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<title> 3D {{avec|with}} OpenGL {{et|and}} Python</title>
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<h1><!--
--><a class="homeicon" href="index.html"></a><!--
--><span class="text">3D {{avec|with}} OpenGL</span><!--
--></h1>
<section>
<p class="lang-switch"><a href="3D.{{en|fr}}.html" lang="{{en|fr}}" hreflang="{{en|fr}}"><img style="vertical-align:middle; margin-right: 5px;" src="flag-{{en|fr}}.png"/>{{English here!|Français ici !}}</a>
<h3>{{De la 2D à la 3D|From 2D to 3D}}</h3>
<p>
Comme illustré dans
<a href="gl_brick.py.html">gl_brick</a>
et
<a href="gl_brick_shaders.py.html">gl_brick_shaders</a>,
un jeu purement 2D peut être affiché en 3D, comme ce casse brique.
</p>
<p>
La seule chose qui changera est la partie <strong>dessin</strong>, la logique restera la même.
Pour comparer la version 2D et la version 3D, regardez le code
<a href="gl_brick_2d.py.html">gl_brick_2d</a>.
</p>
<p>
On fait de la 3D grâce à OpenGL.
Attention, le code <a href="gl_brick.py.html">gl_brick</a> utilise de la <em>vieille</em> 3D (années 2000).
On parle d'OpenGL <em>version 2</em> ou de <em>fixed pipeline</em> ou <em>mode immédiat</em> ou <em>opengl sans shaders</em>.
Cependant, OpenGL 2 est très utile pour comprendre les bases de la 3D et les matrices
ou pour avoir vite fait un affichage mais nous ne la verrons pas dans ce cours.
</p>
<p>
Il est vivement conseillé d'apprendre les shaders (OpenGL 3 et 4) dès le début de votre apprentissage OpenGL
pour pouvoir faire de puissants effets modernes.
Un projet fini avec des shaders ressemble à <a href="gl_brick_shaders.py.html">gl_brick_shaders</a> mais nous verrons pas à pas les concepts dans quelques petits codes plus simples.
</p>
<p>
Il existe aussi des moteurs de jeux (<em>game engines</em>) qui nous simplifie la vie, comme <strong>Unity</strong> ou <strong>Unreal Engine</strong>
mais nous ne les verrons pas dans ce cours.
Avec OpenGL nous sommes plus près de la machine, nous sommes plus <em>bas niveau</em>
et donc on comprends mieux comment les choses marchent.
Si vous voulez, OpenGL est ce en quoi sont <em>créés</em> les moteurs de jeux.
Cependant ne vous inquiétez pas, OpenGL est raisonnablement facile à apprendre.
</p>
<p>
Je vais traduire en français
<a href="https://learnopengl.com">ce tutoriel (learnopengl.com)</a> qui est un très bon tutoriel OpenGL.
Cependant il s'addresse à des utilisateurs plus avancés et de plus il est en C++.
</p>
<p>Pour les concepts de base, je vous guiderez avec une liste de codes, pour les intéressés voici un tutoriel
<a href="https://www.youtube.com/playlist?list=PLRIWtICgwaX0u7Rf9zkZhLoLuZVfUksDP">
en java par ThinMatrix</a>.
</p>
<p>L'avantage est que les fonctions ont le même nom en C++ ou Java ou Python,
en effet la bibliothèque OpenGL est une bibliothèque C qui a beaucoup de <em>wrapper</em>
dans des languages plus <em>simples</em> (plus <em>haut niveau</em>) comme Python ou Java.
</p>
<p>
Les fonctions et les concepts OpenGL sont documentés sur
<a href="https://www.khronos.org/opengl/wiki/">le wiki OpenGL</a>.
</p>
</section>
<h2 id="tutori{{e|a}}l">Tutoriel</h2>
<section name="tutori{{e|a}}l">
<h3 id="installation-{{et-prerequis|and-prerequisites}}">Installation et prérequis</h3>
<p>
Nous allons continuer à utiliser <code>pygame</code> auquel nous allons rajouter
la bibliothèque OpenGL pour travailler en 3D.
</p>
<p>
Allez sur la page <a href="theorie0_installation.{{fr|en}}.html">d'installation</a> pour l'installer chez vous.
</p>
<p>
Avant d'entamer la 3D, je conseille d'être à l'aise avec
<a href="theorie3_fonctions_et_objets.py.html">les fonctions et les objets (Théorie 3).</a>
</p>
<p>
Tous les codes font un <code>import vecutils</code> donc vous devez
<a href="vecutils.py.html">télécharger vecutils</a>
et le mettre à côté de votre fichier <code>.py</code>.
</p>
<p>
Vous pouvez également télécharger <a href="gl_3d_basics.zip">gl_3d_basics.zip</a> qui contient tous les fichiers nécessaires de ce chapitre.
Ce dossier est également présent sur les ordis de l'école dans le dossier réseau du parascolaire, je vous invite à le copier dans votre propre dossier.
</p>
<h3 id="shader-intro">Shaders</h3>
<p>
En partant du <a href="pygame0_code_minimal.py.html">code de base 2D</a>, voici les étapes à faire:
<p class="para-discret"><em>La correction de ce tutoriel se trouve dans
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commits/3D_tutorial">
la liste des versions</a> de ma branche
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/tree/3D_tutorial">
2D_tutorial</a> dans mon dépôt
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials">
parascolaire-tutorials</a> qui contient plusieurs tutoriels informatiques, ces tutoriels font parties de mon
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/">
github</a>.
Plus d'infos sur le système de correction <a href="https://www.facebook.com/robert.vanden.eynde/posts/10155911260243592">ici</a>.</em>
<ol>
<li>
<p>
Importez PyOpenGL
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/fc06f0207205ec58155c6cf6f28b6d619ecccf1b?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GL import shaders
</code></pre>
<p>
Si vous avez bien installé OpenGL, il ne devrait pas y avoir d'erreur.
</li>
<li>
<p>
Indiquez que l'écran sera maintenant géré par OpenGL :
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/e3c69d329252b97a3e1efa3f2ff388c05a2af244?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
pygame.display.set_mode((512, 512), <mark>pygame.OPENGL | pygame.DOUBLEBUF</mark>)
</code></pre>
Remarquez qu'on n'a plus besoin de faire <code>ecran =</code> car on ne manipulera plus l'écran directement.
</li>
<li>
<p>
Les couleurs en OpenGL sont de 0 à 1
(voir explications <a href="turtle.fr.html#color-explanation">ici</a>),
une couleur qui était par exemple de <code>[255, 153, 0]</code> sera maintenant de <code>[255/255, 153/255, 0/255]</code> et donc <code>[1, 0.6, 0]</code>.
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/57bc9f46eadda25eaacda996287e6c20286fb965?diff=split">
#Correction</a>
</li>
<li>
<p>
L'équivalent OpenGL du <code>ecran.fill</code> est :
<pre><code class="py normal-comments">
glClearColor(0.9, 0.9, 0.5, 1.0) # du jaune, 1.0 est la transparence
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
</code></pre>
<p>
Remarquez que vu qu'OpenGL est une grande machine à état, si vous faites </code>glClearColor</code> au début, il s'en souviendra jusqu'à ce qu'elle change.
<p>
Vu que nous faisons un rendu OpenGL, vous devez enlever les appels <code>pygame.draw</code>.
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/03b256aca4ff743fe03b523cd020f437118cd9b4?diff=split">
#Correction</a>
<p>
<em>Si vous lancez votre code vous devriez avoir un écran jaune.</em>
</li>
<li>
<p>
La partie dessin sera un ensemble de <em>shader program</em>,
chaque <em>shader program</em> contient au moins 2 <em>shaders</em>,
le <em>vertex shader</em>,
et le <em>fragment shader</em>.
<p>
Un shader c'est un petit fichier de code, codé en langage GLSL, il sera exécuté en parallèle sur la carte graphique !
<p>
Chaque shader program peut dessiner (<em>render</em>) un ou plusieurs
<em>VAO</em>, chaque <em>VAO</em> trouve ses données dans un <em>VBO</em>.
<p>
Un <em>VBO</em> est simplement une liste de nombre,
un VAO dit comment sont structurés ces nombres.
<figure>
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/WMiggUPst-Q?start=19&end=87" frameborder="0" allow="encrypted-media" allowfullscreen></iframe>
<figcaption>[Durée 1:10] [Sous-titres bientôt] ThinMatrix explaining VAO and VBO.</figcaption>
</figure>
<p>
<a href="https://www.youtube.com/watch?v=WMiggUPst-Q&index=2&list=PLRIWtICgwaX0u7Rf9zkZhLoLuZVfUksDP">[ThinMatrix | VAO/VBO]</a>
<a href="https://www.youtube.com/watch?v=AyNZG_mqGVE&index=4&list=PLRIWtICgwaX0u7Rf9zkZhLoLuZVfUksDP">[ThinMatrix | Shaders]</a>
</li>
<li>
<p>
La partie dessin sera donc une série de <em>sélectionner un shader program, sélectionner le VAO, dessiner.</em>
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/c1b9c59d05c632e648bde292e18016cb7c9c09d0?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
glUseProgram(shader_program)
glBindVertexArray(vertex_array_object)
# <span class="normal-comment">ici on fera un dessin opengl utilisant le vao et le shader program</span>
glBindVertexArray(0)
glUseProgram(0)
</code></pre>
<p>Vous devriez avoir deux erreurs en insérant ce code, <code>shader_program</code> et <code>vertex_array_object</code> n'étant pas défini.
<p>
Mais qu'est ce qu'on dessine en 3D ? C'est des points qui sont assemblés en triangles !
Mais d'où viennent ces points ? Ils viennent du VBO et passent par le VAO !
</li>
<li>
<p>Au début du code, on va créer un VBO qui contient les positions 2D de nos 3 points.
<p>Ici, on est dans le repère de base de OpenGL, le <em>NDC</em> (Normalized Device Coordinates).
Le point en <strong>bas à gauche</strong> est <code>(-1, -1)</code>.
Le point en <strong>haut à droite</strong> est <code>(+1, +1)</code>.
Le centre de l'écran sera donc <code>(0, 0)</code>,
l'axe <strong>x</strong> part vers la <strong>droite</strong>,
l'axe <strong>y</strong> part vers le <strong>haut</strong>,
l'axe <strong>z</strong> rentre dans l'écran et part derrière votre écran.
<figure>
<pre class="img-frame" style="vertical-align:middle"><code class="py">
vertices = farray([
0.6, 0.6, 0.0, 1.0,
-0.6, 0.6, 0.0, 1.0,
0.0, -0.6, 0.0, 1.0,
])
</code></pre>
<img class="img-frame" src="ndc-flat.svg" style="vertical-align:middle" />
<img class="img-frame" src="ndc-opengl.png" style="vertical-align:middle" />
</figure>
<p>On a donc trois points dont les XY valent (0.6, 0.6), (−0.6, 0.6) et (0, −0.6). La coordonnée en Z sera de 0 (on la changera plus tard), et la dernière coordonnée (appelée <em>W</em>) sera <strong>toujours de 1</strong>.
Pour en savoir plus sur <em>W</em>, voir la page de <a href="math.{{fr|en}}.html#translation">math (translation)</a>.
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/1f3fc2c88468bc20868479bd1bf792081c0be30b?diff=split">
#Correction</a>
<p>Bien que dans le futur nous utiliserons plutôt un repère <em>main droite</em> (<em>dextrogyre</em>),
le repère de base OpenGL est <em>main gauche</em> (<em>lévogyre</em>).
<figure>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top; max-width:430px">
<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D_Cartesian_Coodinate_Handedness.jpg#/media/File:3D_Cartesian_Coodinate_Handedness.jpg">
<img width="430" src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/3D_Cartesian_Coodinate_Handedness.jpg" alt="3D Cartesian Coordinate Handedness.jpg" />
</a>
<figcaption>Un repère dextrogyre à droite et un repère lévogyre à gauche.</figcaption>
By <a href="//commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:Primalshell&action=edit&redlink=1" class="new" title="User:Primalshell (page does not exist)">Primalshell</a> - <span class="int-own-work" lang="en">Own work</span>, <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0" title="Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0">CC BY-SA 3.0</a>, <a href="https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27531327">Link</a>
</div>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top; max-width:260px">
<img width="260" src="3d-pythagore.png" />
<figcaption>Un repère dextrogyre <em>Z vers le haut</em>.</figcaption>
</div>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top; max-width:300px">
<img width="300" src="XYZ_axes_Y_up.png" />
<figcaption>Un repère dextrogyre <em>Y vers le haut</em>.</figcaption>
</div>
</figure>
<p>
Quand nous serons vraiment en 3D, nous utiliserons la convention <strong>dextrogyre</strong> de <strong>Z vers le haut</strong>.
D'autres personnes (comme ThinMatrix, ou dans le jeu Minecraft) utilisent la convention <strong>Y vers le haut</strong>.
<p>La carte graphique veut un <code>farray</code>, il faut donc faire la conversion.
<!--
<p>
Un <code>farray</code> est un cas particulier de <code>numpy.array</code>
donc vous pourriez faire des opérations comme <code>farray((1,2)) + farray((3,4))</code> ou <code>3 * farray((1,2))</code>.
-->
Le <em>f</em> veut dire que la liste contient des nombres à virgule flottante sur 32 bits
(voir définition de <code>farray</code> dans <a href="vecutils.py.html">vecutils</a>), c'est ce que la carte graphique veut.
<!--
<a href="vecutils.py.html">vecutils</a> contient également des raccourcis pour dire <code>farray((x,y,z))</code>, on peut faire <code>vec3(x,y,z)</code>,
il y a aussi <code>vec2(x,y)</code> et des fonctions pratiques pour faire des conversions.
-->
<p>
Vu que <code>farray</code> est dans <code>vecutils</code>, faites bien attention d'avoir écrit
<code>import vecutils</code>, d'avoir téléchargé
<a href="vecutils.py.html">vecutils</a>
et de l'avoir mis à côté de votre fichier <code>.py</code>.
Pour pouvoir écrire <code>farray</code> et non <code>vecutils.farray</code>, lisez le fichier <a href="progra_import.py.html">progra_import</a>,
vous comprendrez donc pourquoi il faut écrire <code>from vecutils import farray</code> ou <code>from vecutils import *</code>.
<p>On a défini des points en RAM, il est temps de les mettre dans un VBO de la carte graphique !
</li>
<li>
<p>Toujours au début du code, on va donc créer un VBO.</p>
<pre><code class="py">
vertex_buffer = glGenBuffers(1)
</code></pre>
<p>On veut un seul buffer, sinon on aurait pu faire <code>a,b,c = glGenBuffers(3)</code> par exemple.
<p>On dit à OpenGL qu'on va le manipuler donc on le <em>bind</em>, à la fin on le détachera avec <em>unbind</em>, parfois j'aime dire qu'on le <em>sélectionne</em> et puis qu'on le <em>désélectionne</em>.</p>
<pre><code class="py">
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertex_buffer) # <span class="normal-comment">on sélectionne le vbo "vertex_buffer"</span>
# <span class="normal-comment">manipulation vbo</span>
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0) # <span class="normal-comment">aucun vbo sélectionné</span>
</code></pre>
<p>On envoie les nombres dans le VBO !
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/3185f12f1f527baded572fd3c39c87e7f4c1d449?diff=split">
#Correction</a>
<p>
<em>Placez ce code dans la partie <code>manipulation vbo</code> :</em>
<pre><code class="py">
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 48, vertices, GL_STATIC_DRAW) # 48 bytes
</code></pre>
<p>D'où vient ce <strong>48</strong> ? C'est le nombre d'octets (bytes) qu'on envoie, en fait, chaque nombre dans un <code>farray</code> fait <strong>4</strong> octets (32 <em>bits</em>),
ce qui fait donc <strong>4 × 12 = 48</strong> octets envoyés.
