что такое opengl и для чего он нужен
OpenGL — что это такое и для чего нужна такая поддержка?
Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня мы с вами разберем OpenGL — что это такое, для чего используется, требуется ли что то настраивать для его эксплуатации.
Что это за программа
И сразу же хочу уточнить, что это вовсе не программа в привычном понимании, не драйвер, не протокол и не служба.
OpenGL — спецификация, которой определяется программный интерфейс для написания приложений, использующих 2D и 3D графику. По сути, это инструмент, который регулирует рендеринг изображения видеокартой.
Название расшифровывается как Open Graphics Library, то есть «Открытая графическая библиотека». Открытость инструмента означает, что им может воспользоваться любой разработчик без всякой маржи и лицензионных отчислений.
Инструмент кроссплатформенный: созданные с его помощью приложения будут работать в любой среде, которые осуществляют его поддержку.
При этом работать будут одинаково все в зависимости от мощности рабочей станции. Такая реализация освобождает разработчика от необходимости писать код под каждую конкретную платформу, что позволяет полностью сосредоточиться на графической составляющей.
Основные области применения OpenGL — видеоигры, системы автоматизированного проектирования, поддержка виртуальной реальности и визуализация различных проектов. На платформе Windows главным конкурентом технологии является DirectX.
О том, что такое DirectX и зачем он нужен, вы можете почитать вот тут.
Концепция OpenGL была разработана в 1982 году в университете Стэнфорда. Аппаратно прототип технологии впервые реализовала компания Silicon Graphics, создавшая конвейер для рендеринга. Ее разработки стали основой библиотек OpenGL.
Как работает OpenGL
Если смотреть с точки зрения разработчика, то OpenGL — программный интерфейс, который управляет работой видеокарты. Всего есть чуть более 150 команд, с помощью которых программист определяет, какие именно объекты будут отправлены на рендеринг.
Этим же стандартом определяются более тонкие настройки: например, тройная буферизация, трассировка лучей или сглаживание в играх.
Нет необходимости создавать разные версии графических объектов для отображения в различных режимах качества графики: все подстраивается «на автомате», исходя из заданных программистов параметров.
Проще говоря, программист определяет отображаемые объекты в трехмерном пространстве, их взаимное положение и взаимодействие, масштабирование, угол обзора и т.д., а также цвет и текстуру, а OpenGL уже заботится об их рендеринге.
Можно утверждать, что этот инструмент только воспроизводит объекты, но не взаимодействует с устройствами ввода — мышью, клавиатурой, геймпадом или игровым рулем. За это, а также за работу менеджера окон, отвечают уже другие компоненты.
Несмотря на кажущуюся сложность, OpenGL имеет четко продуманную структуру и простой процедурный интерфейс. При этом с помощью этого инструмента можно создавать действительно сложные сцены, состоящие из множества компонентов. Вычислительных мощностей требуется меньше по сравнению с другими библиотеками.
Некоторые версии OpenGL поддерживают работу по сети: объекты рендерятся на сервере, а клиентское приложение получает только их отображение. Благодаря этому можно создавать мощные воспроизводящие комплексы, состоящие из множества компьютеров.
Следует отметить, что в отличие от главного конкурента OpenGL можно считать универсальным инструментом. Главный конкурент, DirectX, «заточен» именно под игры. Многие игры поддерживают обе технологии.
Нужно ли переключаться между ними? На мой взгляд, нет никакой разницы, что именно вы используете, Независимо от технологии существенной разницы в производительности не замечено, если речь идет о платформе Windows.
Если же вы используете эмулятор Андроид на ПК, в этом случае рекомендую переключиться OpenGL: для систем семейства Unix этот инструмент подходит больше.
