Pomocna małpa

Eksperymentując z grafiką 3D bardzo często zachodzi potrzeba napisania i przetestowania programu testującego jakąś konkretną technikę zrobienia czegoś – na przykład powierzchni odbijającej światło czy rzucania cieni. Można w tym celu stworzyć jakiś szablon przykładowego programu, który będziemy odpowiednio modyfikować. Nie będzie to zwykle wygodne, chyba że naprawdę się postaramy (czytaj: poświęcimy dużo czasu na rzecz nie do końca potrzebną).

Istnieje aczkolwiek inne rozwiązanie i jest nim skorzystanie z wyspecjalizowanej aplikacji, jak na przykład RenderMonkey stworzonej przez ATI i dostępnej za darmo. Jest to coś w rodzaju wirtualnego środowiska dla programowania grafiki (czyli shaderów) działającego jednak na zupełnie realnym urządzeniu – przy użyciu DirectX lub OpenGL.
Ma ono całkiem spore możliwości oraz udostępnia sporą wygodę w testowaniu różnych efektów opierających się na ustalonych parametrach. O ile w kodzie zmiana jakiejś wartości wymagałaby zwykle rekompilacji, o tyle tutaj można taką wartość (zmienną) odpowiednio oznaczyć i modyfikować jej wartość przy pomocy graficznego interfejsu, natychmiast podglądając rezultat.

Rzeczone zmienne ostatecznie mają po prostu odpowiedniki w rejestrach shaderów (pisanych dla DX w HLSL). Oprócz edytowania ich RenderMonkey umożliwia też dodawanie do projektów różnego rodzaju zasobów (modeli, tekstur, itp.) oraz ustawianie ich różnych stanów. Na dodatek w pakiecie z programem jest całkiem sporo takich właśnie przykładowych zasobów.

A wady? Cóż… Mogę wspomnieć o tym, że obecnie program wykorzystuje tylko DX9, czyli niestety nie pobawimy się tymi jakże użytecznymi geometry shaderami (oczywiście przy założeniu, że nasza karta potrafi się nimi bawić :)) Ale jest i dobra strona – nie trzeba instalować Visty ;P

Układy odniesienia

Programując grafikę czy choćby cokolwiek, co ma się ostatecznie pokazać na ekranie, cały czas operuje się współrzędnymi w przestrzeni. Wówczas trzeba zawsze pamiętać, że ten zestaw liczb – zwykle X, Y i ewentualnie Z – nie istnieje sam dla siebie i zawsze jest podawany względem czegoś. Tak więc wszystkie współrzędne są względne, bo nawet nazywane “bezwzględnymi” różnią się tylko tym, że ich punkt odniesienia jest wyjątkowo dobrze zdefiniowany – na przykład jako lewy górny róg ekranu lub punkt (0,0,0) nieprzetransformowanego układu sceny 3D.

Kłopoty zaczynają się wtedy, gdy zaczynamy nieświadomie mieszać koordynaty korzystające z innych układów odniesienia. Nadal czasami mi się to zdarza w kodzie systemu GUI, mimo że starałem się bardzo dokładnie określić względem czego jest określona np. pozycja danej kontrolki i jakie przekształcenia (głównie odpowiednia translacja) są wykorzystywane przy rysowaniu każdego elementu.
To wszystko jest oczywiście w dwóch wymiarach. W 3D potencjalnych punktów odniesienia jest nawet więcej; wśród nich mamy chociażby ten związany z kamerą, z modelem, ze światłem, i tak dalej. A co gorsza, ocena czy taki lub inny błąd wynika właśnie z pomylenia różnych układów współrzędnych jest trudniejsza właśnie ze względu na obecność tego trzeciego wymiaru.

Wniosek stąd taki, że należy pamiętać o używanym aktualnie układzie odniesienia. Łatwo bowiem napisać:

i za jakiś (niedługi) czas zastanawiać się, względem czego te x, y czy z powinno tak naprawdę być liczone. A podejrzewam, że u większości programistów umiejętność rozwiązywania tego typu łamigłówek jest dość… względna :)

Back to school

Spośród uczących się studenci są o tyle uprzywiluejowaną grupą, że ich wakacje są o cały jeden miesiąc dłuższe (oczywiście przy optymistycznym założeniu, że nie mają żadnych zaległości :)). Niestety wszystko musi się kiedyś skończyć, a początek października jest czasem nieuchronnego powrotu do zajęć. Na co osobiście oczekiwałem ze niecierpliwieniem już od jakiegoś czasu.