<p>Cependant on pourrait aussi faire ceci pour ne pas devoir calculer le nombre d'octets :
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/5606b4344758696bcabfdb34ce4447aca2ec47d1?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, <mark>ArrayDatatype.arrayByteCount(vertices)</mark>, vertices, GL_STATIC_DRAW) # 48 bytes
</code></pre>
<p>Finalement, le <code>GL_STATIC_DRAW</code> est un indice donné à la carte graphique disant que ces données ne changeront jamais.
<p>Les données, les 48 bytes, sont dans la carte graphique, on doit maintenant donner plus d'infos, ce ne sont pas des bytes, ce sont des coordonnées pardi ! Direction <em>VAO</em> !
</li>
<li>
<p>On crée un VAO, et on spécifie le type de données :
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/64fba2bacd08f151ce0d46432a0993cc3b6dfd48?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
vertex_array_object = glGenVertexArrays(1)
glBindVertexArray(vertex_array_object) # <span class="normal-comment">on sélectionne le vao "vertex_array_object"</span>
# <span class="normal-comment">manipulation vao</span>
glBindVertexArray(0) # <span class="normal-comment">aucun vao sélectionné</span>
</code></pre>
Et puis on informe du type de donnée, <strong>attention</strong> le VBO doit être <em>binded</em>.
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/36dfdef9a995acf3066c7be4e27edec7eef420ed?diff=split">
#Correction</a>
<p class="desc">Placez ce code dans la partie <code>manipulation vao</code>.
<pre><code class="py">
glEnableVertexAttribArray(0) # <span class="normal-comment">on active l'attribut 0</span>
glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, False, 0, ctypes.c_void_p(0)) # <span class="normal-comment">données par groupe de 4 Float dans l'attribut 0</span>
</code></pre>
<ol>
<li>
Un VAO peut stocker plusieurs infos (des <em>attributs</em>),
ici on a juste une info à donner, donc on indique dans la première info, on indique donc 0, qu'on active via <em>enable</em>.
<li>
On a des coordonnées xyzw, et chaque nombre est un GL_FLOAT vu qu'on avait un <code>farray</code>.
Ça fait donc 4 GL_FLOAT.
<li>Le dernier 0 est le paramète de <em>décalage</em> (<em>stride</em>), on ne l'utilise pas.
<li>Le c_void_p(0) est un paramète que nous n'utilisons pas non plus.
</ol>
</li>
<li>
On a stocké une liste de xyzw dans la carte graphique, c'est parti pour les shaders !
<p>
<a href="https://www.youtube.com/watch?v=AyNZG_mqGVE&index=4&list=PLRIWtICgwaX0u7Rf9zkZhLoLuZVfUksDP">[ThinMatrix | Shaders]</a>.
<p>
Comme dit précédemment, on va créer un shader program et l'utiliser dans le dessin.
<p>
<em>Au début du code on fait donc :</em>
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/52567693193b2fe46de8265bafd6f8d2af180e6e?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
vertex_shader = '''
// contenu du vertex shader
'''
fragment_shader = '''
// contenu du fragment shader
'''
shader_program = shaders.compileProgram(
shaders.compileShader(vertex_shader, GL_VERTEX_SHADER),
shaders.compileShader(fragment_shader, GL_FRAGMENT_SHADER))
</code></pre>
<p>
<em>Si vous lancez votre code vous devriez avoir une erreur car les shaders sont vides.</em>
<p>
En GLSL, les commentaires sont via <code>//</code> et non <code>#</code>.
<p>
Maintenant que vous savez la différence entre <em>shader</em> et <em>shader program</em>, je risque de dire <em>shader</em> pour les deux.
<p>
Et dans la partie dessin, on comprends maintenant que sont ces shader et vao !
<p>
<em>La partie <em>dessin</em> de votre programme sera donc comme ceci :</em>
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/fa8a836825927bf7fc2156ce0e39e64618248757?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
glUseProgram(shader_program)
glBindVertexArray(vertex_array_object)
<mark>glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3)</mark>
glBindVertexArray(0)
glUseProgram(0)
</code></pre>
<p>
L'appel à <code>glDrawArrays</code> est expliqué comme ceci :
<ol>
<li>On a <strong>3</strong> points à dessiner.
<li>On commence au point numéro <strong>0</strong>.
<li>On fait un <strong>triangle</strong> tous les 3 points.
</ol>
<p>On va (enfin !) passer au contenu des 2 shaders.
</li>
<li>
<p>Le vertex shader est appelé une fois par <strong>point</strong> (<em>vertex</em> au singulier, <em>vertices</em> au pluriel).
<p>
Le vertex shader...
<ul>
<li><code>[input]</code> Lit les <strong>attributs</strong> du point.
<li><code>[output]</code> Calcule la <strong>position</strong> finale du point, <code>gl_Position</code>.
</ul>
<p>Ici, on n'a rien à faire, on lit l'attribut envoyé, et on l'écrit dans <code>gl_Position</code>.
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/6f69ac995281dcd5d695eb8a3757b04e72b44769?diff=split">
#Correction</a>
<p class="desc">Remplacez le commentaire <code>// contenu du vertex shader</code> par :
<pre><code class="glsl">
#version 330
// vertex shader
in vec4 position; // <span class="normal-comment">on lit le xyzw</span>
void main() {
gl_Position = position; // <span class="normal-comment">et on l'écrit</span>
}
</code></pre>
<p>Attention, n'enlevez pas le <code>#version 330</code>, on est en GLSL et donc ce n'est <strong>pas</strong> un commentaire !