Также рекомендую ознакомиться с публикациями «Что делать, если видеокарта не поддерживает DirectX» и «Как посмотреть параметры видеокарты». Буду признателен, если вы расшарите этот пост в социальных сетях. До скорой встречи!
learnopengl. Урок 1.1 — OpenGL
Здравствуйте. Несколько недель назад я начинал серию переводов статей по изучению OpenGL. Но на 4 статье один хабровчанин заметил, что мои переводы могут нарушать лицензию, по которой распространяются учебные материалы, предоставленные в исходной статье. И действительно, мои переводы нарушали лицензию. Для разрешения этой проблемы я обратился к авторам того набора уроков, но так и не смог добиться нормального ответа. По этой причине я связался с автором другого, не менее (а возможно даже и более) крутого, набора уроков по OpenGL: Joey de Vries. И он дал полное разрешение на перевод его набора уроков. Его уроки гораздо более обширные, чем прошлый набор, поэтому эти переводы растянутся на долго. И я обещаю, будет интересно. Заинтересовавшихся прошу под кат.
Также я встал на распутье: либо я опишу все основы вроде создания окна и контекста в одной статье, чтобы не плодить статьи, но в таком случае такую огромную статью не всякий осилит; либо я также как и раньше буду переводить, опираясь на иерархию оригинала. Я решил выбрать второй вариант.
На счет уроков по Vulkan: к сожалению мне тяжело сейчас написать уроки по данному API по причине скудной видеокарты на данный момент, которая просто не поддерживает Vulkan API, поэтому уроки по данному API будут только после обновления видеокарты.
Часть 1.1 — OpenGL
Вступление
Прежде чем мы начнем наше путешествие нам стоило бы разобраться что такое OpenGL. В основном под OpenGL понимают API (Интерфейс Программирования Приложений), который предоставляет большой набор функций, которые мы можем использовать для управления графикой и изображениями. Но на самом деле OpenGL это скорее спецификация, разработанная и поддерживаемая Khronos Group.
Спецификация OpenGL описывает каким будет результат выполнения каждой конкретной функции и что она должна делать. А уже реализация этих спецификаций лежит на плечах разработчиков. И поскольку спецификация не описывает детали реализации, соответственно имеют право на существование различные реализации OpenGL, по крайней мере пока они соответствуют спецификациям.
Люди, разрабатывающие OpenGL библиотеки, зачастую, являются производителями видеокарт. Каждая видеокарта, которую вы покупаете, поддерживает конкретные версии OpenGL из набора библиотек, разработанных для данной серии видеокарт. При использовании Apple системы, OpenGL библиотеки поддерживаются Apple, под Linux существуют комбинации версий от поставщиков и пользовательских адаптаций этих библиотек. Это также означает, что если используемая вами версия OpenGL показывает странное поведение, значит, с большой вероятностью — это ошибка производителей видеокарт.
Так как большинство реализаций разрабатываются производителями видеокарт, для исправления багов требуется обновить драйвера видеокарты. Это одна из причин, почему почти все уроки рекомендуют обновлять драйвера на видеокарту.
Khronos выложила в публичный доступ все спецификации для всех версий OpenGL. Заинтересовавшийся читатель может найти спецификации OpenGL 3.3 (именно эту версию OpenGL мы будем использовать) здесь. Спецификации отлично показывают правила работы всех функций.
Core-profile и Immediate mode (Мгновенный режим)
Раньше, использование OpenGL предполагало разработку в Immediate mode (также известен как фиксированный конвейер (fixed function pipeline)), которая была проста в использовании для рисования графики. Большинство функционала OpenGL было скрыто в библиотеках и у разработчиков не было свободы в понимании вычислений, производимых OpenGL.
Разработчики требовали большей гибкости в разработке и позже спецификация стала более гибкой, а разработчики получили больше контроля над процессом отрисовки их графики. Immediate mode был прост в использовании и понимании, но он был крайне неэффективным. По этой причине спецификация указала Immediate mode как устаревший, и начиная с версии 3.2 начала мотивировать программистов использовать Core-profile режим, который исключал весь устаревший функционал.
При использовании core-profile, OpenGL заставляет нас пользоваться современными практиками. Когда мы пытаемся использовать устаревшие функции, OpenGL выбрасывает ошибку и прекращает отрисовку. Преимущества использования современных практик — это гибкость и эффективность, но к сожалению бОльшая сложность в изучении. Immediate mode является бОльшей абстракцией и он скрывает большое количество реальной работы, выполняемой OpenGL и поэтому его было легко изучать, но трудно разобраться, как OpenGL на самом деле работает. Современный подход требует от разработчика полного понимания OpenGL и графического программирования в целом и хоть это немного сложнее, такая схема позволяет добиться большей гибкости, эффективности.
Это причина, почему наши уроки основаны на Core-Profile OpenGL версии 3.3.
Хоть он немного и сложнее, но это того стоит.
Сейчас уже вышли гораздо более новые версии OpenGL (на момент написания 4.5) и вы можете спросить: зачем мы должны изучать OpenGL 3.3, когда уже вышел 4.5? Ответ довольно прост. Все старшие версии OpenGL, начиная от версии 3.3 не добавляют различные полезные возможности без изменения основной механики. Новые версии просто предоставляют немного более эффективные или более удобные способы выполнения одних и тех же операций. В результате все концепты и техники, применимые к OpenGL 3.3 можно применить к новым версиям OpenGL.
Использование новейших версий OpenGL сопряжено с одной проблемой. Исполнять новейшие API смогут только современные видеокарты.
Расширения
Отличной возможностью OpenGL является поддержка расширений. В то время, когда производители видеокарт представляют новую технологию или новую обширную оптимизацию для отрисовки, в драйверах появляется расширение, относящееся к этому событию. Если аппаратное обеспечение, на котором запущено приложение, поддерживает расширение, значит разработчик может использовать функционал, предоставляемый этим расширением для более продвинутой, или эффективной отрисовки графики. Таким образом графический программист может использовать новые технологии без ожидания их реализация в новых версиях OpenGL, просто проверив поддержку технологии видеокартой. Зачастую, если какое-то расширение пользуется большим спросом, его реализуют как часть следующей версии OpenGL.
Разработчику надо лишь проверить доступность расширения (или использовать библиотеку расширения). Такой подход позволяет программисту выполнять действия более эффективно, основываясь на имеющихся у него расширениях:
C OpenGL 3.3 нам редко будут нужны расширения, но когда будут нужны, необходимые инструкции будут предоставлены.
Конечный автомат
OpenGL по своей сути — это большой конечный автомат: набор переменных, определяющий поведение OpenGL. Под состоянием OpenGL в основном имеется ввиду контекст OpenGL. В процессе использования OpenGL, мы часто изменяем состояния, устанавливая некоторых опции, управляем буферами, а затем отрисовываем, используя текущий контекст.
Когда мы говорим OpenGL, что мы хотим начать отрисовывать, к примеру, линии, вместо треугольников, то мы меняем состояние OpenGL, изменяя опцию, отвечающую за то как OpenGL должен рисовать. После изменения состояния OpenGL, на отрисовку линий, все последующие функции отрисовки будут отрисовывать линии вместо треугольников.
Во время работы с OpenGL мы будем проходить через несколько меняющих состояния функций, которые будут менять контекст, и через несколько меняющий состояния функций, выполняющие действия в зависимости от текущего состояния OpenGL. До тех пор, пока вы держите в голове тот факт, что OpenGL — это большой конечный автомат, большинство функционала будет вам понятна.
Объекты
Библиотеки OpenGL написаны на C и имеют множественные ответвления, но в основном это C библиотека. Поскольку большинство конструкций из языка C не транслируется в высокоуровневые языки OpenGL был разработан с использованием большого количества абстракций. Одной из таких абстракций является система объектов в OpenGL.
Объект в OpenGL — это набор опций, которые представляют подмножество состояний OpenGL. К примеру мы можем создать объект, описывающий конфигурацию отрисовки окна; мы можем задать размер, количество цветов и так далее. Такой объект можно представить C-подобной структурой:
Примитивные типы
Заметьте, что при использовании OpenGL рекомендуется использовать примитивы, заданные OpenGL. Вместо использования float записывать его с приставной GL. Тоже самое для int, uint char, bool и так далее. OpenGL определяет разметку памяти для его GL примитивов для обеспечения кроссплатформенности, поскольку некоторые операционные системы могут иметь иную разметку. Использования OpenGL примитивов позволяет добиться полной кроссплатформенности вашего приложения.