Ponadto nowy rok akademicki oznacza też, że znów większość czasu będę spedzał w Warszawie. Zdążyłem się już do tego całkowicie przyzwyczaić; trzeba bowiem przyznać, że duże miasta mają swój niezaprzeczalny urok. Wprawdzie stolica nie jest perełką architektury ani nie wprawia w zachwyt genialnością rozwiązań komunikacyjnych, to jednak z jakichś trudnych do określenia powodów dość szybko zyskała moją przychylność. Przynajmniej jeśli chodzi o tę jej część, którą z konieczności przebywałem i będę przebywać każdego dnia.

Zajęcią na uczelni to oczywiście pewne dodatkowe obowiązki, ale tych z każdym rokiem jest wyraźnie mniej. Mam więc uzasadnioną nadzieję, że uda mi się bez większych problemów pogodzić je z kodowaniem. Pogodzić rzecz jasna w sposób jednoznaczenie i wyraźnie faworyzujący kodowanie ;)

Bolączki C++ #4 – Właściwości

W teorii OOPu klasa może składać się wielu różnych rodzajów elementów. Mamy więc pola, metody, właściwości, operatory, typy, zdarzenia czy nawet sygnały (cokolwiek to oznacza). Z drugiej reprezentacja obiektu w pamięci operacyjnej działającego programu to niemal wyłącznie wartości jego pól (z drobną poprawką na ewentualną tablicę metod wirtualnych).
To są dwie skrajności, a między nimi mam wszystkie obiektowe języki programowania. Jedne oferują w tym zakresie więcej, inne mniej. Weźmy na przykład C++.

Oprócz niezbędnych pól i metod pozwala on definiować przeciążone operatory i typy wewnętrzne. Nie posiada za to niezwykle przyjemnego “cukierka składniowego”, czyli właściwości. Z punktu widzenia programisty właściwości to takie elementy interfejsu klasy, który wyglądają jak pola. Różnica polega na tym, że dostęp do właściwości nie musi oznaczać bezpośredniego odwołania do pamięci, lecz może mu towarzyszyć dodatkowy kod – na przykład sprawdzający poprawność ustawianej wartości.
Prawdopodobnie najbardziej elastyczny mechanizm właściwości wśród popularnych języków programowania ma C#. Tam kod wykonywany przy pobieraniu i ustawianiu właściwości pisze się bezpośrednio w jej deklaracji:

Nieco gorzej jest w Delphi czy Visual C++, gdzie istnieje deklaracja __declspec(property). Tam trzeba napisać odpowiednie metody służące pobieraniu/ustawianiu danej wartości (akcesory) i wskazać je w deklaracji właściwości.
Natomiast w czystym C++ rzeczone akcesory – metody Get/Set – stosowane bezpośrednio są jedynym wyjściem. Niezbyt ładnym rzecz jasna.

Bez właściwości można się obyć, a ich wprowadzenie do języka pewnie nie byłoby takie proste. Pomyślmy na przykład, jak miałyby się one do wskaźników i referencji: o ile pobranie adresu właściwości nie ma sensu, o tyle przekazywanie jej przez referencję byłoby z pewnością przydatne.
Dlatego chociaż akcesory wyglądają brzydko, pewnie jest przez długi czas będą jedyną opcją. Na pocieszenie dodam, że programiści Javy są pod tym względem w identycznej sytuacji :)

Ten straszny rendering

Mogę bronić się rękami i nogami, mogę starać się obchodzić temat ze wszystkich stron, ale w końcu przyjdzie taki czas, że po prostu trzeba będzie zająć się esencją silnikologii – czyli grafiką 3D :) Zwiększenie liczby wymiarów o 50% powoduje mniej więcej podobny przyrost potencjalnych powodów bólu głowy. Dlatego też nie należy się wybierać w tę wyprawę bez odpowiedniego przygotowania i planu.