<p>Ensuite nous avons la liste des <code>in</code> et <code>out</code> de notre shader, actuellement, il n'y a qu'un <code>in</code>.
<p>Ensuite nous écrivons <code>void main() {</code>,
cette syntaxe inspirée du langage C veut dire
<em>le calcul commence ici et finit quand l'accolade est fermée</em>,
le code en dehors du <code>main</code> n'est que descriptif.
<p>Le seul calcul qu'on fait ici n'en n'est pas vraiment un, on lit l'entrée <code>position</code> et on l'écrit dans la sortie <code>gl_Position</code>.
<p>Finalement nous fermons l'accolade ouverte précédemment en écrivant <code>}</code>
<p>Le vertex shader peut également calculer d'autres infos qui seront passées au fragment shader, ces valeurs seront <em>interpolées</em>, on verra ça plus tard.
<p class="desc">Si vous lancez votre code vous devriez avoir une erreur car nous n'avons pas encore écrit de fragment shader.
</li>
<li>
<p>OpenGL a assemblé nos trois points, et crée un triangle, le frament shader sera appelé une fois par <strong>pixel</strong> de ce triangle.
<p>
Le fragment shader...
<ul>
<li><code>[input]</code> Lit les <strong>infos</strong> calculées dans le vertex shader (les <code>out</code> du vertex shader).
<li><code>[output]</code> Calcule la <strong>couleur</strong> finale du pixel dans sa variable <code>out</code>.
</ul>
<p>
Ici, on va juste dire que le pixel est orange, à 100% de transparence.
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/bdcb22e08a85b76b7cc116c005c6bf21b47b9387?diff=split">
#Correction</a>
<p class="desc">Remplacez le commentaire <code>// contenu du fragment shader</code> par :
<pre><code class="glsl">
#version 330
// fragment shader
out vec4 pixel; // <span class="normal-comment">notre but est de donner la couleur du pixel</span>
void main() {
pixel = vec4(1, 0.5, 0, 1); // <span class="normal-comment">orange, transparence 100%</span>
}
</code></pre>
<p>N'essayez pas de <em>juste</em> changer la valeur de la transparence, il faut activer d'autres choses pour ça (<code>glEnable(GL_BLEND)</code> est un bon début).
<!--
<p>
Remarque que la seule info que le vertex shader nous envoie, c'est la position finale du point, on pourrait la lire avec <code>gl_FragCoord</code>.
en écrivant par exemple <code>gl_FragCoord.x</code>, <code>gl_FragCoord.y</code>, <code>gl_FragCoord.z</code>,<code>gl_FragCoord.w</code> (attention, gl_FragCoord dépend de gl_Position mais n'y est <a href="https://stackoverflow.com/questions/18590074/glsl-passing-coordinates-to-fragment-shader#18590569">pas égal</a>).
-->
<p>
Finalement, il faut que l'attribut dans le VAO correspond à l'attribut 0 dans le shader, soit on l'indique dans le vertex shader via <code>location</code> :
<pre><code class="glsl">
// vertex shader
<mark>layout (location = 0)</mark> in vec4 position; // <span class="normal-comment">on lit le xyzw</span>
</code></pre>
<p>
Ou bien on peut utiliser <code>glGetAttribLocation</code> dans le code python pour savoir le numéro qui a été assigné automatiquement :
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/7df1ea2a99b82930cebbe8e89537708be1bcacc2?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py normal-comments">
<mark>position = glGetAttribLocation(shader_program, 'position')</mark>
glEnableVertexAttribArray(<mark>position</mark>) # on active l'attribut position
glVertexAttribPointer(<mark>position</mark>, 4, GL_FLOAT, False, 0, ctypes.c_void_p(0)) # données par groupe de 4 Float dans l'attribut position
</code></pre>
<p>
Attention, parfois cet attribut est supprimé quand il n'est pas utilisé, et <code>glGetAttribLocation</code> renvoie <code>-1</code>
<a href="https://github.com/robertvandeneynde/parascolaire-tutorials/commit/91db26d8224d48a2f33e774e9ab15927aa2f6169?diff=split">
#Correction</a>
<pre><code class="py">
position = glGetAttribLocation(shader_program, 'position')
if <mark>position != -1</mark>:
glEnableVertexAttribArray(position) # on active l'attribut position
glVertexAttribPointer(position, 4, GL_FLOAT, False, 0, ctypes.c_void_p(0)) # données par groupe de 4 Float dans l'attribut position
else:
print('inactive attribute "{}"'.format('position'))
</code></pre>
<p>
Votre code devrait maintenant enfin afficher quelque chose, le triangle sur la figure ci-dessous,
mais ne vous inquiétez pas, la <em>vraie</em> 3D arrive dans les exercices pour rajouter de la perspective, à la fin des exercices on aura un résulat comme les petits oiseaux ci-dessous !
