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!
OpenGL — отличная технология компьютерной графики
Вы увлекаетесь или собираетесь профессионально заниматься компьютерной графикой? Тогда вам стоит знать, что такое OpenGL. Ведь эта технология является первой и лидирующей до сих пор в написании программ, независимых от операционной системы и аппаратного обеспечения.
Мы давно ушли от того времени, когда работать с трехмерной графикой можно было только на суперкомпьютерах. Сейчас вы и любой другой человек может это делать на собственном железе. В данной статье я не буду обучать вас программированию, а лишь познакомлю с мощным инструментом, который вам поможет в этом деле.
Объяснение термина
Под двумя последними буквами в понятии OpenGL скрывается Graphics Library. Полностью оно переводится как «отрытая графическая библиотека». Почему открытая? Потому что разработанные на ней продукты можно открывать на любых платформах и результат будет один и тот же. Это может быть как графическая станция, так и суперкомпьютер.
По своей сути OpenGL является интерфейсом, использующим двухмерную и трехмерную графику. Это спецификация, то есть документ с набором функций (API). Основываясь на ней, производители оборудования создают реализации. Если оно не может реализовать какую-либо команду, она эмулируется программами.
Получается, что разработчикам программного обеспечения достаточно научиться использовать возможности Опенгл, а их практическое осуществление отводится изготовителям аппаратной части.
Существуют реализации интерфейса для Windows, Unix-платформ, PlayStation 3 и Mac OS, которые предоставляются производителями видеокарт для возможности работы с ними. Но есть и открытая реализация для других графических карт — библиотека Mesa, которая хоть и считается неофициальной, но отлично справляется со своими задачами.
Появление
В 1990-е годы выпускать кроссплатформенное ПО было дорого и сложно, поэтому создавались отдельные технологии для каждого вида видеокарт, вследствие чего множился один и тот же программный код. Естественно, это преграждало путь совершенствованию компьютерной графики.
В те годы компания Silicon Graphics (SGI), выпускающая высокотехнологическую графическую аппаратуру и проги, занимала лидирующие позиции в трехмерной графике. Поэтому взяла на себя ответственность в стандартизации доступа к соответствующему оборудованию на уровне программного интерфейса.
Таким образом, в 1992 году появилась первая OpenGL. Последнее ее обновление произошло в 2017 году до версии 4.6.
Основные функции
В интерфейс включено больше 300 функций, с помощью которых можно рисовать из простейших примитивов сложные трехмерные сцены. Эти инструменты применяются в создании компьютерных игр, мультфильмов, виртуальной реальности, моделировании, научных исследованиях и пр.
Несколько стандартных возможностей спецификации:
Принцип действия
OpenGL создает векторное изображение из точек, треугольников и линий, а затем путем их математической обработки преображает его в растровое. Картинка выводится на экран или сохраняется в памяти.
Чтобы эти действия были выполнены, программисту следует пошагово расписать команды. То есть вам нужно определить объекты, поставить их в определенном месте, задать такие параметры как масштаб, наклон, поворот и прочие, установить положение наблюдателя, а интерфейс, в свою очередь, покажет результат на экране.
Дело в том, что спецификация призвана лишь отображать заданные вами команды. Управлять итоговой картинкой клавиатурой и мышью не получится. Также нет поддержки менеджера окон. Но это касается только стандартной библиотеки. Есть и другие — с расширенным функционалом.
Что такое opengl вспомогательные библиотеки
Широко используются 4 дополнительные библиотеки:
Сравнение с Direct3D
Основным конкурентом OpenGL выступает Direct3D — продукт фирмы Майкрософт, созданный специально для написания компьютерных игр. На вопрос «что лучше» сложно ответить, потому что обе имеют свои преимущества.
Все-таки приведу некоторое сравнение, чтобы вы сами могли сделать вывод, какая спецификация больше подойдет для ваших задач:
На этом всё что касается того, что такое opengl.
Не забудьте поделиться этой статьей со своими знакомыми, которые тоже увлекаются компьютерной графикой.
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:
Суперсовременный OpenGL. Часть 1
Всем привет. Все кто хоть немного разбирался в теме OpenGL знают, что существует большое количество статей и курсов по этой теме, но многие не затрагивают современный API, а часть из них вообще рассказывают про glBegin и glEnd. Я постараюсь охватить некоторые нюансы нового API начиная с 4-й версии. Ссылка на вторую часть статьи
На этот раз я попробую написать интересную и познавательную статью, а что получилось — решать добрым хабравчанинам. Прошу простить меня за мою плохую грамматику (буду благодарен за исправления).
Если вам понравится, напишу про оптимизацию OpenGL и уменьшение DrawCall’ов.
Что будет в этой статье — функционал современного OpenGL
Чего не будет в этой статье — современные подходы к рендерингу на OpenGL
DSA (Direct State Access)
Direct State Access — Прямой доступ к состоянию. Средство изменения объектов OpenGL без необходимости привязывать их к контексту. Это позволяет изменять состояние объекта в локальном контексте, не затрагивая глобальное состояние, разделяемое всеми частями приложения. Это также делает API-интерфейс немного более объектно-ориентированным, поскольку функции, которые изменяют состояние объектов, могут быть четко определены. Вот что нам говорит OpenGL Wiki.
Как мы знаем, OpenGL — это API-интерфейс с множеством переключателей — glActiveTexture, glBindTexture и т.д.
Отсюда у нас возникают некоторые проблемы :
Теперь я вкратце пробегусь по некоторым новым функциям, подробно останавливаться на параметрах не буду, оставлю линки на вики.
glTexImage довольно небезопасная, очень легко получить невалидные текстуры, потому что функция не проверяет значения при вызове, это делает драйвер во время рисования. Для ее замены была добавлена glTexStorage.
glTexStorage предоставляет способ создания текстур с проверками, выполняемыми во время вызова, что сводит количество ошибок к минимуму. Хранилище текстур решает большинство, если не все проблемы, вызываемые изменяемыми текстурами, хотя неизменяемые текстуры — более надёжно.
Изменения затронули и буфер кадров:
Debug
С версии 4.3 был добавлен новый функционал для дебага, на мой взгляд очень полезный и удобный. Теперь OpenGL будет вызывать наш callback при ошибках и дебаг сообщениях, уровень которых мы сможем настроить.
Нам надо вызвать всего две функции для включения: glEnable& glDebugMessageCallback, проще некуда.
Теперь напишем callback функцию для получения месседжа:
Так же мы можем настроить фильтр при помощи glDebugMessageControl. Фильтр может работать в режиме фильтрации по источнику/типу/важности или набора сообщений с использованием их идентификаторов.
Фильтр сообщений в определенном скоупе:
Очень полезно будет отключить асинхронный вызов, что б мы могли определить порядок вызовов функций, а так же найти место ошибки в стеке при дебаге. Это делается довольно просто:
Стоит помнить, что небезопасно вызывать OpenGL или функции окон в функции обртаного вызова, а так же обратные вызовы небесплатные и не стоит оставлять их включенными в релизной сборке.
Болеее подробно про эти и другие штучки — дрючки, можно почитать здесь.
SSO (Separate Shader Objects)
Когда-то OpenGL работал как «фиксированный конвейер» — это означало, что ко всем передаваемым на визуализацию данным применялась заранее запрограммированная обработка. Следующим шагом было «програмируемый конвейер» — где программируемая часть осуществляет шейдеры, написан в GLSL, классический GLSL программа состояла из вершинного и фрагментного шейдера, но в современном OpenGL добавили некоторые новые типы шейдеров, а именно шейдеры геометрии, теселяции и расчетов (о них я расскажу в следующей части).
SSO позволяют нам изменять этапы шейдера на лету, не связывая их заново. Создание и настройка простого программного конвейера без отладки выглядит следующим образом:
Как мы видим glCreateProgramPipelines генерирует дескриптор и инициализирует объект, glCreateShaderProgramv генерирует, инициализирует, компилирует и связывает шейдерную программу с использованием указанных источников, а glUseProgramStages присоединяет этапы программы к объекту конвейера. glBindProgramPipeline — связывает конвейер с контекстом.
Но есть один нюанс, теперь входные и выходные параметры шейдеров должны совпадать. Мы можем объявить входные/выходные параметры в одном и том же порядке, с одинаковыми именами, либо мы делаем их местоположение явно совпадающим с помощью квалификаторов.
Я рекомендую последний вариант, это позволит нам настроить четко определенный интерфейс, а также проявить гибкость в отношении имен и порядка.
В качестве обеспечения более строгого интерфейса нам также нужно объявить встроенные блоки ввода и вывода, которые мы хотим использовать для каждого этапа.
Встроенные интерфейсы блоков определены как (из вики):
Vertex:
Пример повторного объявления встроенного модуля и использование attribute location в обычном вершинном шейдере:
