Chapter 4
Полезные и бесполезные мелочи

4.12  Трафарет II

     Ранее вы познакомились с наложением трафарета, состоящего из массива бит 32х32 точки. Недостатки такого трафарета в его небольшой площади и в том, что каждый его элемент является битом, т.е. у такого трафарета всего две зоны(рисуем и не рисуем). Далее вы познакомитесь с полноценным трафаретом.
     В OpenGL есть буфер трафарета, который предоставляет огромные возможности для творчества. Тест трафарета, на мой взгляд, бесспорно полезная вещь. С ее помощью реализуются самые разнообразные эффекты, начиная от простого вырезания одной фигуры из другой до реализации теней, отражений и прочих нетривиальных функций, требующих от вас уже не только знакомства с библиотекой OpenGL, но и понимания алгоритмов машинной графики. Здесь мы рассмотрим самое простое применение буфера трафарета. Пусть у нас есть два объекта на экране - сфера и куб, и пусть сфера находится внутри куба и немного из него выходит за его грани.

рис. 4.12.1

     Мы поставим себе задачу изобразить три рисунка: куб минус сфера, сфера минус куб, пересечение куба и сферы. Как вы понимаете, объединение куба и сферы выводится без всякого буфера трафарета по умолчанию. Собственно говоря, оно(объединение) изображено на рисунке 4.12.1. Теперь о том, что такое трафарет, и как им пользоваться. Трафарет это двумерный массив целых переменных(тип int). Каждому пикселю в окне соответствует один элемент массива. Использование буфера трафарета происходит в два этапа. Сначала вы его заполняете, потом основываясь на его содержимом, рисуете ваши объекты. Буффер трафарета заполняется следующим образом. Вы делите окно вывода на зоны и каждой зоне присваиваете свое значение. Например, для рисунка 4.12.1 область, где нет ничего, будет заполнена нулями, область, где выведен куб, заполнена единицами и область, где видна сфера, двойками. Обратите внимание, что буффер трафарета - это двумерный массив, а не трехмерный. Теперь вы легко можете представить себе эти области, они, собственно, и изображены на приведенном рисунке. Также заметьте, что цвет здесь роли не играет. Я бы мог вывести все черным цветом, а буфер трафарета заполнился в зависимости от геометричеких размеров фигур и от их пересечения. Далее мы рассмотрим функции библиотеки OpenGL для работы с трафаретом. Тест трафарета разрешается при помощи функций glEnable\glDisable с параметром GL_STENCIL_TEST. Очищается буфер трафарета при помощи функции glClear с параметром GL_STENCIL_BUFFER_BIT. Заполнение буфера трафарета происходит при помощи следующих двух функций:

void glStencilFunc(GLenum func, GLint ref, GLuint mask)
void glStencilOp(GLenum fail, GLenum zfail, GLenum zpass)

Первая функция задает правило, по которому будет определяться, пройден тест трафарета или нет. Переменная func может принимать одно из следующих значений:

Если тест трафарета не пройден, то фрагмент(пикселы) фигуры не прорисовываются в данном месте, т.е. они не попадают в буффер кадра. Если тест пройден, то фигура рисуется. Вторая функция позволяет задать, как будет инициализироваться буфер трафарета. Параметры fail, zfail и zpass могут принимать одно из следующих значений:

В случае непрохождения теста трафарета над фрагментом выполняется действие, определенное параметром fail. Например, если мы хотим заполнить область трафарета, где рисуется куб единицами, то можно использовать следующи код:

glStencilFunc(GL_NEVER, 1, 0); // значение mask не используется
glStencilOp(GL_REPLACE, GL_KEEP, GL_KEEP);  
auxSolidCube(2.5);

     Объясняю подробней: первая функция говорит о том, что тест трафарета всегда проходит неудачно. Вторая функция задает, что в случае неудачного теста трафарета, заменить значение, хранящееся в буфере трафарета, на значение переменной ref, а его мы задали, равным единице. В результате, на экране ничего не нарисуется т.к. тест трафарета завершался неудачно, но в буфере трафарета мы получили проекцию куба из единичек, т.е. буфер трафарета заполнен не только нулями. Теперь мы хотим заполнить двойками область, где прорисовывается сфера. Здесь мы уже должны учитывать буфер глубины, иначе мы заполним двойками всю область, где у нас рисуется сфера. Для того чтобы учитывать буфер глубины, тест трафарета должен завершиться положительно. Третий параметр zpass функции glStencilOp как раз указывает, что делать, если тест трафарета прошел, а тест глубины нет. Поэтому код выглядит так:

glStencilFunc(GL_ALWAYS, 2, 0); // значение mask не используется
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);  
auxSolidSphere(1.5);

     В результате получаем буфер трафарета, заполненный нулями, где ничего не было, единицами, где виден куб, и двойками, где видна сфера. В последнем примере тест трафарета прошел успешно, поэтому на экране была нарисована сфера. Но это нам не мешает, мы очистим буфер глубины и буфер цвета, но не буфер трафарета.

glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

     Теперь дело техники нарисовать тот же самый куб без сферы. Надо установить, что тест трафарета проходит, если значение, находящееся в буфере трафарета, совпадает со значением второго параметра функции glStencilFunc. Как вы помните, куб в буфере трафарета имел значение единицы. Поэтому получаем:

 glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 255); // куб рисуется только там, где
                            // в буфере трафарета лежат единицы
 glColor3d(1,1,1);
 auxSolidCube(2.5);

void CALLBACK display(void){
 // очищаем все буферы
 glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);

 // разрешаем тест трафарета
 glEnable(GL_STENCIL_TEST);

 // рисуем куб и заполняем буффер трафарета единицами
 // в том месте, где рисуется куб
 // тут у меня немного по другому, чем  выше было разобрано,
 // но действие выполняется анологичное
 glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0);
 glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);
 auxSolidCube(2.5);

 // заполняем буффер трафарета двойками
 // в том месте, где сфера закрывает куб
 glStencilFunc(GL_ALWAYS, 2, 0);
 glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);
 auxSolidSphere(1.5);

 // очищаем буфферы цвета и глубины
glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

 glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 255);
 glColor3d(1,1,1);
 auxSolidCube(2.5);

 // вращаем сцену
glRotated(3, 1,0,0);
glRotated(5, 0,1,0);
glRotated(7, 0,0,1);

auxSwapBuffers();}

рис. 4.12.2

     Теперь, давайте, немного приукрасим нашу программу. Давайте, внутри куба нарисуем красный шар, который будут опоясывать зеленый и синий торы. Делается это следующим образом: как и в предыдущей программе, вы составляете буфер трафарета, после чего очищаете буфер глубины и цета, запрещаете тест трафарета, т.к. нам надо просто вывести фигуры без трафарета, выводите шар с торами и, наконец, включаете тест трафарета и выводите куб с отверстиями. Вот код фунции display:

void CALLBACK display(void){
 // очищаем все буферы
 glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);

 // разрешаем тест трафарета
 glEnable(GL_STENCIL_TEST);

 // рисуем куб и заполняем буффер трафарета единицами
 // в том месте, где рисуется куб
 // тут у меня немного по другому, чем выше было разобрано,
 // но действие выполняется анологичное
 glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0);
 glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);
 auxSolidCube(2.5);

 // заполняем буффер трафарета двойками
 // в том месте, где сфера закрывает куб
 glStencilFunc(GL_ALWAYS, 2, 0);
 glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);
 auxSolidSphere(1.5);

 // очищаем буфферы цвета и глубины
glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// запрещаем тест трафарета и рисуем красную сферу
glDisable(GL_STENCIL_TEST);
glColor3d(1,0,0);
auxSolidSphere(0.5);
//синий тор
glColor3d(0,0,1);
auxSolidTorus(0.15, 0.6);
// зеленый тор, повернутый на 90 градусов относительно синего
glColor3d(0,1,0);
glPushMatrix();
glRotated(90, 1,0,0);
auxSolidTorus(0.15, 0.6);
glPopMatrix();

 //снова разрешаем тест трафарета
 glEnable(GL_STENCIL_TEST);


 glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 255);
 glColor3d(1,1,1);
 auxSolidCube(2.5);

 // вращаем сцену
glRotated(3, 1,0,0);
glRotated(5, 0,1,0);
glRotated(7, 0,0,1);

auxSwapBuffers();}

Исходный файл смотрите здесь. Исполняемый файл здесь.