3D-s számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

Tesztkörnyezet I

http://cg.iit.bme.hu/portal/node/312
https://portal.vik.bme.hu/kepzes/targyak/VIIIMA25

Dr. Várady Tamás, Dr. Salvi Péter
BME, Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Irányítástechnika és Informatika Tanszék

Tartalom

• Bevezetés
• Qt alapismeretek
  • Minimális program felépítése
  • QMainWindow (menük, status bar stb.)
  • QProgressBar
• libQGLViewer/OpenGL
  • Alapvető OpenGL rajzolás
  • OpenGL ablak beillesztése

Áttekintés

• Cél: tesztkörnyezet felépítése
• Segítség az önálló feladatokhoz
• Sokrétű ismeret szükséges:
  • C++ ✓
  • OpenGL
  • Qt / libQGLViewer
  • OpenMesh
• Kevés elmélet, sok “gyakorlat”
• Házifeladat

A tesztkörnyezet

• Alapvető felhasználói eszközök
  • Ablak- és menühasználat, progress bar stb.
  • 3D tér forgatása, kameraállapot/kép mentése, háromszöghálós és kitöltött megjelenítés
  • Pontok mozgatása a térben
• Alapvető programozói eszközök
  • Pontok, vektorok, háromszöghálók kezelése
  • Pontok, szakaszok és sokszögek megjelenítése
  • Színezés, textúrázás
  • Néhány algoritmus (pl. görbületszámítás, simítás, Bézier felület kiértékelés)

Demó

• Forráskód: GitHub
• Órai feldolgozás több fázisban
• Platform-független
  • Tesztelve: Linux, Windows, Mac
• Linux virtuális gép (ha muszáj)
  • BME Cloud: https://ik.cloud.bme.hu/
• Probléma esetén Teams üzenet vagy email: salvi@iit.bme.hu
• Bugok, javítási javaslatok ugyanide

Első fázis

• Mit tud?
  • Menük, status bar
  • Négyzet kirajzolása
  • Forgatás, nagyítás, mozgatás
  • Help, teljes képernyő, kamera/kép mentése
  • p megnyomására progress bar teszt
• Ehhez:
  • Qt
  • QGLViewer
  • OpenGL

Qt bevezető

• Honlap: http://www.qt.io/
  • Trolltech → Nokia → Digia → The Qt Company
• Nem kereskedelmi célra ingyenes
• Platform-független GUI
• Szuper dokumentáció (http://doc.qt.io/)
• Saját IDE: Qt Creator
  • De összekapcsolható a Visual Studióval is
  • Tud Makefile-t generálni [qmake]
• Online help, tutorialok, demók
• GUI szerkesztő

Qt és C++

• Saját "STL" könyvtár
  • std::string → QString
  • Saját konténerek (QList, QVector, QMap stb.)
  • Smart pointerek (weak/strong)
• QObject ősosztály
  • Signal-Slot kommunikáció [ld. később]
  • Automatikus fába rendeződés (parent-child)
    • A szülők szabadítják fel a gyerekeiket
    • tr("...") a szövegek fordításához
    • Ehhez: Q_OBJECT makró (előfeldolgozás: moc)
• Text projekt fájl (.pro) → helyette CMake-et használunk

CMake

• Általános, cross-platform make rendszer
• Programozható
• Könnyen megtalálja a könyvtárakat
• Készít Makefile-t vagy VS projekt fájlt
• Jól együtt játszik a Qt-vel
• Benne:
  • Beállítások (pl. Release/Debug)
  • Forrásfájlok nevei
  • Könyvtárak neve
  • Resource-ok

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.20)
project(geo-framework)

find_package(OpenMesh REQUIRED)
find_package(QGLViewer REQUIRED)
...

set(geo_HEADERS # headers processed by MOC
  viewer.hh window.hh )
qt6_wrap_cpp(geo_HEADERS_MOC ${geo_HEADERS})

include_directories(
  ${OPENMESH_INCLUDE_DIR} ${Qt6Widgets_INCLUDE_DIRS} ... )

add_executable(geo-framework WIN32
  ${geo_HEADERS_MOC} textures.qrc bezier.cc main.cc ... )

target_link_libraries(geo-framework PUBLIC
  ${OPENGL_LIBRARIES} ${OPENMESH_LIBRARIES} Qt6::Core ... )