<figure>
<div class="img-frame" style="max-width:400px; vertical-align:top;">
<img width="400" src="wonderful_triangle.png" /><!--
--><figcaption><a href="gl_shaders.py.html">gl_shaders</a> : Un <em>incroyable</em> triangle qui a subit le pipeline OpenGL.</figcaption>
</div>
<div class="img-frame" style="max-width:400px; vertical-align:top;">
<img src="colorful_birds.png" width=400 /> <!-- tick = 480 in gl_matrices_and_interpolation -->
<figcaption>Mes <em>magnifiques</em> oiseaux 3D, en perspective, avec un gradient de couleur.</figcaption>
</div>
</figure>
<p>Vous pouvez maintenant passez aux <a href="#shaders-exercices">exercices</a> ou lire les annexes ci-dessous !
</li>
<li id="pipeline"><em>Annexe facultative A: le Pipeline</em> <a href="#pipeline">¶</a>;
<p>
La suite d'opération vertex shader, fragment shader est appelé le pipeline graphique.
Il est fait en parallèle sur la carte graphique, si on a 30 points et 30 unités sur la carte graphique, alors ça prendra autant de temps d'avoir 1 point que 30.
Le vertex shader sera appelé en parallèle pour les 30 points en même temps.
<p>
On peut rajouter plein d'étapes sur le pipeline, le vertex shader et fragment shader étant le minimum.
<figure>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top; max-width:500px">
<a href="https://learnopengl.com/img/getting-started/pipeline.png" />
<img src="https://learnopengl.com/img/getting-started/pipeline.png" width="500" />
</a>
<figcaption>Le pipeline graphique, on y voit le vertex shader et le fragment shader.</figcaption>
</div>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top; max-width:500px">
<a href="opengl_reference_pipeline.png" />
<img src="opengl_reference_pipeline.png" width=500 />
</a>
<figcaption>Le pipeline graphique complet en OpenGL 4, il y a plein d'autres étapes modifiables ! Cliquez pour voir en grand.</figcaption>
</div>
</figure>
<p>
La vidéo de ThinMatrix explique assez bien:
<figure>
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/AyNZG_mqGVE" frameborder="0" allow="autoplay; encrypted-media" allowfullscreen></iframe>
</figure>
</li>
<li id="interpolation"><em>Annexe facultative B: l'interpolation</em> <a href="#interpolation">¶</a>;
<p>
Un petit mot sur <strong>l'interpolation</strong>.
<ul>
<li>Le vertex shader est appelé une fois par point.
<li>Le fragment shader est appelé une fois par pixel.
<li>Le vertex shader peut envoyé des infos au fragment shader en plus de la position.
<li>Le fragment shader peut recevoir des infos du vertex shader pour calculer une couleur.
</ul>
Mais comment on passe d'une info <strong>par point</strong> à une info <strong>par pixel</strong> ?
<p>
Si par exemple, le point 1 envoie l'info <strong>1</strong>, le point 2 envoie l'info <strong>2</strong> et le point 3 envoie l'info <strong>3</strong>,
quelle info va recevoir le pixel ?
<figure style="max-width:560px">
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/AyNZG_mqGVE&start=425&end=505" frameborder="0" allow="autoplay; encrypted-media" allowfullscreen></iframe>
<figcaption>ThinMatrix invente des attributs fictifs <code>catFactor</code> et <code>dogDistance</code> qui servent à calculer la couleur de chaque pixel.</figcaption>
</figure>
<p>
Et bien, ça dépendra de sa <strong>distance 3D</strong> par rapport aux points,
au plus le pixel est proche du point, au plus il prendra sa valeur.
Ainsi un pixel proche du point 1 recevra l'info 1.
Un pixel à égale distance des points 1, 2 et 3 recevra valeur <em>⅓ 1 + ⅓ 2 + ⅓ 3 = 2</em>.
Le pixel au milieu des points 1 et 2 recevra la valeur <em>½ 1 + ½ 2 = 1.5</em>.
<p>Le premier exercice fera ça pour les couleurs et on obtiendra ceci !
<figure>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top">
<img width="383" style="transform:scale(1,-1);" src="https://learnopengl.com/img/getting-started/shaders3.png" />
<figcaption>Triangle dont les couleurs ont été interpolées.</figcaption>
</div>
<div class="img-frame" style="max-width:422px">
<img style="width: 422px; margin: 10px" src="TriangleBarycentricCoordinates.svg" />
<figcaption>Points dans un triangle en coordonnées barycentriques.</figcaption>
<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TriangleBarycentricCoordinates.svg#/media/File:TriangleBarycentricCoordinates.svg">Original file</a>
By <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Rubybrian" title="User:Rubybrian">Rubybrian</a> - <span class="int-own-work" lang="en">Own work</span>, <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0" title="Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0">CC BY-SA 3.0</a>, <a href="https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4842309">Link</a>.
</div>
</figure>
<p>
Le calcul n'est pas difficile à faire et utilise les <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Coordonnées_barycentriques">coordonnées barycentriques</a> du triangle.
</ol>
<h3 id="shaders-exercices">Exercices</h3>
<p>
Le code de base pour ce niveau se trouve dans
<a href="gl_shaders.py.html">gl_shaders</a>,
une version structurée avec des fonctions est disponible dans
<a href="gl_shaders_with_functions.py.html">gl_shaders_with_functions</a>.
<figure>
<div class="img-frame" style="max-width:400px;">
<img width="400" src="wonderful_triangle.png" />
<figcaption><a href="gl_shaders.py.html">gl_shaders</a> : Un <em>incroyable</em> triangle qui a subit le pipeline OpenGL.</figcaption>
</div>
</figure>
Ces exercices peuvent être fait dans n'importe quel ordre.