Plan natomiast jest generalnie dość prosty, lecz jak wiemy diabeł tkwi w szczegółach. W grafice 3D mamy oczywiście do czynienia ze sceną, w której mogą się znaleźć przeróżne jej elementy – zwane też węzłami lub encjami. Takim elementem może być instancja modelu, teren oparty na mapie wysokości, emiter cząsteczek czy jeszcze coś innego. Ważne jest, że każdy taki element zajmuje się w przestrzeni określoną pozycję i miejsce; są one najprościej definiowane przez otaczający prostopadłościan równoległy do osi układu współrzędnych, czyli axis-aligned bounding box (AABB).

Źródło obrazka

Zadaniem obiektu sceny jest między innymi szybka odpowiedź na pytanie, czy dany węzeł znajduje się w polu widzenia kamery. Jako że pole widzenia jest najczęściej perspektywiczne i ma kształt ściętego ostrosłupa, czynność ta (eliminowanie niewidocznych obiektów) jest znana jako frustum culing. Można ją przeprowadzać, organizując odpowiednio przestrzeń sceny, dzieląc ją na sektory – na przykład przy pomocy drzewa ósemkowego.

Naturalnie wszystkiego wyeliminować się nie da i w końcu trzeba będzie coś narysować :) I tutaj znowu mamy kolejną dość skomplikowaną kwestię. Stosunkowo łatwo jest zaprogramować rysowanie każdego rodzaju obiektów tak, aby każdy odpowiadał tylko za siebie i nie zakładał nic chociażby o stanach renderowania przed i po tej operacji. Rzecz w tym, że o ile wygląda to bardzo ładnie z punktu widzenia zasad programowania obiektowego (jak okiem sięgnąć – hermetyzacja!), to w praktyce efektywność takiego rozwiązania byłaby co najmniej wątpliwa. Niestety dla karty graficznej przypisanie konkretnego wierzchołka do konkretnego obiektu w scenie nie ma żadnego znaczenia. Liczy się bowiem to, jakie stany renderowania, mieszania tekstur, itp. trzeba ustawić, aby ów wierzchołek narysować.

Źródło obrazka

Stąd potrzebne jest pojęcie materiału, znane z edytorów grafiki 3D. Tutaj jednak oznacza ono nie tyle wygląd powierzchni, co wszystkie właściwości wpływające na wygląd geometrii, które nie są zapisane w danych wierzchołków. Może to być więc zarówno tekstura, jak i właściwości świetlne czy nawet określenie, czy dana powierzchnia jest półprzezroczysta czy nie.
Aby efektywnie wyrenderować scenę, trzeba więc grupować fragmenty jej geometrii nie względem obiektu, ale materiału. Dodatkowo trzeba też pamiętać o tym, że pewne zmiany są bardziej kosztowane niż inne (taniej jest zmienić choćby teksturę niż shader) i uwzględniać to przy sortowaniu.

Na koniec pozostaje jeszcze ostatni etap, gdy dane o wierzchołkach trafiają już do karty graficznej i muszą być przetworzone przez shader, aby mogły zostać odpowiednio pokazane. Napisanie takie shadera, a potem sterowanie nim (np. włączanie lub wyłączanie pewnych jego fragmentów) to też nie jest lekki orzech do zgryzienia. Jest to solidny kawałek matematyki i geometrii połączonej z kombinowaniem, jak to wszystko zmieścić w limicie instrukcji, który jest nieubłagany :)

To oczywiście nie wszystko – nie wspomniałem na przykład w ogóle o oświetleniu czy cieniach, które wymagają renderowania potraktowanych nimi fragmentów więcej niż raz. Ale już z obecnego opisu widać, że jedna literką ‘D’ więcej to jednocześnie sporo dodatkowych literek ‘P’ – jak ‘problemy’ ;P

O pewnej książce i o poplątanej sieci

Wprawdzie niniejszy blog jest devlogiem (a przynajmniej takie są założenia), ale chyba mogę być usprawiedliwiony, jeżeli czasem zajmę się czymś innym. Przecież podobno nie samym programowaniem człowiek żyje i załóżmy przynajmniej na potrzeby dzisiejszej notki, że jest to prawda :)

Chciałbym mianowicie powiedzieć co nieco o pewnej zupełnie niekoderskiej książce, jaką miałem okazję ostatnio przeczytać, czyli o Kronice ptaka nakręcacza autorstwa Harukiego Murakami. Zasadniczo jest to drugie dzieło tego autora, jakie dotąd przeczytałem. Sięgnąłem po nie, gdyż to pierwsze – Norwegian Wood – okazało się absolutnie zachwycające.