Каждый раз, когда мы хотим использовать объекты в основном мы запишем это как-то так:
Этот небольшой участок кода — то, что вы будете часто встречать во время работы с OpenGL. В начале мы создаем объект и сохраняем ссылку на него в виде идентификационного номера (id). (Реальные данные объекта спрятаны в реализации). Затем мы привязываем объект к требуемой части контекста (Расположение целевого объекта окна из примера задано, как `GL_WINDOW_TARGET`). Затем мы устанавливаем значения опций окна и, в конце концов, отвязываем объект, установив id в 0. Значения, установленные нами продолжают храниться в объекте, доступ к которому мы можем получить через objectId и восстановить их снова привязав объект к GL_WINDOW_TARGET.
Данный код лишь показывает пример того, как работает OpenGL. В последствии будут представлены реальные примеры.
Основная фишка этих объектов состоит в том, что мы можем объявлять множество объектов в нашем приложении, задавать их опции и когда бы мы не запускали операции с использованием состояния OpenGL мы можем просто привязать объект с нашими предпочитаемыми настройками. К примеру этом могут быть объекты с данными 3D модели или нечто, что мы хотим на этой модели отрисовать. Владение несколькими объектами позволяет просто переключаться между ними в процессе отрисовки.
Давайте начнем
Теперь вы немного узнали про OpenGL как о спецификации, так и о библиотеке. Узнали примерный алгоритм работы и несколько особенностей, используемых OpenGL. Не расстраивайтесь, если что-то недопоняли, далее мы пошагово пройдемся по всем этапам и вы увидите достаточно примеров, чтобы разобраться во всех хитросплетениях OpenGL. Если вы уже готовы начать — то мы можем начать создавать OpenGL контекст и наше первое окно прямо тут.
Что такое OpenGL?
Введение
OpenGL имеет хорошо продуманную внутреннюю структуру и довольно простой процедурный интерфейс. Несмотря на это с помощью OpenGL можно создавать сложные и мощные программные комплексы, затрачивая при этом минимальное время по сравнению с другими графическими библиотеками.
Основные возможности OpenGL.
Дополнительные библиотеки OpenGL
Несмотря на то, что библиотека OpenGL (сокращённо GL) предоставляет практически все возможности для моделирования и воспроизведения трёхмерных сцен, некоторые из функций, которые требуются при работе с графикой, отсутствуют в стандартной библиотеке OpenGL.. Например, чтобы задать положение и направление камеры, с которой будет наблюдаться сцена, нужно самому рассчитывать модельную матрицу, а это далеко не все умеют. Поэтому для OpenGL существуют так называемые вспомогательные библиотеки.
Первая из этих библиотек называется GLU. Эта библиотека уже стала стандартом и поставляется вместе с главной библиотекой OpenGL. В состав этой библиотеки вошли более сложные функции, например для того чтобы определить цилиндр или диск потребуется всего одна команда. Также в библиотеку вошли функции для работы со сплайнами, реализованы дополнительные операции над матрицами и дополнительные виды проекций.
Есть ещё одна библиотека похожая на GLUT, называется она GLAUX. Это библиотека разработана фирмой Microsoft для операционной системы Windows. Она во многом схожа с библиотекой GLUT, но немного отстаёт от неё по своим возможностям. И ещё один недостаток заключается в том, что библиотека GLAUX предназначена только для Windows, в то время как GLUT поддерживает очень много операционных систем.
Альтернативы OpenGL
Хотя библиотека OpenGL и считается одной из лучших библиотек как для профессионального применения так и для игр, у неё существуют и конкуренты.
