tuto texturu na pozici TextureUnit.Texture0. Pro pouˇzit´ı ji mus´ıme pˇred vykreslen´ım objektu navázat na stav OpenGL pro program SP1. Kdyˇz chce uˇzivatel pro jeden program pouˇz´ıt nˇekolik textur, mus´ı pˇred vykreslen´ım vˇsechny potˇrebné textury navázat na OpenGL. Kaˇzdou texturu mus´ı navázat pod jin´ ym indexem. OpenTK verze 1.1 dovoluje nastavit textury TextureUnit.Texture0 aˇz TextureUnit.Texture31. textures["scales"].SetShaderProgramUniform(shaderPrograms["SP1"], "scales", TextureUnit.Texture0); ... textures["scales"].Bind(shaderPrograms["SP1"]);

Tabulka 10.1: Ukázka nastaven´ı textury

10.3

Naˇ c´ıt´ an´ı a pouˇ z´ıv´ an´ı 3D model˚ u

Správa model˚ u souvis´ı se správou shader˚ u. Kdyˇz potˇrebujeme vykreslit 3D model na scénˇe pomoc´ı nˇekterého efektu, mus´ıme propojit atributy programu s atributy modelu. Bud’ bude m´ıt vextex shaderpro kaˇzd´ y vstupn´ı atribut kvalifikátory zarovnán´ı, nebo uloˇz´ıme informaci zvláˇst’ do programu pomoc´ı grafického rozhran´ı. Aby mohly m´ıt 3D modely propojené atributy s atributy shader˚ u, je 69

Správa zdroj˚ u


vhodné ukládat index atribut˚ u modelu do samotného souboru s modelem. V takovém pˇr´ıpadˇe nen´ı nutné ukládat tuto informaci nˇekam stranou do zvláˇstn´ıho souboru s nastaven´ım model˚ u a m˚ uˇzeme spravovat jedin´ y soubor. Existuj´ıc´ı formáty pro 3D modely ale nebudou podporovat ukládán´ı této dodateˇcné informace. Pokud vˇsak nechceme, aby byla vizualizace model˚ u specifická pouze na implementovan´ y nástroj, je vhodné pouˇz´ıt nˇekter´ y z existuj´ıc´ıch a pouˇz´ıvan´ ych formát˚ u pro 3D polygonáln´ı modely. Nejv´ yhodnˇejˇs´ı se jevilo pouˇz´ıt formát collada, protoˇze se ukládá ve formátu XML. Platforma .NET umoˇzn ˇuje jednoduché naˇc´ıtán´ı XML soubor˚ u. Formát collada má ale velmi sloˇzitou strukturu. Dokáˇze ukládat velké mnoˇzstv´ı vlastnost´ı, které se v implementované aplikaci nevyuˇzij´ı a nem˚ uˇze jednoduˇse uloˇzit informaci o indexu atribut˚ u. Pracovat s objektem, takového typu, kter´ y by v pamˇeti uchovával vˇsechny informace ze souboru collada je pl´ ytván´ı pamˇet´ı. Z toho d˚ uvodu byl zaveden jednoduch´ y vnitˇrn´ı formát model˚ u. Formát má pˇr´ıponu rsm (render shader model). Objekt obsahuj´ıc´ı data ve formátu rsm pouˇz´ıvá editor i vizualizaˇcn´ı okno. z toho d˚ uvodu je jeho implementace souˇcást´ı knihovny Interfaces, která je zodpovˇedná za komunikaci mezi editorem a vizualizaˇcn´ım oknem. Aplikace um´ı upravovat hodnoty objektu formátu rsm v editoru a zároveˇ n um´ı pouˇz´ıt instanci objektu rsm formátu pˇr´ımo ve vizualizaˇcn´ım oknˇe pro vykreslen´ı modelu. Pouˇzit´ı vnitˇrn´ıho formátu má tu v´ yhodu, ˇze pˇri pˇr´ıpadné implementaci naˇc´ıtán´ı z dalˇs´ıch formát˚ u bude pˇr´ıtomna jednotná reprezentace model˚ u.

10.3.1

Popis vnitˇ rn´ıho form´ atu rsm

Formát rsm má omezenˇejˇs´ı vlastnosti neˇz formát collada. Byl navrˇzen tak, aby neobsahoval ˇza´dné jiné informace neˇz popis geometrie a aby vyuˇz´ıval technologie .NET (export do xml, nastavován´ı jeho hodnot pomoc´ı komponenty PropertyGrid a serializaci). Zároveˇ n byl navrˇzen tak, aby uˇzivatel, kter´ y bude pouˇz´ıvat editor GLSL byl schopn´ y jej intuitivnˇe pouˇz´ıvat v programovém kódu. Kaˇzd´ y rsm model obsahuje následuj´ıc´ı: • seznam atribut˚ u

70

Správa zdroj˚ u


– jméno (ˇretˇezcová promˇenná, sémantická informace o druhu atributu) – seznam parametr˚ u (seznam ˇretˇezcov´ ych jmen parametr˚ u, napˇr´ıklad X, Y, Z) – index pro svázán´ı s atributem shaderu (ˇc´ıslo, které vyuˇz´ıvá prvn´ı fáze grafického ˇretˇezce – vertex fetch) – index pro svázán´ı s OpenGL bufferem pˇri vykreslován´ı • pole index˚ u • typ primitiva Model rsm, v jehoˇz seznamu atribut˚ u se ˇza´dn´ y atribut nenacház´ı, je stále validn´ı. Soubor s prázdn´ ym seznamem atribut˚ u ale nem˚ uˇze popisovat ˇzádn´ y polygonáln´ı model. Pˇredpokládá se, ˇze hodnoty v pol´ıch atribut˚ u jsou vˇzdy ˇc´ısla s pohyblivou ˇrádovou ˇca´rkou typu float. Pole index˚ u je vˇzdy pole cel´ ych nezáporn´ ych ˇc´ısel typu uint. Formát rsm m˚ uˇze pouze uchovat jednu geometrii. Nem˚ uˇze v sobˇe uchovávat v´ıce ˇca´st´ı. Pˇredpokládá se, ˇze jeho atributy jsou vˇzdy hodnoty jeho pole vrchol˚ u. Poˇcet hodnot v poli lomeno poˇctem parametr˚ u kaˇzdého atributu mus´ı dávat konstantn´ı hodnotu. Standardnˇe bude v seznamu atribut˚ u nejménˇe jedno pole float ˇc´ısel, které urˇcuje pozice vrchol˚ u. Na rozd´ıl od formátu collada je vnitˇrn´ı formát pomˇernˇe nároˇcn´ y na velikost uloˇzené souboru. Kaˇzdé float ˇc´ıslo ukládá do souboru zvláˇst’ mezi dvojici tag˚ u, které udávaj´ı jeho typ. Jako vlastnost to m˚ uˇze b´ yt nepˇr´ıjemné pˇri ukládán´ı vˇetˇs´ıch model˚ u. Efektivita vykreslován´ı ani nároˇcnost na pamˇet’ ale ovlivnˇena nen´ı, protoˇze tato vlastnost se t´ yká pouze textového xml souboru na disku. Formát XML souboru je navrˇzen kv˚ uli standardn´ımu chován´ı tˇr´ıdy XmlSerializer a snadnému uloˇzen´ı. Ve chv´ıli, kdy je objekt naˇcten do pamˇeti, nen´ı v n´ı uchovávána ˇzádná redundantn´ı informace.

