Computer Graphics Assignment8

Overview

• OpenGL로 삼각형 메시(토끼)를 렌더링한다.
• Immediate 방식과 Vertex Arrays(VAO/VBO) 방식을 각각 구현한다.
• 렌더링 속도를 측정해 FPS(초당 프레임 수)를 GLUT 윈도우 제목에 실시간으로 표시한다.

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Table of Contents

• Result Image
• Compilation Instructions
• Run Instructions
• Short Description
• Setup & Parameters

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Result Image

Q1 Average FPS : 약 790FPS 정도로 출력

Q2 Average FPS : 초반에 상승하다가 약 7800FPS 정도로 출력

결과 분석: VAO/VBO 방식이 오버헤드를 대폭 줄여 활용하기 때문에 Immediate Mode보다 훨씬 높은 FPS를 보인다.

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Compilation Instructions

Using Visual Studio

1. 솔루션 열기
   • Assignment8.sln 파일을 Visual Studio에서 엽니다.
2. Clean & Rebuild
   • 상단 메뉴에서 Build > Clean Solution을 선택한 뒤, Build > Rebuild Solution을 실행하여 최신 코드를 빌드합니다.
   • 단축키 Ctrl + Shift + B로 빌드할 수도 있습니다.

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Run Instructions

1. 실행 파일 실행

• 빌드가 완료되면 bin 폴더에 Assignment8_Q1.exe, Assignment8_Q2.exe 파일이 생성됩니다.
• 더블 클릭하여 실행하세요.

2. Visual Studio에서 실행

1. 솔루션 탐색기에서 Q1은 Assignment8_Q1 프로젝트를 Q2는 Assignment8_Q2 마우스 오른쪽 클릭
2. Set as Startup Project를 선택
3. Ctrl + F5를 눌러 디버깅 없이 실행

• 창을 닫으려면 ESC 키 또는 Q 키를 누릅니다.

Short Description

Q1-Immediate Mode는 glBegin/glEnd 사이에서 매 프레임마다 정점 데이터를 CPU에서 GPU로 전송하여 처리하는 렌더링 방식. 이 프로그램은 OpenGL을 사용해 bunny.obj를 렌더링합니다.

1. OpenGL Initialization

• main 함수는 기본 시작 시 렌더링 창을 생성합니다.

2. Mesh Loading

• 렌더링 창을 생성하고 load_mesh("bunny.obj")를 호출합니다.
• 이 데이터는 시스템 메모리에 전체 메시 데이터를 저장하는 3개의 전역 C++ std::vector 컨테이너(gPositions, gNormals, gTriangles)를 채웁니다.

3. ParameterSetup

• Enable Depth Test: glEnable(GL_DEPTH_TEST)를 호출하여 3D 공간에서 객체의 앞뒤 관계가 올바르게 렌더링되도록 설정합니다.
• Disable Back-face Culling: glDisable(GL_CULL_FACE)를 통해 모델의 뒷면도 렌더링되도록 합니다.
• Enable Automatic Normalization: glEnable(GL_NORMALIZE)를 호출하여 조명 계산에 사용될 법선 벡터의 크기를 항상 1로 유지합니다.
• Set Projection: glMatrixMode(GL_PROJECTION)과 glFrustum을 사용하여 원근 투영을 설정하고 카메라의 시야를 정의합니다.
• Model Transformation: glTranslatef와 glScalef를 사용하여 렌더링할 버니 모델을 특정 위치로 이동시키고 10배 확대합니다.
• Global Lighting: 장면에 약한 회색의 Global Ambient을 설정합니다.
• Set Material: Ambient, Diffuse는 흰색으로 완전히 반사하고, Specular은 반사하지 않는 무광 재질로 설정합니다.
• Set Light Source: glEnable(GL_LIGHTING)으로 조명 시스템을 활성화하고, 흰색의 방향성 광원(GL_LIGHT0) 하나를 장면에 추가합니다.

4. Render Loop (display function)

1. Clear Buffers: 각 프레임이 시작될 때, glClear가 이전 프레임의 색상 및 깊이 정보를 지웁니다.
2. CPU-to-GPU Data Transfer: 렌더링 과정은 glBegin(GL_TRIANGLES)와 glEnd() 사이에 포함됩니다.
3. Draw Call: 코드는 gTriangles 벡터에 있는 모든 삼각형을 순회합니다. 각 삼각형의 각 정점에 대해 glNormal3f()와 glVertex3f()를 별도로 호출합니다. 이 명령어들은 해당 단일 정점의 법선 및 위치 데이터를 CPU에서 GPU로 즉시 전송합니다.

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Q2-Retained Mode (VBO/VAO) 는 정점 데이터를 미리 GPU 메모리에 저장(Retain)하고, 매 프레임 간단한 그리기 명령만으로 렌더링하는 방식입니다. 이 프로그램은 VAO와 VBO를 사용해 bunny.obj를 효율적으로 렌더링합니다.

1. Data Structure Definition (Mesh.h)

• 렌더링에 필요한 버퍼 ID(VAO, VBO, EBO)와 인덱스 데이터를 체계적으로 관리하기 위해 RenderData 구조체를 정의합니다.

2. Mesh Data Upload (SetupBuffers function)

• VBO/EBO 생성: 정점의 위치, 법선, 인덱스 데이터를 저장할 VBO와 EBO를 GPU에 생성합니다.
• 데이터 복사: load_mesh로 읽어온 CPU 메모리의 정점 데이터(gPositions, gNormals)와 인덱스 데이터를 GPU 메모리에 있는 VBO와 EBO로 한 번만 복사합니다.
• VAO 설정: 생성된 버퍼들과 데이터의 형식을 하나의 VAO에 상태 정보로 저장합니다.

3. ParameterSetup

• 이 부분은 Q1-Immediate Mode와 동일합니다.
• glEnable, glMatrixMode, glLightfv, glMaterialfv 등 함수를 그대로 사용하여 조명, 재질, 변환을 설정합니다.

4. Render Loop (display function)

1. Clear Buffers: 각 프레임이 시작될 때, glClear가 이전 프레임의 색상 및 깊이 정보를 지웁니다.
2. Bind VAO: glBegin/glEnd 루프 대신, glBindVertexArray()를 호출하여 SetupBuffers에서 설정했던 모든 버퍼와 상태 정보를 한 번에 불러옵니다.
3. Draw Call: glDrawElements() 함수 하나만 호출합니다. 이 명령어는 GPU에 "VAO에 설정된 데이터를 사용하여 삼각형을 그려라"고 지시하며, CPU-GPU 간의 데이터 전송이 거의 발생하지 않습니다.

Parameters

• Window 크기: 1280×1280
• Material 설정:
  • Ambient ka = (1, 1, 1)
  • Diffuse kd = (1, 1, 1)
  • Specular ks = (0, 0, 0)
  • Shininess p = 0
• Light:
  • 전역 조명(Ambient) 강도 Ia = (0.2, 0.2, 0.2)
  • 단일 방향 광원:
    • Ambient = (0, 0, 0)
    • Diffuse = (1, 1, 1)
    • Specular = (0, 0, 0)
    • 광원 방향 = (–1, –1, –1)
• Model 변환:
  • Scale: 모든 축에 대해 10배
  • Translate: (0.1, –1, –1.5)
• Camera:
  • 위치 e = (0, 0, 0)
  • 좌표축 u = (1, 0, 0), v = (0, 1, 0), w = (0, 0, 1)
• Projection:
  • Frustum l = −0.1, r = 0.1, b = −0.1, t = 0.1, n = 0.1, f = 1000