Одним из главных конкурентов считается Direct3D из пакета DirectX, разработанный фирмой Microsoft. Direct3D создавался исключительно для игровых приложений. Если сравнивать эти две библиотеки, то нельзя сказать, что одна из них лучше, а другая хуже, у каждой библиотеки имеются свои особенности. Например, если сравнивать их в плане переносимости программ с одной платформы на другую, то Direct3D будет работать только на Intel платформах под управлением операционной системы Windows, в то время программы, написанные с помощью OpenGL можно успешно перенести на такие платформы как Unix, Linux, SunOS, IRIX, Windows, MacOS и многие другие. А вот в плане объектно-ориентированного подхода OpenGL уступает Direct3D. OpenGL работает по принципу конечного автомата, переходя из одного состояния в другое, совершая при этом какие-то преобразования. Ещё одним преимуществом Direct3D является поддержка дешёвого оборудования, OpenGL же поддерживается не на всех графических картах, но для профессиональных ускорителей OpenGL является стандартом де-факто. И ещё, OpenGL легче чем Direct3D для изучения основ графики, OpenGL можно применять например для начального изучения трёхмерной графики.
GLide до недавнего времени тоже являлся довольно широко используемым стандартом для игровых приложений. Этот стандарт создала фирма 3Dfx и библиотека GLide создавалась исключительно для видео ускорителей фирмы 3Dfx Voodoo и была оптимизирована исключительно под них. GLide является более низкоуровневым по отношению к OpenGL и по своим командам похож на него. GLide мало чем отличается от OpenGL по своим возможностям, за исключением некоторых функций, которые специально предназначались для Voodoo ускорителей. Но к сожалению 3Dfx отказалась от этого стандарта, передав его в руки разработчиков открытого программного обеспечения.
Есть ещё несколько библиотек, среди них можно отметить Heidi. Heidi это библиотека или даже лучше сказать драйвер для визуализации трёхмерных сцен, используемый только в 3D Studio Max и только под Windows NT.
Заключение
Заканчивая вводный рассказ про OpenGL хочется подвести некоторые итоги. Итак OpenGL представляет собой единый стандарт для разработки трёхмерных приложений, сочетает в себе такие качества как мощь и в то же время простоту. Мультиплатформенность позволяет без труда переносить программное обеспечение с одной операционной системы в другую. OpenGL предоставляет вам в распоряжение всю мощь аппаратных возможностей, которые вы имеете на данном компьютере и при написании программ вам не нужно будет беспокоится о конкретных деталях используемого оборудования, за вас побеспокоится драйвер OpenGL. OpenGL прекрасно подходит как для профессионалов так и для новичков в области компьютерной графики.
Урок №1. Что такое OpenGL?
Обновл. 30 Окт 2021 |
Перед началом нашего путешествия мы должны определиться с тем, что такое OpenGL.
Что такое OpenGL?
OpenGL (англ. «Open Graphics Library») рассматривается как API (англ. «Application Programming Interface» = «Интерфейс прикладного программирования»), предоставляющий большой набор функций, которые мы можем использовать для управления графикой и изображениями. Если конкретнее, то OpenGL является спецификацией, разработанной и поддерживаемой Khronos Group.
Спецификация OpenGL определяет, каким должен быть результат/вывод каждой функции, и как она должна выполняться. А вот реализация этой спецификации уже зависит от конкретных разработчиков. Поскольку спецификация OpenGL не предоставляет нам подробностей реализации, то, фактически, разработанные версии OpenGL могут иметь разные реализации до тех пор, пока их результаты соответствуют спецификации (и, следовательно, являются одинаковыми для пользователя).
Люди, разрабатывающие библиотеки OpenGL, обычно являются производителями видеокарт. Каждая приобретаемая вами видеокарта поддерживает определенные версии OpenGL, разработанные специально под эту линейку видеокарт. При использовании программного обеспечения от Apple библиотека OpenGL поддерживается, собственно, разработчиками Apple, а в Linux существует целый набор версий графических поставщиков и адаптации от опенсорс-сообщества этих библиотек. Это также означает, что всякий раз, когда OpenGL демонстрирует странное поведение, которого не должно быть, то это, скорее всего, вина производителей видеокарт (или тех, кто разрабатывал/поддерживает эту библиотеку).
Поскольку большинство реализаций OpenGL созданы производителями видеокарт, то всякий раз, когда находится баг в реализации, это обычно решается обновлением драйверов вашей видеокарты. Эти драйверы включают в себя последние версии OpenGL, которые поддерживает ваша видеокарта. Это одна из основных причин, по которой всегда рекомендуется обновлять графические драйверы.