Pˇ r´ıklad Máme 10 vrchol˚ u, které maj´ı tˇri souˇradnice X, Y, z a zároveˇ n maj´ı texturovac´ı souˇradnice U a V. Uloˇzen´ y model bude m´ıt právˇe dva atributy v seznamu atribut˚ u (standardnˇe pojmenované POSITION a TEXCOORD, ale mohou m´ıt libovolná ˇretˇezcová jména). Prvn´ı atribut pro pozici bude m´ıt pˇriˇrazen 71

Správa zdroj˚ u


jedno pole 30 float ˇc´ısel. Druh´ y atribut pro texturovac´ı souˇradnice bude m´ıt pˇriˇrazen jedno pole 20 float ˇc´ısel. Pokud bude m´ıt model nastaven typ primitiva jako troj´ uheln´ıky, bude se pole index˚ u chápat, jako ˇze jsou hodnoty sdruˇzeny ve skupinách po tˇrech. Kaˇzdá trojice index˚ u ukazuje na tˇri vrcholy, které tvoˇr´ı jeden troj´ uheln´ık.

10.3.2

Form´ at collada

Collada podporuje nejv´ıce vlastnost´ı v porovnán´ı s ostatn´ımi formáty. Hlavn´ım d˚ uvodem pro v´ ybˇer formátu collada byla moˇznost jednoduˇse naˇc´ıst data z tohoto formátu do pamˇeti. Collada soubor je XML soubor. Jazyk C# nab´ız´ı celkem jednoduché nástroje pro z´ıskáván´ı dat z XML soubor˚ u. Pokud jsou vˇsechny vlastnosti objektu veˇrejné a neexistuje ˇza´dn´ y konstruktor s parametry, je ukládán´ı do XML a naˇc´ıtán´ı z XML soubor˚ u triviáln´ı. Pro naˇcten´ı formátu do struktury v pamˇeti byla staˇzena jiˇz existuj´ıc´ı implementace struktury collada [28].

Pouˇ z´ıvan´ e elementy[27] Protoˇze chceme pˇrevádˇet model z formátu collada do formátu rsm, bude nejprve uveden a vysvˇetlen seznam relevantn´ıch element˚ u, které collada pouˇz´ıvá pro uloˇzen´ı dat t´ ykaj´ıc´ıch se geometrie: • library_geometries – obsahuje elementy geometry – collada formát m˚ uˇze m´ıt definováno nˇekolik geometri´ı v jednom souboru • geometry – obsahuje element mesh – popisuje vizuáln´ı tvar a vzhled objektu na scénˇe • mesh – obsahuje popis geometrie – elementy source, vertices, triangles a vˇsechny ostatn´ı elementy podle typu primitiv 72

Správa zdroj˚ u


– popisuje polygonáln´ı model na základˇe vrchol˚ u a informac´ı o pouˇzit´ ych primitivech • source – obsahuje napˇr´ıklad elementy float_array nebo technique_common – deklaruje data, na která se odkazuje element input • input – vyuˇz´ıvá se napˇr´ıklad v elementu vertices nebo v elementu triangles – popisuje sémantiku datového zdroje • vertices – obsahuje elementy input – popisuje atributy a identitu vrchol˚ u polygonáln´ıho modelu • triangles, trifans, tristrips, lines, line_strips, polygons, polylist, spline – obsahuje elementy input – poskytuje informaci potˇrebnou k svázán´ı atribut˚ u vrchol˚ u a vytvoˇren´ı jednotliv´ ych primitiv z dan´ ych vrchol˚ u (troj´ uheln´ık˚ u, troju ´heln´ıkov´ ych vˇej´ıˇr˚ u, troj´ uheln´ıkov´ ych pás˚ u, ˇcar a dalˇs´ıch druh˚ u primitiv) • technique_common – v rámci geometrie obsahuje elementy accessor – specifikuje informaci o atributu, vˇsechny implementace formátu collada mus´ı podporovat tento element • accessor – obsahuje elementy param – popisuje pˇr´ıstup k pol´ım jako napˇr´ıklad floar_array • param – vyuˇz´ıvá se v elementu accessor – popisuje jméno a typ jednoho parametru

73

Správa zdroj˚ u


• float_array – vyuˇz´ıvá se v elementu source – obsahuje jednorozmˇerné pole float ˇc´ıseln´ ych hodnot Formát collada m˚ uˇze m´ıt sloˇzité indexován´ı. Sice podporuje pouze jedno pole idex˚ u pro jednu geometrii, ale v tomto poli m˚ uˇze ukládat nˇekolik skupin najednou. V takovém pˇr´ıpadˇe nastav´ı u kaˇzdého elementu input vlastnost offset, která urˇc´ı pozici, nakteré zaˇc´ıná v poli index˚ u prvn´ı hodnota pro dan´ y element input. Hodnota stride se pak rovná poˇctu element˚ u input v jednom z element˚ u pro specifikaci primitiva.

10.3.3

Konverze do rsm souboru

Formát collada je velice obsáhl´ y. Pˇri importu se bude poˇc´ıtat pouze s nejˇcastˇejˇs´ımi zápisy model˚ u. Model ve formátu collada mus´ı splˇ novat nˇekteré poˇzadavky, aby bylo moˇzné jej pˇrevést. Model mus´ı b´ yt sloˇzen´ y z troj´ uheln´ık˚ u nebo záplat. Veˇskerá jeho data mus´ı b´ yt uloˇzena v pol´ıch float ˇc´ısel. Model mus´ı b´ yt nav´ıc vˇzdy indexovan´ y. Formát rsm podporuje právˇe jedno pole index˚ u. Z toho vypl´ yvá, ˇze pˇri pˇrevodu se m˚ uˇze ztratit nˇekterá informace. Formát rsm nav´ıc m˚ uˇze uloˇzit pouze jednu geometrii. Pokud má soubor dae uloˇzeno v sobˇe v´ıce ˇcást´ı geometrie, exportér vybere vˇsechny geometrie a z kaˇzdé vytvoˇr´ı jeden rsm soubor.