Qt elnevezési séma

• Osztályok:
  • QSomeClass (→ #include <QSomeClass> )
• Konstansok:
  • QSomeClass::EnumType → ValueOne, ValueTwo;
  • Qt::EnumType → Qt::ValueOne, Qt::ValueTwo;
• Metódusok:
  • QSomeClass::someMethod(...)
• Tulajdonságok:
  • QSomeClass::someProperty()
  • QSomeClass::setSomeProperty(...)

Signal-Slot kommunikáció (1)

• Események (event):
  • Minden GUI mozgató rugója
  • Felhasználói események
    (egér mozgatása, klikkelés, gépelés, gomb megnyomása stb.)
  • Független események
    (időzítés, egy widget állapotának megváltozása stb.)
• Cél:
  • Reagálás az eseményre
  • Reakció lehet “független” widgetben
• Hagyományos megoldás:
  • Callback függvény (paraméterátadás problémás, nem type-safe)

Signal-Slot kommunikáció (2)

• Signal:
  • Valamilyen "eseményt" jelez
  • Osztály deklarálásánál signals:
  • Jelzés az emit paranccsal
  • Paraméterezhető
• Slot:
  • Osztály deklarálásánál slots:
  • Összekapcsoláshoz connect makró
  • Paramétertípusoknak egyezni kell
  • Mindkét oldalon lehet többszörös
    (egy signalhoz több slot, egy slothoz több signal)

Programozás Qt-vel

• Fő ablak osztály
  • Egy Qt osztályból származtatva
  • Q_OBJECT
  • Kibővítve (új signalok, slotok)
  • Testreszabva (virtuális metódusok újraírása)
• Főprogram
  • QApplication meghívása
  • Ez felelős a GUI vezérléséért
• Projekt fájl / [C]Makefile készítés
• Fordítás

A főprogram

main.cc

#include <QtWidgets/QApplication>

#include "window.hh"

int main(int argc, char **argv) {
  QApplication app(argc, argv);
  Window window;
  window.show();
  return app.exec();
}

A fő ablak

• QMainWindow-ból származtatjuk
  • Menüsor, toolbar, fő widget, status bar
• File menü hozzáadása

window.hh

#pragma once

#include <QtWidgets/QMainWindow>

class Window : public QMainWindow {
  Q_OBJECT
public:
  Window();
};

window.cc

#include <QtWidgets>
#include "window.hh"

Window::Window() {
  setWindowTitle(tr("Geometry Framework"));
  setStatusBar(new QStatusBar);

  auto quitAction = new QAction(tr("&Quit"), this);
  quitAction->setShortcut(tr("Ctrl+Q"));
  quitAction->setStatusTip(tr("Quit the program"));
  connect(quitAction, &QAction::triggered, this, &Window::close);

  auto fileMenu = menuBar()->addMenu(tr("&File"));
  fileMenu->addAction(quitAction);
}

Progress bar hozzáadása

• A program eddig:
  
• Progress Bar kezelés:
  • Csak a folyamat alatt jelenik meg
  • Három slot: start, mid, end
  • Nem kell mindegyiket használni
    (pl. gomb megnyomása / számolás vége)
  • Időt kell szakítani a grafika frissítésére
    (QApplication::processEvents(...))

window.hh

// ...
class QApplication;
class QProgressBar;

class Window : public QMainWindow {
  Q_OBJECT
public:
  explicit Window(QApplication *parent);
private slots:
  void startComputation(QString message);
  void midComputation(int percent);
  void endComputation();
private:
  QApplication *parent;
  QProgressBar *progress;
};

main.cc

  // ...
  QApplication app(argc, argv);
  Window window(&app);
  // ...