Wróćmy jednak do Kroniki, uważanej za największe jak dotąd osiągnięcie Murakamiego. Fakt ten od razu czytelnikowi coś narzuca, lecz zanim wyrażę jakiekolwiek opinie, powinienem chyba przedstawić pokrótce fabułę.
Głównym bohaterem i narratorem powieści jest pewien młody mężczyzna, Toru Okada, mieszkający na przedmieściach Tokio. Razem z nim w niewielkim domu z ogrodem mieszka też jego żona Kumiko oraz kot. Wszystko zaczyna się od tego, iż ten właśnie zwierzak zdaje się zniknąć i to na dobre, a ten z pozoru niezbyt ważny fakt staje się początkiem całej serii niecodziennych zdarzeń. Wkrótce także Kumiko odchodzi z niewyjaśnionych przyczyn i za pośrednictwem brata Noboru Watai żąda rozwodu, zaś w życiu Okady zaczynają się pojawiać się kolejne dziwne postaci. On sam postanawia odnaleźć i odzyskać żonę, lecz sposób, w jaki się do tego zabiera, wydaje się być zupełnie pozbawiony sensu…
Zasadniczo można się stąd domyślić, że sam przebieg akcji nie jest w tej książce najważniejszy. W istocie jest on niezwykle poplątany i łączy świat rzeczywisty ze światem snu, a także różna miejsca, osoby i zdarzenia w przestrzeni i czasie. Najważniejszymi oczkami tej sieci są prawdopodobnie: zaniedbana posesja nieopodal domu państwa Okada (nazywana “Willą Wisielców”) wraz ze znajdującą się na jej terenie studnią, bitwa pod Nomonhan i starcia między Japonią i Rosją w czasie II wojny światowej, tajemniczy pokój 208, który Toru Okada często odwiedza w snach, czy wreszcie tytułowy “ptak nakręcacz”. Wszystkie te elementy zdają się mieć ze sobą niewytłumaczalny związek i wpływać na siebie nawzajem.

Powyższe ‘streszczenie’ wydaje się pewnie dość nieudolne, ponieważ tak naprawdę każda próba skondensowania treści Kroniki ptaka nakręcacza będzie skazana na niepowodzenie. I o ile trudno jest uchwycić główną oś czy przesłanie powieści (jeżeli takowe istnieje), o tyle łatwo jest zanurzyć się w jej skomplikowanym świecie. Pomaga w tym znakomita narracja, która jest jednocześnie oszczędna i refleksyjna; z jednej strony realistyczna, a z drugiej przesiąknięta mnóstwem wątpliwych i fantastycznych motywów. Żeby dopełnić tego paradoksalnego obrazu stwierdzę jeszcze, że mimo pozornej łatwości, z jaką można pochłaniać kolejne strony, powieść stawia czytelnikowi spory opór. A podobno tylko książki, które to robią, są naprawdę wartościowe.

Cóż, ostatecznie mogę powiedzieć, że opinia krążąca o Kronice ptaka nakręcacza na pewno nie jest bezpodstawna. Nie wiem, czy mógłbym polecić ją każdemu, gdyż jej urok w dużej mierze zależy od indywidualnego gustu – choćby tego, czy lubimy takie wybitnie niejasne historie. Ja sam przeczytałem tę powieść z dużą przyjemnością i choć zajęło mi to sporo czasu, na pewno nie był on stracony.