10.3.4

Rozd´ıl v indexov´ an´ı mezi form´ aty collada a rsm

Formát collada m˚ uˇze indexovat vrcholy a jeho dodateˇcné informace zvláˇst’. Poˇcty vrchol˚ u a poˇcty normál se napˇr´ıklad nemus´ı rovnat. Pokud máme vrcholy tvoˇr´ıc´ı krychli a chceme m´ıt v souboru uloˇzeny i normály, budeme pravdˇepodobnˇe cht´ıt, aby kaˇzd´ y vrchol krychle mˇel tˇri r˚ uzné normály. Ve vrcholech krychle se ostˇre mˇen´ı smˇer normály, a nem˚ uˇzeme pro dobr´ y efekt pouˇz´ıt pr˚ umˇernou hodnotu normál sousedn´ıch povrch˚ u nebo stˇen. Formát collada v takovémto pˇr´ıpadˇe umoˇzn ˇuje m´ıt uloˇzeno tˇreba jen pouze 8 vrchol˚ u a 6 normál. V´ ysledné pole index˚ u bude popisovat 12 troj´ uheln´ık˚ u (6 stˇen, kaˇzdá se skládá z 2 troj´ uheln´ık˚ u), tud´ıˇz bude m´ıt 36 hodnot. 74

Správa zdroj˚ u


Potˇrebujeme jeˇstˇe jedno pole index˚ u, které bude popisovat normály. Toto pole bude stejnˇe dlouhé, ale bude se muset skládat z jin´ ych hodnot. Formát rsm takto strukturovan´ y nen´ı, protoˇze OpenGL nedokáˇze s podobnou informac´ı pracovat. Pokaˇzdé, kdyˇz poˇsleme do vertex shaderu vrchol, pˇredpokládáme, ˇze jeho pozice je poslána zároveˇ n se vˇsemi atributy daného vrcholu. Nem˚ uˇzeme shaderu poslat 8 pozic a 6 normál. Mus´ıme v tomto pˇr´ıpadˇe shaderu poslat nejménˇe 24 záznam˚ u (3 krát 8 vrchol˚ u) Kaˇzd´ y fyzick´ y vrchol se objevuje ve tˇrech kopi´ıch. Kaˇzdá z tˇechto kopi´ı má jinou normálu. Algoritmus pro pˇrevod index˚ u z formátu collada do formátu dae funguje následuj´ıc´ım zp˚ usobem: 1. rozdˇel´ıme pole index˚ u (a) Ivrcholy – pole index˚ u indexuj´ıc´ı souˇradnice vrchol˚ u (b) I1 . . . In – pole index˚ u indexuj´ıc´ı hodnoty dalˇs´ıch atribut˚ u v jin´ ych pol´ıch 2. máme pole atribut˚ u (a) Vvrcholy – pole float ˇc´ısel se souˇradnicemi vrchol˚ u se sloˇzkami X, Y, Z (b) V1 . . . Vn – pole float ˇc´ısel s hodnotami dalˇs´ıch atribut˚ u náleˇz´ıc´ıch vrchol˚ um 3. chceme vytvoˇrit nová pole atribut˚ u, která maj´ı jiné velikosti a jiná poˇrad´ı hodnot (a) W1 . . . Wn – pole float ˇc´ısel s hodnotami dalˇs´ıch atribut˚ u uspoˇra´dána tak, aby aby na nˇe m´ısto index˚ u I1 . . . In odkazovaly pouze indexy Ivrcholy 4. kaˇzdé pole hodnot Vvrcholy, V1 . . . Vn má jin´ y poˇcet float ˇc´ısel na jeden atribut (a) avrcholy = 3; vrcholy maj´ı z pravidla tˇri souˇradnice X, Y , Z (b) a1 . . . an jsou r˚ uzná ˇc´ısla; závis´ı na tom, kolik v souboru collada obsahuje element accessor element˚ u parametr pro kaˇzdé pole atribut˚ u 5. pro vˇsechny i od 1 do n (vytváˇr´ıme Wi za pomoc´ı Ii ) 75

Správa zdroj˚ u


(a) Wi = new uint[Vvrcholy .Length / avrcholy * ai ] (b) pro vˇsechny j od 1 do Ii .Length i. star´ y index o = Ivrcholy [j] ii. nov´ y index p = Ii [j] iii. zkop´ırujemprvek z pole Vi a pozice o do pole Wi na pozici p Ve v´ yˇse nast´ınˇeném algoritmu je vynechán pouze implementaˇcn´ı detail, kdy kop´ırujeme element z pole Vi do pole Wi . Elementem se mysl´ı ai po sobˇe jdouc´ıch ˇc´ısel, protoˇze pole Vi i Wi jsou pouze jednorozmˇerná pole float ˇc´ısel. Pokud máme pole barev s hodnotami RGB, bude ai = 3 a proto budeme kop´ırovat tˇri hodnoty z pole Vi do pole Wi . Index o i index p se pak násob´ı tˇremi a kop´ıruj´ı se tˇri ˇc´ısla. Nev´ yhoda pˇredeˇslého algoritmu je ta, ˇze se spoléháme na to, ˇze pole vrchol˚ u udává správné poˇrad´ı a správn´ y poˇcet vrchol˚ u. Pokud by se na jeden vrchol (se stejn´ ym indexem) v poli hodnot Vvrcholy odkazovalo pˇri indexován´ı v´ıcekrát a po kaˇzdé by mu byla pˇriˇrazenajiná skupina ˇc´ısel z pole Vi , pak se dostáváme do situace, kterou nejde popsan´ ym algoritmem ˇreˇsit. v tomto pˇr´ıpadˇe aplikace pouze oznám´ı, ˇze doˇslo k pˇr´ıpadu, kdy je jednomu vrcholu pˇriˇrazováno v´ıce r˚ uzn´ ych atribut˚ u a pouˇzije pouze prvn´ı pˇriˇrazen´ y.