window.cc

Window::Window(QApplication *parent) : QMainWindow(), parent(parent) {
  // ...
  progress = new QProgressBar;
  progress->setMinimum(0); progress->setMaximum(100);
  progress->hide();
  statusBar()->addPermanentWidget(progress);
}

window.cc (folytatás)

void Window::startComputation(QString message) {
  statusBar()->showMessage(message);
  progress->setValue(0);
  progress->show();
  parent->processEvents(QEventLoop::ExcludeUserInputEvents);
}
void Window::midComputation(int percent) {
  progress->setValue(percent);
  parent->processEvents(QEventLoop::ExcludeUserInputEvents);
}
void Window::endComputation() {
  progress->hide();
  statusBar()->clearMessage();
}

libQGLViewer

• Honlap: http://www.libqglviewer.com/
  vagy (inkább) GitHub
• Kiegészítő könyvtár Qt-hez
  • OpenGL ablakkezelés Qt környezetben
  • Vektor osztály (egyben pont osztály is)
  • Kamera osztály (mátrixtranszformációk)
• Sok hasznos funkció
  • Kameramozgatás
  • 3D kiválasztás
  • Teljes képernyőre váltás
  • Stb. (ld. help / dokumentáció)

viewer.hh

#pragma once

#include <QGLViewer/qglviewer.h>

class Viewer : public QGLViewer {
  Q_OBJECT

public:
  explicit Viewer(QWidget *parent);

signals:
  void startComputation(QString message);
  void midComputation(int percent);
  void endComputation();

protected:
  virtual void init() override;
  virtual void draw() override;
  virtual void keyPressEvent(QKeyEvent *e) override;
  virtual QString helpString() const override;
};

Virtuális függvények

• void init():
  OpenGL beállítások inicializáláskor, pl.:
  glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE, 1);
  [mindkét oldal legyen megvilágítva]
• void draw():
  OpenGL kirajzolás
• void keyPressEvent(QKeyEvent *):
  Eseménykezelő billentyű leütésekor
• QString helpString() const:
  A helpben megjelenítendő szöveg

OpenGL rajzolás (old-school)

• Nézet (camera) kezelése → libQGLViewer
• Alapból a síkra néz
• Általános struktúra:

  glBegin(OBJEKTUM_TÍPUS);
  glVertex3f(float, float, float);
  // ...
  glEnd();
  

• GL_POINTS, GL_LINES, GL_POLYGON stb.
• ...[234][sifd]v?
  • 2/3/4: dimenzió (4: homogén koordináták)
  • s/i/f/d: short, int, float, double
  • v: vektor, pl. 2fv → float[2]-t adunk át

viewer.cc

#include <thread>
#include <QtGui/QKeyEvent>
#include "viewer.hh"

Viewer::Viewer(QWidget *parent) : QGLViewer(parent) { }

void Viewer::init() {
  glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE, 1);
}

void Viewer::draw() {
  glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);
  glBegin(GL_POLYGON);
  glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.0); glVertex3f( 0.5, -0.5, 0.0);
  glVertex3f( 0.5,  0.5, 0.0); glVertex3f(-0.5,  0.5, 0.0);
  glEnd();
}

QString Viewer::helpString() const {
  return "<h2>Geometry Framework</h2> ...";
}

viewer.cc (folytatás)

void Viewer::keyPressEvent(QKeyEvent *e) {
  using namespace std::literals::chrono_literals;
  if (e->modifiers() == Qt::NoModifier)
    switch (e->key()) {
    case Qt::Key_P:
      emit startComputation(tr("Testing progress bar..."));
      for (size_t i = 1; i <= 10; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(0.3s);
        emit midComputation(i * 10);
      }
      emit endComputation();
      break;
    default:
      QGLViewer::keyPressEvent(e);
    } else
    QGLViewer::keyPressEvent(e);
}

window.hh

#include "viewer.hh"

class Window : public QMainWindow {
private:
  Viewer *viewer;
  // ...
};

window.cc

Window::Window(QApplication *parent) : QMainWindow(), parent(parent) {
  viewer = new Viewer(this);
  connect(viewer, &Viewer::startComputation, this, &Window::startComputation);
  connect(viewer, &Viewer::midComputation, this, &Window::midComputation);
  connect(viewer, &Viewer::endComputation, this, &Window::endComputation);
  setCentralWidget(viewer);
  // ...
}

Kész az első fázis