<ol>
<li>Création d'une flèche et non un triangle, il faudra bien entendu rajouter des points dans la liste <code>vertices</code>, mais il faut également changer d'autres valeurs, lesquelles ?
<figure>
<div class="img-frame">
<img src="arrow_triangle.svg" />
<figcaption>Une flèche composée de 4 triangles.</figcaption>
</div>
</figure>
<li>Interpolation de couleur, le but est d'obtenir ceci:
<figure>
<div class="img-frame" style="vertical-align:top">
<img width="383" style="transform:scale(1,-1);" src="https://learnopengl.com/img/getting-started/shaders3.png" />
<figcaption>Triangle dont les couleurs ont été interpolées.</figcaption>
</div>
</figure>
Vous devez rajouter un autre attribut par vertex : <code>vec3 couleur</code>, il faudra donc refaire :
<ul>
<li>Une création d'un autre buffer via <code>glGenBuffers</code> pour avoir de la place sur la carte graphique,
<li><code>glBufferData</code> pour y mettre des données,
<li><code>glEnableVertexAttribArray</code> pour que les données soient envoyées,
<li><code>glVertexAttribPointer</code> pour que le shader comprennent que nous envoyons 3 floats.
</ul>
Ensuite il faut faire le code dans les shaders :
<ul>
<li>Le vertex shader va simplement prendre la <code>in vec3 couleur</code> et l'envoyer sous le nom <code>out fcouleur</code>, j'ai choisi le nom <strong>f</strong>couleur pour <em>couleur envoyée dans le <strong>f</strong>ragment shader</em>.
<li>Le fragment shader va simplement prendre le <code>in vec3 fcouleur</code> et l'envoyer dans le <code>out vec4 pixel</code>,
vous pouvez utiliser <code>vec4(fcouleur, 1)</code> pour copier les 3 composantes r,g,b et mettre la 4ème composante (alpha) à 1.
</ul>
Un détail sur l'interpolation est donné dans l'<a href="#interpolation">annexe</a>, mais en un mot, le vertex shader donne une couleur,
le fragement shader reçoit une couleur qui est un <em>mix</em> des trois couleurs envoyées par les 3 points du triangle.
<li>Compréhension de la composante z, que se passe-t-il quand on la met à <code>-1</code>, <code>1</code>, <code>2</code> ou <code>-3</code> ?
Vous devriez remarquer que lorsque z n'est pas entre -1 et 1, le triangle n'est plus visible,
en effet c'est similaire au fait que lorsque le x ou le y de tous les points ne sont pas entre -1 et 1, l'objet n'est pas visible.
<li>Simplication en calculant la composante <em>w</em> dans le shader.
On aimerait pouvoir envoyer seulement les composantes xyz au shader, sans devoir écrire le <em>w = 1</em>,
on laissera le shader faire cette opération, ça permettra de devoir stocker moins de données dans la carte graphique et faire moins d'erreurs.
<ol>
<li>Enlever la composante <em>w</em> dans notre définition de <code>vertices</code> pour avoir <code>vertices = farray([0.6, 0.6, 0, -0.6, 0.6, 0, 0.0, -0.6, 0])</code>.
<li>Spécifier dans le VAO que nous envoyons 3 floats au lieu de 4 en modifiant l'appel à <code>glVertexAttribPointer</code>.
<li>Spécifier dans le vertex shader que celui-ci recevra 3 floats par vertex au lieu de 4 (on aura donc un <code>in vec3 position</code> au lieu du <code>in vec4 position</code>).
<li>Transformer le vec3 en vec4 dans le shader via <code>gl_Position = vec4(position, 1)</code>.
</ol>
</li>
<li>Ajout d'une uniform de translation pour dessiner plusieurs flèches.
Une uniform est simplement une valeur qui va être passée du python au shader, sans modification, une constante.
Le nom <em>uniform</em> vient du fait que la valeur sera la même pour tous les points et tous les pixels.
<ol>
<li>Dans le vertex_shader ajoutez <code style="white-space:nowrap">uniform vec3 translation</code>.
<li>La position calculée par le vertex_shader sera maintenant <code style="white-space:nowrap">position + translation</code>.
<li>Au début du code ou dans la partie Tick, envoyez la translation au shader via le code python :
<pre><code class="py">
loc_translation = glGetUniformLocation(shader_program, 'translation')
glUniform3f(loc_translation, 0.5, 0.2, 0)
</code></pre>
Ou :
<pre><code class="py">
translation = <mark>farray</mark>((0.5, 0.2, 0))
loc_translation = glGetUniformLocation(shader_program, 'translation')
glUniform3f<mark>v</mark>(loc_translation, 1, translation)
</code></pre>
<li>Animation de la translation, vous pouvez faire en sorte que l'objet bouge via le clavier ou se déplace en fonction du temps.
</ol>
<li>Utilisation de la composante z comme profondeur, on va dessiner deux objets qui sont les unes sur les autres.
<ol>
<li>Dessiner deux flèches de couleur différentes et de positions différentes mais l'une est sur l'autre,
choisissez deux de z différentes, comme par exemple <code>0.5</code> et <code>0.7</code>, laquelle des deux flèches voyez-vous ?
<li>Inversez l'ordre de dessin des deux flèches, voyez vous une différence ?
<li>Au début du code activez le Depth Test via <code>glEnable(GL_DEPTH_TEST)</code>,
à chaque frame faites maintenant <code class="nowrap-unless-mobile">glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)</code>
à la place de <code style="white-space:nowrap">glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)</code>
et recommencez les deux expériences précédentes, que voyez-vous ?
</ol>
<li>Ajout d'une uniform de <em>scale</em> pour dessiner plusieurs flèches de taille différentes (une 2 fois plus <strong>grande</strong> et une autre 4 fois plus <strong>petite</strong> par exemple).
<ol>
<li>Le shader dira qu'il a besoin d'un nombre via <code style="white-space:nowrap">uniform float scale</code>.
<li>La position calculée par le vertex_shader sera maintenant <code style="white-space:nowrap">position * scale</code>,
en effet si j'ai un triangle défini par les points
<em>{(0.6, 0.6), (−0.6, 0.6), (0.0, −0.6)}</em>,
et que je multiplie chaque point par 2,
j'aurai le triangle <em>{(1.2, 1.2), (−1.2, 1.2), (0.0, −1.2)}</em> qui est 2 fois plus grand.
<li>Finalement, on enverra via <code style="white-space:nowrap">glUniform1f(loc, 2.0)</code> pour la flèche 2 fois plus grande.
<li>Il est également possible de faire une flèche plus petite, comment faire pour par exemple avoir une flèche 4 fois plus petite ?
</ol>
<li>Ajout d'une uniform de rotation pour dessiner plusieurs flèches tournées, la formule est plus difficile que pour la translation ou l'agrandissement n'est ce pas ?
Dans le chapitre suivant on utilisera des matrices pour facilement gérer cela.
<li>Quelle formule dois-je adapter si je veux faire un truc <strong>et</strong> un agrandissement ?
On verra dans le chapitre suivant que les matrices généraliseront les séquences de transformation,
toutes les transformations seront dans une seule matrice appelée la matrice <em><strong>M</strong>odèle</em>.
</ol>
<h3 id="transformation-matrices">Matrices de transformation.</h3>
<p>Nous allons maintenant détailler le calcul de la position d'un point 3D vers un point 2D.
<p>Voici une très belle image qui résume les opérations et le résultat du code que nous ferons.
<figure>
<div class="img-frame" style="max-width:400px;">
<a href="http://antongerdelan.net/opengl/images/newtranspipe.png" />
<img src="http://antongerdelan.net/opengl/images/newtranspipe.png" width="400" />
</a>
<figcaption>Comment convertir un point 2D en 3D — Cliquez pour agrandir.</figcaption>
© antongerdelan, from article <a href="http://antongerdelan.net/opengl/raycasting.html">here</a>.
</div>
<div class="img-frame" style="max-width:400px;">
<img src="colorful_birds.png" width=400 /> <!-- tick = 480 in gl_matrices_and_interpolation -->
<figcaption>Mes <em>magnifiques</em> oiseaux 3D, en perspective, avec un gradient de couleur (ou <em>3×4 triangles avec interpolation de couleur</em> qui ont subit des matrices de transformation).</figcaption>
</div>
</figure>
<p>
Veuillez lire la page <a href="math.fr.html">math</a> pour être à l'aise avec le concept de vecteur et de matrices.
Je ferai une vidéo qui explique les matrices de projection et de caméra (LookAt).</li>
<p>
Avec les matrices comme succession de transformation, il est très facile par exemple d'animer les hélices (<em>propeller</em>) d'un hélicoptère :
<figure>
<pre class="img-frame"><code class="py normal-comments">
Base = TranslationMatrix(50,25,75) # x,y,z of the helicopter
Local1 = TranslationMatrix(2,0,4) # one propeller, relative to center of helicopter
Local2 = TranslationMatrix(8,-1,0) # one propeller, relative to center of helicopter
Rot1 = RotationMatrix(angle1, (0,0,1)) # angle of big propeller
Rot2 = RotationMatrix(angle2, (0,0,1)) # angle of small propeller
loadUniformMatrix(Base)
DrawBase()
loadUniformMatrix(Base @ Local1 @ Rot1)
DrawBigPropeller()
loadUniformMatrix(Base @ Local2 @ Rot2)
DrawSmallPropeller()
</code></pre>
<div class="img-frame" style="max-width:600px">
<a href="https://robertvandeneynde.be/jeu3D/screen1.png"><img src="https://robertvandeneynde.be/jeu3D/screen1.png" style="width:600px" /></a>
<figcaption>L'hélicoptère dans mon <a href="https://robertvandeneynde.be/jeu3D/">jeu 3D</a>,
le code utilise une hiérarchie de matrice pour animer les hélices en haut et à l'arrière de l'hélicoptère.</figcaption>
</div>
</figure>
<p>
La correction se trouve dans <a href="gl_matrices_and_interpolation.py.html">gl_matrices_and_interpolation</a>.
<p>
Le code ci-dessus qui fait appel n'est pas très <em>opengl moderne</em>, un autre exemple de séquence de matrices de transformation est dans ce magnifique tutoriel sur
<a href="https://www.youtube.com/watch?v=f3Cr8Yx3GGA&index=53&list=PLRIWtICgwaX0u7Rf9zkZhLoLuZVfUksDP">l'animation de squelette</a> de ThinMatrix.
<h3 id="basic-texturing">Textures</h3>
<p>Correction dans <a href="gl_textures.py.html">gl_textures</a>.