76

11 Sestaven´ı aplikace Aplikace se skládá z editoru programového kódu a z vizualizaˇcn´ıho okna. Hlavn´ı projekt implementuje vzhled a funkcionalitu editoru. Vizualizaˇcn´ı okno se vytváˇr´ı aˇz za bˇehu aplikace kompilac´ı zdrojov´ ych kód˚ u pˇriloˇzen´ ych k aplikaci. Existuje fixn´ı ˇca´st zdrojov´ ych kód˚ u, která vytváˇr´ı vzhled vizualizaˇcn´ıho okna a jeho základn´ı funkˇcnost. Knihovny, které jsou distribuovány s vytvoˇren´ ym editorem:: • Interfaces.dll – vlastn´ı knihovna, která se pouˇz´ıvá k manipulaci s vizualizaˇcn´ım oknem; d˚ uvod pro pouˇz´ıván´ı rozhran´ı je vysvˇetlen v kapitole 9.3 • OpenTK.dll 1.1.0 – manipulace s OpenGL funkcemi [29] • FATabStip – grafická komponenta záloˇzky pro otevˇrené soubory [26] • FastColoredTextbox – grafická komponenta pro editován´ı a doplˇ nován´ı kódu [20] Editor má pro zobrazován´ı zavedeny ˇctyˇri perspektivy, které odpov´ıdaj´ı sloˇzkám v projektu: • zobrazován´ı C# kódu – sloˇzka customCode • zobrazován´ı GLSL kódu – sloˇzka shaders • zobrazován´ı model˚ u – sloˇzka models • zobrazován´ı obrázk˚ u – sloˇzka textures Kaˇzdá perspektiva nastav´ı jednu z komponent FATabStrip [26] na viditelnou. Podle perspektivy se pˇrepneme bud’ na editor C# kódu, editor GLSL kódu, zobrazován´ı model˚ u nebo zobrazován´ı obrázk˚ u. Pro kaˇzd´ y soubor, kter´ y otevˇreme z adresáˇrového stromu vlevo, se nám otevˇre nová záloˇzka. v záloˇzce se objev´ı bud’ editor pro u ´pravu zdrojového kódu, PropertyGrid na u ´pravu vlastnost´ı modelu, nebo bitmapa na prohlédnut´ı textury.

77

12 Závˇer Pˇredmˇetem diplomové práce bylo vyvinout editor pro snadnou u ´pravu GLSL kódu a následnou vizualizaci v´ ysledk˚ u práce. Bylo provedeno vyhodnocen´ı existuj´ıc´ıch nástroj˚ u, které se pro podobné u ´ˇcely pouˇz´ıvaj´ı. Nejprofesionálnˇejˇs´ı a nejrozsáhlejˇs´ı projekty, které umoˇzn ˇuj´ı uˇzivateli mˇenit GLSL kód a sledovat provedené zmˇeny, jsou nástroje, které jsou v prvn´ı ˇradˇe urˇcené pro ladˇen´ı jiˇz hotov´ ych OpenGL aplikac´ı. Nástroje pro ladˇen´ı aplikac´ı se zamˇeˇruj´ı pˇredevˇs´ım na sledován´ı v´ ykonu a krokován´ı. Z aplikac´ı, které dávaly d˚ uraz na u ´pravu shader˚ u a celé scény, se nejv´ıce osvˇedˇcil program AMD RenderMonkey. RenderMonkey má nˇekolik nev´ yhod. Zejména jeho ukonˇcen´ y v´ yvoj a neschopnost upravovat vykreslovac´ı smyˇcku. Byl implementován nástroj pro rychlé prototypován´ı GLSL projekt˚ u. Vyvinut´ y nástroj umoˇzn ˇuje v´ yvoj efekt˚ u psan´ ych v GLSL a jejich vizualizaci. Editor dává uˇzivateli pˇri v´ yvoji v´ıce moˇznost´ı neˇz jiné testované nástroje pouˇz´ıvané pro rychlé zobrazován´ı efekt˚ u. Uˇzivatel si m˚ uˇze napsat sv˚ uj vlastn´ı kód pro inicializaci vizualizace a vykreslovac´ı smyˇcku. Uˇzivatel m˚ uˇze vytvoˇrit projekt s nˇekolika objekty, texturami a programy, které budou pouˇzity k vykreslen´ı scény. Protoˇze se ˇr´ıd´ıc´ı kód vizualizaˇcn´ı smyˇcky p´ıˇse v jazyce C#, nen´ı uˇzivatel omezen´ y pˇri vytváˇren´ı vlastn´ıch efekt˚ u tolik, jako pˇri práci s jin´ ymi nástroji, které umoˇzn ˇuj´ı pouze fixn´ı nastaven´ı vizualizace. Editor pomáhá uˇzivateli se orientovat v kódu pomoc´ı zv´ yrazˇ nován´ı a zároveˇ n umoˇzn ˇuje uˇzivateli do jisté m´ıry doplˇ novat kód. Omezen´ı vyuˇzit´ı tohoto nástroje plynou hlavnˇe z pouˇzité komponenty pro editaci zdrojového kódu. Zv´ yrazˇ nován´ı i doplˇ nován´ı kódu funguje na základˇe regulárn´ıch v´ yraz˚ u. Nen´ı implementován pˇr´ıstup k ˇza´dné abstrakci zdrojového kódu. Pˇri doplˇ nován´ı kódu nen´ı implementovan´ y ˇza´dn´ y sofistikovan´ y systém pro zapamatován´ı uˇzivatelsky definovan´ ych promˇenn´ ych. Dalˇs´ım omezen´ım nástroje je nutnost pˇreloˇzit cel´ y zdrojov´ y kód a restartovat vizualizaˇcn´ı aplikaci pokaˇzdé, kdyˇz se provede zmˇena v C# zdrojovém kódu. Pro jednoduché vizualizace nen´ı problém okno restartovat, protoˇze pˇreklad trvá pouze pár sekund. Kdyby bylo umoˇznˇeno uˇzivateli mˇenit prob´ıhaj´ıc´ı kód pˇr´ımo pˇri bˇehu, byla by kladena na uˇzivatele mnohem vˇetˇs´ı zodpovˇednost. Uˇzivatel by se v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech musel sám starat o správné naˇc´ıtán´ı, pouˇz´ıván´ı a uvolˇ nován´ı zdroj˚ u.

78

Pˇ rehled term´ın˚ u wrapper – tenká vrstva kódu, kter´ y pˇrevád´ı rozhran´ı nativn´ı knihovny do rozhran´ı kompatibiln´ı s jin´ ym jazykem IDE – v´ yvojové prostˇred´ı ˇci software usnadˇ nuj´ıc´ı práci programátor˚ u proxy – prostˇredn´ık pˇri vzdáleném volán´ı mezi klientem a serverem assembly – kompilovan´ y kód .NET aplikace pˇripraven´ y pro nasazen´ı; m˚ uˇze se jednat o spustiteln´ y soubor (exe) nebo dynamicky linkovanou knihovny (dll); tento kód je kompilován za bˇehu aplikace do strojového jazyka shader – mnoˇzina ˇretˇezc˚ u kompilovaná pro urˇcitou fázi v grafickém ˇretˇezci (GLSL terminologie) Vs – vertex shader TCs – tessellation control shader PG – generátor primitiv TES – tessellation evaluation shader GS – geometry shader Fs – fragment shader GLSL – jazyk pro programovac´ı grafické karty pro OpenGL OpenGL – API grafické knihovny pro vykreslován´ı 2D a 3D grafiky; je multiplatformn´ı a nezávislé na programovac´ım jazyku API – programové rozhran´ı knihovny, které specifikuje, jak maj´ı jednotlivé

softwarové komponenty spolu komunikovat MDI – anglicky Multiple Document Interface je popis grafického rozhran´ı, kdy jedno hlavn´ı okno obsahuje jedno nebo v´ıce oken; okna, která jsou potomky hlavn´ıho okna nen´ı moˇzné zobrazit samostatnˇe bez aplikace a nelze je zobrazit mimo plochu pokrytou hlavn´ım oknem snipplet – malá ˇca´st kódu znovu pouˇzitelného programového kódu