PS. Niniejszą notkę dedykuję Wachowi, który nie wiedzieć czemu uważa mnie ostatnio za autorytet w dziedzinie literatury pięknej ;)

Ezoteryczne języki programowania

Pisać programy można na wiele sposobów, jako że obecnie mamy całe mnóstwo różnych języków programowania przeznaczonych dla różnych zastosowań i gustów. Wśród wyjątkowo pozycję zajmują jednak, które wcale nie dążą do tego, aby być wygodne, użyteczne, efektywne czy mieć inne podobne zalety. Otóż zwykle jest wręcz przeciwnie.
Chodzi mi o języki ezoteryczne. Ciężko za bardzo powiedzieć, do czego faktycznie one służą, ale jedno jest pewne: są one bardzo dziwne i przez to całkiem interesujące :)

Jednym z takich nietypowych języków jest twór o przeuroczej nazwie Brainfuck. Jego cechą szczególna jest mała liczba dostępnych instrukcji, których jest tylko osiem. Mimo to język jest zupełny w sensie Turinga, co z grubsza znaczy, iż można w nim zakodować dowolny algorytm.
Jak zatem wygląda w nim chociażby tradycyjny Hello World? Ano mniej więcej tak:

Dość nieoczywiste, prawda? :) Na pewno pomaga tu wyjaśnienie, że w tym języku wykonujemy wszystkie operacje przy pomocy wskaźnika skaczącego po wirtualnej pamięci. Wskaźnik ten można inkrementować i dekrementować (instrukcje > i <), przechodząc do kolejnych komórek; to samo można też robić z zawartością pamięci (+ i -). W końcu jest też możliwość realizacji jednego rodzaju pętli (a co za tym idzie także instrukcji warunkowych) oraz wejścia/wyjścia dla pojedynczych znaków. Innymi słowy mamy wszystko, co jest programiście potrzebne do szczęścia :)

Nazwa języka Brainfuck sugeruje aczkolwiek, że programowanie w nim nie jest zbyt proste i chyba powyższy kod dobrze o tym świadczy. Lecz tak naprawdę BF jest jednym z prostszych języków ezoterycznych! Dane są w nim oddzielone od kodu, pamięć jest jednowymiarową tablicą (taką jak w rzeczywistych komputerach), a wszystkie instrukcje są sprecyzowane jednoznacznie i zawsze takie same, Czy może być inaczej?
Odpowiedź jest naturalnie twierdząca, a świadczy o tym przykład języka Malbolge - uważanego powszechnie za najtrudniejszy istniejący obecnie język programowania. Jest on tak trudny, że program Hello World został w nim napisany nie bezpośrednio przez człowieka, lecz przy pomocy... specjalnie spreparowanego algorytmu genetycznego! To wszystko dlatego, że w kodzie napisanym w tym języku występuje nieprawdopodobna liczba zależności między instrukcjami. Wykonują one na przykład inne czynności w zależności od adresu pamięci, pod którym się znajdują (jako że dane i kod są umieszczone oczywiście w tym samym obszarze wirtualnej pamięci). Dodatkowo niemal wszystkie instrukcje po wykonaniu same się modyfikują, i to oczywiście zgodnie z trudną do ogarnięcia permutacją. Prawda, że programowanie w czymś takim to nie byłaby bułka z masłem? ;]
A jednak nawet w takim pokręconym języku ktoś wykonał drugie popularne zadanie programistyczne, czyli napisał program wypisujący słowa piosenki 99 Bottles of Beer. W większości normalnych języków sprawa zajęłaby najwyżej kilka minut, ale tutaj była to kwestia ośmiu... lat :)

Ale to jest właśnie urok języków ezoterycznych oraz ich sens, którym jest całkowity brak sensownego zastosowania/ Albo raczej konieczność włożenia ogromnego wysiłku, jeśli komuś przyszłoby do głowy, by tego typu język rzeczywiście do czegoś sensownego zastosować. I o to tutaj chodzi.
Kontakt z takimi wynalazkami ma jeszcze jedną pozytywną cechę. Otóż widząc przykłady napisanego w nich kodu mamy wielką ochotę podziękować twórcom "normalnych" języków programowania, że napisanie w nich interpretera czy kompilatora języka ezoterycznego jest zwykle przynajmniej kilka razy łatwiejsze niż stworzenie programu Hello World w takim właśnie języku :)