Khronos публично размещает все спецификации документов для всех версий OpenGL. Заинтересованный читатель может посмотреть спецификацию OpenGL версии 3.3 (которую мы и будем использовать) здесь, где он сможет углубиться в детали OpenGL (обратите внимание, что в данной спецификации в основном просто описываются результаты, а не реализации). Эта спецификация также предоставляет отличную справочную информацию для понимания того, какой результат выполнения функций должен быть.
Core-profile vs. Непосредственный режим
В старые времена использование OpenGL означало разработку в непосредственном режиме (так называемом «конвейере фиксированных функций»), который был простым в использовании методом для рисования графики. Большая часть функционала OpenGL была скрыта внутри библиотеки, и разработчики не имели контроля над тем, как OpenGL выполняет свои вычисления. Поскольку разработчики жаждали большей гибкости, то со временем спецификации стали более гибкими; разработчики получили больше контроля над своей графикой. Непосредственный режим действительно прост в использовании и понимании, но он также крайне неэффективен. По этой причине, начиная со спецификации версии 3.2, функционал непосредственного режима начали считать устаревшим, мотивируя тем самым разработчиков перейти на разработку в режиме core-profile, который является разделом спецификации OpenGL с полностью удаленным устаревшим функционалом.
Используя режим core-profile, OpenGL заставляет нас применять современные техники. Всякий раз, когда мы пытаемся использовать одну из устаревших функций OpenGL в режиме core-profile, OpenGL выбрасывает ошибку и останавливает рисование. Преимуществом изучения современного подхода является его гибкость и эффективность. Тем не менее, учить его уже несколько сложнее. Непосредственный режим довольно сильно абстрагировался от реальных операций, выполняемых OpenGL, и, хотя это было легко освоить, трудно понять, как на самом деле работает OpenGL. Современный подход требует от разработчика понимания работы OpenGL и графического программирования, и, хотя это немного сложно, это обеспечивает гораздо большую гибкость и эффективность.
Это также одна из причин, по которой данный туториал более ориентирован на core-profile в OpenGL версии 3.3.
На сегодняшний день доступны более новые версии OpenGL (на момент написания — версия 4.6), поэтому следует логичный вопрос: «Почему я должен изучать OpenGL 3.3, когда уже есть OpenGL 4.6?». Дело в том, что все последующие версии OpenGL, начиная с версии 3.3, добавляют дополнительные полезные возможности в OpenGL без изменения фундаментального ядра/базиса, используемого в OpenGL; более новые версии просто предоставляют несколько более эффективных или полезных способов решения одних и тех же задач. В результате все концепции и техники остаются неизменными при выходе новых версий OpenGL, поэтому изучение OpenGL 3.3 является совершенно справедливым.
Примечание: При использовании функционала самых последних версий OpenGL только самые современные видеокарты смогут запустить ваше приложение. Именно поэтому большинство разработчиков обычно ориентируются на более ранние версии OpenGL и только лишь при необходимости подключают функционал более новых версий.
Расширения в OpenGL
Отличительной особенностью OpenGL является поддержка расширений. Всякий раз, когда графическая компания выкатывает новую методику или новую большую оптимизацию для рендеринга, это часто встречается в расширении, реализованном в драйверах. Если оборудование, на котором работает приложение, поддерживает такое расширение, то разработчик может использовать функционал, предоставляемый этим расширением, для более продвинутой или эффективной графики. Таким образом, графический разработчик уже может использовать новые методы рендеринга, просто проверяя, поддерживается ли данное расширение видеокартой, при этом не дожидаясь, пока OpenGL добавит этот функционал в свою новую версию. Часто, когда расширение является популярным или очень полезным, оно в конечном итоге становится частью новой версии OpenGL.
Разработчик должен знать, доступны ли какие-либо из этих расширений, прежде чем их использовать (или использовать библиотеку расширений OpenGL). Это позволяет разработчику делать вещи лучше или эффективнее в зависимости от того, доступно ли расширение: