Технология OpenGL

OpenGL является низкоуровневым процедурным API, что вынуждает программиста диктовать точную последовательность шагов, чтобы построить результирующую растровую графику (императивный подход). Это является основным отличием от дескрипторных подходов, когда вся сцена передается в виде структуры данных (чаще всего дерева), которое обрабатывается и строится на экране. С одной стороны, императивный подход требует от программиста глубокого знания законов трёхмерной графики и математических моделей, с другой стороны — даёт свободу внедрения различных инноваций.

Расширения OpenGL

Стандарт OpenGL, с появлением новых технологий, позволяет отдельным производителям добавлять в библиотеку функциональность через механизм расширений. Расширения распространяются с помощью двух составляющих: заголовочный файл, в котором находятся прототипы новых функций и констант, а также драйвер устройства, поставляемого разработчиком. Каждый производитель имеет аббревиатуру, которая используется при именовании его новых функций и констант. Например, компания NVIDIA имеет аббревиатуру NV, которая используется при именовании её новых функций, как, например, glCombinerParameterfvNV(), а также констант, GL_NORMAL_MAP_NV. Может случиться так, что определённое расширение могут реализовать несколько производителей. В этом случае используется аббревиатура EXT, например, glDeleteRenderbuffersEXT. В случае же, когда расширение одобряется Консорциумом ARB, оно приобретает аббревиатуру ARB и становится стандартным расширением. Обычно, расширения, одобренные Консорциумом ARB, включаются в одну из последующих спецификаций OpenGL.

Список зарегистрированных расширений можно найти в официальной базе расширений.

Дополнительные библиотеки OpenGL

Существует ряд библиотек, созданных поверх или в дополнение к OpenGL. Например, библиотека GLU, являющаяся практически стандартным дополнением OpenGL и всегда её сопровождающая, построена поверх последней, то есть использует её функции для реализации своих возможностей. Другие библиотеки, как, например, GLUT и SDL, созданы для реализации возможностей, недоступных в OpenGL. К таким возможностям относятся создание интерфейса пользователя (окна, кнопки, меню и др.), настройка контекста рисования (область рисования, использующаяся OpenGL), обработка сообщений от устройств ввода/вывода (клавиатура, мышь и др.), а также работа с файлами. Обычно, каждый оконный менеджер имеет собственную библиотеку-расширение для реализации вышеописанных возможностей, например, WGL в Windows или GLX в X Window System, однако библиотеки GLUT и SDL являются кросс-платформенными, что облегчает перенос написанных приложений на другие платформы.

Библиотеки GLEW (The OpenGL Extension Wrangler Library) и GLEE (The OpenGL Easy Extension library) созданы для облегчения работы с расширениями и различными версиями OpenGL. Это особенно актуально для программистов в Windows, так как заголовочные и библиотечные файлы, поставляемые с Visual Studio, находятся на уровне версии OpenGL 1.1.

OpenGL имеет только набор геометрических примитивов (точки, линии, многоугольники) из которых создаются все трёхмерные объекты. Порой подобный уровень детализации не всегда удобен при создании сцен. Поэтому поверх OpenGL были созданы более высокоуровневые библиотеки, такие как Open Inventor и VTK. Данные библиотеки позволяют оперировать более сложными трёхмерными объектами, что облегчает и ускоряет создание трёхмерной сцены.

GLM (OpenGL Mathematics) — вспомогательная библиотека, предоставляющая программистам на C++ классы и функции для выполнения математических операций. Библиотека может использоваться при создании 3D-программ с использованием OpenGL. Одной из характеристик GLM является то, что реализация основана на спецификации GLSL. Исходный код GLM использует лицензию MIT.

Независимость от языка программирования

Для подтверждения независимости от языка программирования были разработаны различные варианты привязки (binding) функций OpenGL или полностью перенесены на другие языки. Одним из примеров может служить библиотека Java 3D, которая может использовать аппаратное ускорение OpenGL. Прямая привязка функций реализована в Lightweight Java Game Library[3], которая имеет прямую привязку OpenGL для Java. Sun также выпустила версию Java OpenGL (JOGL), которая предоставляет прямую привязку к Си-функциям OpenGL, в отличие от Java 3D, которая не имеет столь низкоуровневой поддержки. Официальный сайт OpenGL имеет ссылки на привязки для языков Java, Фортран 90, Perl, Pike, Python, Ada, Visual Basic и Pascal.[4] Имеются также варианты привязки OpenGL для языков C++ и C#.[5]

История развития OpenGL

Компьютерная графика нашла широкое распространение и применение в повседневной жизни. Учёные используют компьютерную графику для анализа результатов моделирования. Инженеры и архитекторы используют трёхмерную графику для создания виртуальных моделей. Кинематографисты создают спецэффекты или полностью анимированные фильмы (“Шрек”, “История игрушек” и др.). В последние годы широкое распространение получили также компьютерные игры, максимально использующие трёхмерную графику для создания виртуальных миров.

Распространению компьютерной графики сопутствовали свои трудности. В 1990-х разработка программного продукта, способного работать на большом количестве графического оборудования, была сопряжена с большими временны́ми и финансовыми затратами. Было необходимо отдельно создавать модули для каждого типа графических адаптеров, что порой приводило к размножению одинакового программного кода. Это сильно тормозило развитие и распространение компьютерной графики.

Таким образом появился программный интерфейс OpenGL, который стандартизирует доступ к графической аппаратуре путём смещения ответственности за создание аппаратного драйвера на производителя графического устройства. Это позволило разработчикам программного обеспечения использовать более высокий уровень абстракции от графического оборудования, что значительно ускорило создание новых программных продуктов и снизило на них затраты.

В 1992 году компания SGI возглавила OpenGL ARB — группу компаний по разработке спецификации OpenGL. OpenGL эволюционировал из 3D-интерфейса SGI — IRIS GL. Одним из ограничений IRIS GL было то, что он позволял использовать только возможности, поддерживаемые оборудованием; если возможность не была реализована аппаратно, приложение не могло её использовать. OpenGL преодолевает эту проблему за счёт программной реализации возможностей, не предоставляемых аппаратно, что позволяет приложениям использовать этот интерфейс на относительно маломощных системах.

В 1995 году была выпущена библиотека Direct3D от Microsoft. Вскоре Microsoft, SGI и Hewlett-Packard начали проект под названием Fahrenheit, который предусматривал создание более универсального программного интерфейса на основе Direct3D и OpenGL. Идея казалась достаточно обещающей, призванной навести порядок в области интерактивной трёхмерной графики, однако, в результате финансовых трудностей в SGI и отсутствия должной индустриальной поддержки, проект был закрыт.

Однако, ещё до введения в стандарт OpenGL языка GLSL существовала возможность разрабатывать спецэффекты на языках ассемблера (расширения vertex_program, fragment_program) и Cg (NVidia C for Graphics). Многие предложенные возможности пока отсутствуют в версии OpenGL 2.0, хотя некоторые из них реализованы многими производителями в виде расширений.

Поддерживают видеокарты: Radeon HD серии; GeForce 8, 9, GTX 100, GTX 200, GTX 300 и GTX 400 серий.

3 августа 2009 года Khronos Group анонсировала OpenGL 3.2. Новая версия продолжает развитие стандарта OpenGL, чтобы дать разработчикам графики кроссплатформенный доступ к передовой функциональности GPU.

Поддерживают видеокарты: Radeon серии HD; GeForce 8000, 9000, GTX серий 200 и 400.

Нововведения:

OpenGL 3.3

OpenGL 4.0

Нововведения:

• Две новые ступени обработки полутонов, что позволяет перенести обработку тесселяции с центрального процессора на GPU;
• Поддержка выборочных фрагментных шейдеров (per-sample fragment shaders) и программируемых фрагментных шейдеров входных позиций для увеличения качества рендеринга и гибкости в управлении сглаживанием;
• Прорисовка данных, сгенерированных OpenGL или такими внешними API, как OpenCL, без участия центрального процессора;
• Шейдерные подпрограммы помогут значительно увеличить гибкость написания программ;
• Разделение состояния текстур и текстурных данных через добавление нового типа данных под названием “объекты семплов”;
• 64-битная двойная точность с плавающей запятой операций с шейдерами и ввода-вывода для увеличения точности и качества рендеринга;
• Увеличение производительности, включая шейдеры геометрии образца, массивов образца и новых запросов к таймеру.

OpenGL 4.1

Нововведения:

• Полная совместимость с OpenGL ES 2.0 API
• Возможность опрашивать и загружать бинарные данные для объектов шейдерных программ
• 64-х битные компоненты с плавающей точкой для вершинных шейдеров (повышается геометрическая точность)
• Использование различных точек обзора

Новые расширения:

• Sync-объекты OpenGL, связанные с event-объектами OpenCL
• Возможность установить шаблонные (stencil) значения во фрагментном шейдере
• Некоторые особенности для улучшения надежности, например при запуске WebGL приложений
• Механизмы обратной связи для получения ошибок и предупреждений

OpenGL 4.2

Нововведения:

• Возможность использования в шейдерах атомарных счетчиков и атомарных операций модификации (атомарный цикл чтение-изменение-запись) для одного уровня текстур
• Возможность геометрических преобразований с использованием тесселяции на стороне GPU и отрисовки нескольких экземпляров полученных преобразований
• Поддержка изменения произвольной части сжатой текстуры, без повторной загрузки в GPU текстуры целиком
• Поддержка упаковки нескольких 8- и 16-разрядных значений в одно 32-разрядное значение для эффективной обработки шейдеров cо значительным сокращением используемого объема памяти и повышением пропускной способности.

Литература