Literatura [1] ROST, Randi J. OpenGL Shading Language. Hillsboro, OR, U.S.A.: Addison-Wesley, 2004. ISBN 0-321-19789-5, str. 34. [2] SELLERS, Graham, WRIGHT, JR. a Nicholas HAEMEL. OpenGL SuperBible: Sixth Edition. Portland, OR, U.S.A.: Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-90294-8. [3] OpenGL - The Industry Standard for High Performance Graphics [online]. 1997, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.opengl.org [4] OpenGL Shading Language - OpenGL.org [online]. 2009, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.opengl.org/wiki/OpenGL Shading Language [5] OpenGL Shading Language [online]. 1997, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.opengl.org/documentation/glsl/ [6] KESSENICH, John, Dave BALDWIN a Randi ROST. The OpenGL Shading Language [online]. 2004 [cit. 2014-05-14], str 56. Dostupné z: http://www.opengl.org/registry/doc/GLSLanGSpec.Full.1.10.59.pdf. [7] RenderMonkeyTM Toolsuite | AMD [online]. 2008 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://developer.amd.com/resources/archive/archivedtools/gpu-tools-archive/rendermonkey-toolsuite/ [8] GLSL Hacker - Pixel hacking with GLSL, Lua and Python - Scriptable 3D Game Engine | Geeks3D.com [online]. 2012, 2013 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.geeks3d.com/glslhacker/overview.php [9] GDEBugger Tutorial - OpenGL Debugger and Profiler [online]. 2004, 2010 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.gremedy.com/tutorial/

[10] GlslDevil - OpenGL GLSL Debugger [online]. 2007, 2010 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.vis.uni-stuttgart.de/glsldevil/ [11] Kick.js | Shader Editor [online]. 2012, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.kickjs.org/example/shader editor/shader editor.html [12] TyphoonLabs’ OpenGL Shader Designer [online]. 1997, 2012 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.opengl.org/sdk/tools/ShaderDesigner/ [13] GLSL Shader Maker [online]. 2013, 2013 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://shadermaker.codeplex.com [14] GDEBugger | AMD [online]. 2012, 2012 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://developer.amd.com/tools-and-sdks/archive/amd-gdebugger/ [15] CodeXL | AMD [online]. 2014, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://developer.amd.com/tools-and-sdks/opencl-zone/opencl-toolssdks/codexl/ [16] Scintilla and SciTE [online]. 1999, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.scintilla.org [17] ScintillaNET [online]. 2007, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://scintillanet.codeplex.com [18] Using ICSharpCode.TextEditor - CodeProject [online]. 2008 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.codeproject.com/Articles/30936/Using-ICSharpCodeTextEditor [19] GDI+ (Windows) [online]. 2012 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://msdn.microsoft.com/enus/library/windows/desktop/ms533798(v=vs.85).aspx [20] Fast Colored TextBox for Syntax Highlighting - CodeProject [online]. 2013, 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.codeproject.com/Articles/161871/Fast-Colored-TextBoxfor-syntax-highlighting [21] CleanCode C# Libraries v1.2.03 API [online]. 2001, 2013 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://cleancode.sourceforge.net/api/csharp/

[22] Clean Code [online]. 2013 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://en.sourceforge.jp/projects/sfnet cleancode/downloads/ cleancode/csharp/cleancode-csharp-v1 1 04.zip [23] Application Domains [online]. 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/2bh4z9hs(v=vs.110).aspx [24] Do The Right ThinGS [online]. 2009 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://do-the-right-thinGS.bloGSpot.cz/2009/07/cross-appdomainwinform-implementation.html [25] LifetimeServices Class (System.Runtime.Remoting.Lifetime) [online]. 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.runtime.remoting. lifetime.lifetimeservices(v=vs.110).aspx [26] FATabStrip.cs - A TabControl in the Visual Studio 2005 S [online]. 2006 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.codeforge.com/read/54729/FATabStrip.cs html [27] COLLADA - 3D Asset Exchange Schema [online]. 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.khronos.org/collada/ [28] C# Collada 1.5 Classes [online]. 2013 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://sourceforge.net/projects/csharpcollada [29] The Open Toolkit library | OpenTK [online]. 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.opentk.com/project/opentk [30] Bitmap Class (System.Drawing) [online]. 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://msdn.microsoft.com/enus/library/system.drawing.bitmap(v=vs.110).aspx [31] KESSENICH, John, Dave BALDWIN a Randi ROST. GLSLanGSpec.4.30.6. OpenGL Shading Language. 2012, str. 10 - 72. Dostupné z: www.opengl.org/registry/doc/GLSLanGSpec.4.30.6.pdf 50

Pˇ r´ılohy

Uˇ zivatelsk´ a pˇ r´ıruˇ cka Poˇ zadavky Pro spuˇstˇen´ı aplikace je nutné, aby uˇzivatel mˇel nainstalováno následuj´ıc´ı: • operaˇcn´ı systém Windows Vista nebo vyˇsˇs´ı verzi • platformu .NET verzi 4.5 • knihovnu OpenGL verzi 4.3

Grafick´ e rozhran´ı Aplikace spouˇst´ı editor pro u ´pravu zdrojového kódu a dalˇs´ıch zdroj˚ u (obrázek 12.1). V horn´ı ˇcásti okna je hlavn´ı liˇsta. Pod n´ı panel nástroj˚ u. V levé stranˇe okna je strom projekt˚ u. V pravé ˇcásti okna je správa program˚ u (zobrazuje se pouze pˇri spuˇstˇené perspektivˇe pro shadery). V doln´ı ˇcásti okna je logovac´ı box pro popis událost´ı.

Panel n´ astroj˚ u Na panelu nástroj˚ u je mnoho voleb znázornˇen´ ych ikonkami. Prvn´ı skupina obsahuje volby pro práci s projektem. Druhá skupina obsahuje volby pro u ´pravy zdrojov´ ych soubor˚ u. Tˇret´ı skupina ovládá zobrazován´ı pomocné informace, jako zobrazován´ı netisknuteln´ ych znak˚ u, zv´ yrazˇ nován´ı ˇrádky s kurzorem nebo vod´ıc´ı teˇcky u blok˚ u kódu. 1

Obrázek 12.1: Vzhled aplikace V hlavn´ı nab´ıdce m˚ uˇzeme naˇc´ıst existuj´ıc´ı projekt, vytvoˇrit nov´ y projekt nebo vytvoˇrit projekt z ukázkového pˇr´ıkladu pod jin´ ym jménem. Pro prvn´ı pouˇz´ıván´ı se doporuˇcuje vytvoˇrit kód z ukázkového pˇr´ıkladu, protoˇze pro spuˇstˇen´ı a rozbˇehnut´ı prázdného projektu je zapotˇreb´ı udˇelat nˇekolik u ´prav. Ukázkové pˇr´ıklady je moˇzné spustit ihned. Je moˇzné vytvoˇrit projekt z poskytnut´ ych pˇr´ıklad˚ u. Nejprve naˇcteme jeden z ukázkov´ ych projekt˚ u (File/Import Project from Example/. . . ). Nov´ y projekt je moˇzno vytvoˇrit podle obrázku 12.2. Pojmenujeme projekt nov´ ym jménem. Vˇsechny soubory, které tvoˇrily ukázkov´ y projekt, se zkop´ıruj´ı do sloˇzky s projekty (projects) a projekt se pˇrejmenuje. Dalˇs´ı skupina obsahuje nástroje pro ovládán´ı vizualizace. Prvn´ı volba zkompiluje projekt a okamˇzitˇe ho spust´ı. Druhá volba spust´ı posledn´ı pˇreloˇzenou verzi projektu. Pokud jeˇstˇe ˇzádná pˇredeˇslá verze nen´ı, nebo pokud je posledn´ı pˇreloˇzen´ y projekt ze sloˇzky manuálnˇe smazán, volba spuˇstˇen´ı posledn´ı pˇreloˇzené verze skonˇc´ı chybou. Dalˇs´ı pˇr´ıpad, kdy volba skonˇc´ı chybou je tehdy, kdyˇz nen´ı naˇcten´ y projekt v lokáln´ı sloˇzce s ostatn´ımi projekty. 2

Obrázek 12.2: Vytvoˇren´ı nového projektu z pˇr´ıkladu Volba kompilace provede kompilaci pouze C# zdrojov´ ych kód˚ u. Kompilace shader˚ u prob´ıhá a pˇri spuˇstˇen´ı vizualizace, protoˇze shadery jsou kompilovány ve spuˇstˇeném oknˇe. Dalˇs´ı tˇri volby funguj´ı jen pokud je vizualizace spuˇstˇena. Slouˇz´ı pro aktualizaci textur, shader˚ u a model˚ u za bˇehu programu. Vˇsechny zdroje jedné kategorie se aktualizuj´ı najednou. Pokud je v nov´ ych zdroj´ıch chyba nebo jsou jinak pojmenovány, vizualizace se zastav´ı. Zdrojov´ y kód aplikace z˚ ustává stejn´ y, takˇze automatické zpracován´ı zdroj˚ u je mus´ı naj´ıt podle pˇredchoz´ıch ˇretˇezcov´ ych jmen.

Spr´ ava program˚ u Správa program˚ u se objevuje pouze pˇri aktivn´ı perspektivˇe pro shadery (obrázek 12.3). v horn´ı ˇca´sti je tabulka, která popisuje mapován´ı atribut˚ u mezi programy a modely. Program se skládá ze shader˚ u, které jsou vybrány v doln´ı ˇcásti panelu pro správu program˚ u. Pokud chceme vytvoˇrit nov´ y program, mus´ıme nejdˇr´ıve napsat jeho název (totoˇzn´ y název budeme pouˇz´ıvat v C# kódu pˇri vyb´ırán´ı ze slovn´ıku), dále vybereme shadery, které bude pouˇz´ıvat, a nakonec klikneme na tlaˇc´ıtko Save Shader Program. Pokud chceme nˇekter´ y program vymazat, vybereme jej a klikneme na tlaˇc´ıtko Delete Shader Program. K existuj´ıc´ım program˚ um m˚ uˇzeme pˇridat do tabulky mapován´ı atribut˚ u bud’ manuálnˇe pˇridán´ım nového záznamu, nebo 3

Obrázek 12.3: Panel správy program˚ u automaticky stiskem tlaˇc´ıtka Match AttribuTES to Model. Zobraz´ı se nab´ıdka, ve které vybereme model, jehoˇz atributy chceme pouˇz´ıt. Atributy modelu a jeho indexy se zkop´ıruj´ı do tabulky. Pokud bychom nˇekter´ y atribut pouˇz´ıt nechtˇeli, oznaˇc´ıme ˇrádek v tabulce kliknut´ım nalevo od daného ˇra´dku a stiskem klávesy delete smaˇzeme záznam. Pokud zjist´ıme, ˇze model obsahuje chybné atributy, mus´ıme je opravit pˇr´ımo v nastaven´ı modelu.

Strom projektu V levé ˇcásti okna je strom otevˇren´ ych projekt˚ u (obrázek 12.4). Otev´ıran´ y projekt automaticky naˇcte do stromu vˇsechny soubory se správn´ ymi pˇr´ıponami ve sv´ ych sloˇzkách. v tomto stromu m˚ uˇzeme vybrat jak´ ykoliv zdroj dvoj´ım 4

poklepán´ım na jeho ikonu soubor.

Obrázek 12.4: Strom projekt˚ u Prav´ ym kliknut´ım kdekoliv na strom se objev´ı dialogové okno, které umoˇzn´ı nastavit oznaˇcen´ y projekt jako hlavn´ı projekt, zmˇenit reference projektu, pˇridat nov´ y zdrojov´ y soubor, importovat model a smazat nebo pˇrejmenovat oznaˇcen´ y soubor. Pˇrejmenovat soubor lze také dvoj´ım kliknut´ım na text souboru. Zmˇenit pˇr´ıponu souboru je zakázáno. Pˇrejmenovávat sloˇzky je také zakázáno.

Textov´ y log Vypisuje nˇekteré d˚ uleˇzité události. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı událost´ı jsou chyby pˇri kompilaci. Vyp´ıˇse typ chyby a ˇra´dku, ve které chyba nastala. Editor zároveˇ n 5

otevˇre soubor, ve kterém se nacház´ı chyba a oznaˇc´ı ˇcervenˇe chybnou ˇra´dku v kódu.

Obrázek 12.5: Vzhled logovac´ıho okna V logovac´ım oknˇe (viz 12.5) jsou obyˇcejné události vypisovány ˇcernou barvou, chyby ˇcervenou barvou a varován´ı modrou barvou. Logovac´ı okno se automaticky posunuje na konec kdyˇz v nˇem nen´ı um´ıstˇen kurzor.

Pr´ ace s vizualizaˇ cn´ım oknem Pˇri spuˇstˇen´ı projektu se objev´ı nové okno ve formˇe MDI potomka. v doln´ı ˇcásti vizualizaˇcn´ıho okna se nacház´ı komponenty pro vkládán´ı nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ ych vstup˚ u, jako vzdálenost objektu od kamery, rychlost zmˇeny velikosti pˇri rolován´ı koleˇcka myˇsi a oˇrezávac´ı roviny. V pravé ˇcásti okna (viz 12.6) vid´ıme komponentu PropertyGrid, která zobrazuje a nastavuje uˇzivatelské globáln´ı promˇenné. Otáˇcen´ı modelu v poskytovan´ ych pˇr´ıkladech (jen v tˇech, ve kter´ ych jsou implementovány transformace) se provád´ı stisknut´ım a drˇzen´ım levého tlaˇc´ıtka myˇsi nad kreslic´ı plochou a následn´ ym pohybem myˇsi. Kdyˇz pracujeme s vizualizaˇcn´ım oknem a kurzor nen´ı v ˇzádné komponentˇe pro uˇzivatelsk´ y vstup, koleˇcko myˇsi ovlivˇ nuje ˇskálován´ı scény. v pravé horn´ı ˇcásti vizualizaˇcn´ıho okna se dá vypnout aktualizace scény vyvolané pˇr´ıchodem dalˇs´ıch sn´ımk˚ u. Vˇsechny vstupy vytvoˇrené v grafickém rozhran´ı maj´ı svoj´ı funkcionalitu implementovanou v kódu, kter´ y m˚ uˇze uˇzivatel mˇenit. Automaticky prob´ıhá pouze propagace hodnot do tˇr´ıd, ke kter´ ym má uˇzivatel pˇr´ıstup. Uˇzivatel se m˚ uˇze rozhodnout napojit u ´plnˇe jin´ y obsluˇzn´ y kód na zmˇenu ˇc´ıselné hodnoty pro ˇskálován´ı, vyvolané pohybem koleˇcka myˇsi. Rozhran´ı vizualizaˇcn´ıho okna bylo takto navrˇzeno pouze z toho d˚ uvodu, ˇze ˇskálován´ı je jedna z akc´ı, kterou uˇzivatel bude cht´ıt provádˇet nejˇcastˇeji, a napojit ji na posuv koleˇcka myˇsi je 6

Obrázek 12.6: Vzhled vizualizaˇcn´ıho okna s naˇcten´ ym ukázkov´ ym tessellaˇcn´ım projektem nejv´ıce intuitivn´ı chován´ı. Mˇenit ˇskálován´ı scény nebo natoˇcen´ı modelu psan´ım ˇc´ıseln´ ych hodnot do komponenty PropertyGrid nen´ı pˇr´ıliˇs uˇzivatelsky pˇr´ıvˇetivé.

´ Upravy shader˚ u v editoru V adresáˇrovém stromˇe projektu si m˚ uˇzeme naj´ıt soubory GLSL, které projekt pouˇz´ıvá. Editor shader˚ u doplˇ nuje pˇrednastavené promˇenné, funkce a vyhrazená slova. Nav´ıc editor doplˇ nuje názvy uniform promˇenn´ ych, které jsou uloˇzené v programu. Názvy uniform promˇenn´ ych se poˇslou naˇseptávaˇci pokaˇzdé, kdy je uloˇzen shader. Uniform promˇenné se sd´ıl´ı pouze mezi shadery v rámci jednoho programu, proto je nutné nejdˇr´ıve shadery spojit, neˇz se m˚ uˇze zaˇc´ıt vyuˇz´ıvat této vlastnosti. Shadery se spojuj´ı do programu v pravé ˇca´sti okna pˇri zapnuté perspektivˇe pro shadery. Po nastaven´ı shader˚ u pro vybran´ y (nebo nov´ y) program je nutné kliknout na tlaˇc´ıtko pro uloˇzen´ı programu. 7

´ Upravy C# zdrojov´ eho k´ odu v editoru Zdrojov´ y kód napsan´ y v C# mus´ı b´ yt poskytnut nejménˇe pro implementaci vlastn´ıho vizualizaˇcn´ıho modulu a vlastn´ıho souboru globáln´ıch promˇenn´ ych. Uˇzivatel si m˚ uˇze vytvoˇrit dalˇs´ı cs soubory s vlastn´ım kódem, kter´ y se dá vyuˇz´ıvat pˇri implementaci kódu projektu. Uˇzivatel by se mˇel ˇr´ıdit podle nápovˇedy psané v komentáˇr´ıch ukázkov´ ych projekt˚ u. U kaˇzdé metody, kterou m˚ uˇze uˇzivatel implementovat, je popsáno, kdy se volá a pro jakou ˇcinnost se hod´ı.

Metoda Init Metoda Init se volá po automatické inicializaci vˇsech zdroj˚ u. Uˇzivatel si v n´ı bude cht´ıt hlavnˇe uloˇzit indexy uniform promˇenn´ ych pro následné nastavován´ı jejich hodnot. Je samozˇrejmˇe moˇzné neustále pˇristupovat ke vˇsem hodnotám pˇres ˇretˇezcové konstanty, ale tento pˇr´ıstup m˚ uˇze b´ yt velice pomal´ y. V pˇr´ıpadˇe, ˇze provád´ıme aktualizaci v kaˇzdém sn´ımku, tak se jev´ı nesmyslné zjiˇst’ovat index uniform promˇenné z jej´ı ˇretˇezcové konstanty pˇred kaˇzd´ ym nastaven´ım jej´ı hodnoty. Tato informace by se nemˇela ukládat nikde jinde neˇz v metodˇe Init. Pokud se zmˇen´ı mnoˇzina nebo poˇrad´ı uniform promˇenn´ ych, mohlo by se stát, ˇze stejné uniform promˇenné budou m´ıt po aktualizaci jiné indexy. Pokud nastaven´ı index˚ u bude prob´ıhat v metodˇe Init, zmˇeny nezp˚ usob´ı pot´ıˇze, protoˇze Init se volá pˇri kaˇzdém restartu zdroj˚ u.

Metoda InputUpdate Metoda InputUpdate se volá pˇri kaˇzdé zmˇenˇe hodnot zp˚ usobené interakc´ı s uˇzivatelsk´ ym rozhran´ım. Je vytvoˇrena za u ´ˇcelem volat kód, kter´ y propaguje hodnoty z´ıskané z uˇzivatelského rozhrann´ı do shader˚ u. Vˇsechny hodnoty z uˇzivatelského rozhran´ı jsou uloˇzeny bud’ v chránˇen´ ych atributech tˇr´ıdy nebo v objektu globalVarSet. Volán´ı metody nastává v pˇr´ıpadech: • drˇzen´ı levého tlaˇc´ıtka myˇsi a taˇzen´ı po zobrazovac´ı ploˇse • otáˇcen´ı koleˇcka myˇsi

8

• roztahován´ı okna • nastavován´ı hodnot v komponentˇe PropertyGrid • nastavován´ı hodnot ve vˇsech ostatn´ıch komponentách pod zobrazovac´ı plochou (s v´ yjimkou rychlosti ˇskálován´ı, protoˇze se nemˇen´ı hodnota ˇskálován´ı ale pouze velikost kroku pˇri otáˇcen´ı koleˇcka myˇsi)

Metoda LoopUpdate Metoda LoopUpdate se volá pˇred kaˇzd´ ym vykreslen´ım sn´ımku, pokud uˇzivatel v grafickém rozhran´ı má zaˇskrtnuté pol´ıˇcko (vpravo nahoˇre) pro aktualizaci ve smyˇcce. D˚ uvod pro moˇznost zakázat volán´ı metody je v aktualizaci globáln´ıch promˇenn´ ych, které se zobrazuj´ı v komponentˇe PropertyGrid. Pokud je v´ ypoˇcet jejich hodnot provádˇen v této metodˇe na základˇe pouze jiˇz nastaven´ ych hodnot, nem˚ uˇze uˇzivatel zmˇenit ˇza´dné hodnoty, které se v této metodˇe aktualizuj´ı. V dalˇs´ım sn´ımku po vykonané zmˇenˇe by se hodnoty opˇet pˇrehrály na hodnoty vypoˇctené pˇri aktualizaci animace. Komponenta PropertyGrid je nastavena tak, aby se pˇrestala aktualizovat v okamˇziku, kdy do n´ı vstoup´ı kurzor. Zdroj dat pro komponent se neustále aktualizuje. Uˇzivatel m˚ uˇze d´ıky zastavené aktualizaci uˇzivatelského rozhran´ı mˇenit hodnoty globáln´ıch promˇenn´ ych, které nejsou poˇc´ıtány ve smyˇcce. Doporuˇcuje se do této metody psát pouze kód, kter´ y se opravdu mus´ı aktualizovat v kaˇzdém sn´ımku, jako napˇr´ıklad animace závislá na ˇcase. Pokud staˇc´ı aktualizace na uˇzivatelsk´ y vstup, mˇel by se kód psát do metody InputUpdate.

Metoda Render Metoda Render se volá v kaˇzdém sn´ımku. Je moˇzné zde psát kód pro aktualizaci promˇenn´ ych, ale u ´ˇcel této metody je napsat kód pro vykreslen´ı scény z jiˇz vypoˇc´ıtan´ ych hodnot. V metodˇe Render se bude volat pouˇz´ıván´ı program˚ u, nastavován´ı textur, vykreslován´ı model˚ u a pˇr´ıpadˇe zmˇeny nastaven´ı OpenGL.

9

Uk´ azkov´ e pˇ r´ıklady V projektu je pˇrednastaveno nˇekolik ukázkov´ ych pˇr´ıklad˚ u pro ilustraci a jako nápovˇeda pˇri pouˇz´ıván´ı nástroje. Pˇr´ıklady jsou vytvoˇreny jako ukázky, jak psát jednotlivé shadery, jak nastavovat zdroje aplikace, jak implementovat transformaˇcn´ı matice a jak pouˇz´ıvat naˇctené zdroje v kódu vizualizaˇcn´ı smyˇcky.

Nejjednoduˇ sˇ s´ı shader (Simplest Shader) Nejjednoduˇsˇs´ı shader ukazuje vykreslen´ı jednoho troj´ uheln´ıku. Nen´ı implementována ˇza´dná animace ani interaktivn´ı funkcionalita.

Z´ akladn´ı shader (Basic Shader) Ukázka nejjednoduˇsˇs´ıho projektu s vertex shaderem a fragment shaderem. Soubor s globáln´ımi promˇenn´ ymi obsahuje pouze promˇenné potˇrebné pro geometrické transformace a smˇer svˇetla. Zobrazovaná krychle nepouˇz´ıvá barvy ani texturu.

Geometry shader (Geometry Shader) Ukázka pouˇzit´ı geometry shaderu. Tento shader pouze demonstruje jednoduché generován´ı dalˇs´ıch troj´ uheln´ık˚ u, které jsou posunuté ve smˇeru osy x na obˇe strany od p˚ uvodn´ıho troj´ uheln´ıku. V´ ysledkem jsou tˇri krychle z p˚ uvodn´ı jedné. Tato ukázka nav´ıc pˇredvád´ı práci s animac´ı, kde se mˇen´ı barva pozad´ı. Ukázka pouˇz´ıvá vˇsechny globáln´ı promˇenné jako pˇredchoz´ı ukázka a nav´ıc se pouˇz´ıvá textura. Textura se mus´ı v metodˇe Init svázat s programem, kter´ y ji bude pouˇz´ıvat a mus´ı se nastavit pozice textury pro tento program. Kaˇzd´ y program m˚ uˇze v jednu chv´ıli pouˇz´ıvat pouze omezené mnoˇzstv´ı textur. OpenTK verze 1.1 obsahuje konstanty pro TextureUnit.Texture0 aˇz do TextureUnit.Texture31.

10

Tessellation shader (Tessellation Shader) Ukázka TESselaˇcn´ıho shaderu. Kaˇzdou sekundu se mˇen´ı vnitˇrn´ı a vnˇejˇs´ı dˇelen´ı troj´ uheln´ık˚ u. Po zastaven´ı animace (zaˇskrtávac´ım pol´ıˇckem vpravo nahoˇre) m˚ uˇze uˇzivatel zadat svoje vlastn´ı dˇelen´ı do komponenty PropertyGrid. Ukázka pouˇz´ıvá stejné globáln´ı promˇenné jako nejjednoduˇsˇs´ı shader.

Nˇ ekolik program˚ u (Multiple Programs) Posledn´ı ukázka pˇredvád´ı moˇznost pouˇzit´ı nˇekolika model˚ u, nˇekolika textur a nˇekolika program˚ u najednou. Indexy uniform˚ u kaˇzdého programu se mus´ı uloˇzit. Pokud budou nˇekteré programy pouˇz´ıvat spoleˇcné hodnoty promˇenn´ ych, bude se jim v metodˇe InputUpdate pˇriˇrazovat stejná hodnota. Jeden z program˚ u pouˇz´ıvá texturu dˇreva na pozici TextureUnit.Texture1, jin´ y program pouˇz´ıvá texturu dˇreva na pozici TextureUnit.Texture0. Zde je vidˇet d˚ uvod, proˇc pˇri pouˇz´ıván´ı textur v metodˇe Render mus´ıme specifikovat, pro kter´ y program texturu pouˇz´ıváme.

11

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky. GLSL editor

Recommend Documents