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OpenGL

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OpenGL
OpenGL logo
原作者 硅谷图形公司SGI
开发者 Khronos Group
稳定版本
稳定版本
4.6[1]
(2017年7月31日 (2017-07-31)
编程语言 C
操作系统 跨平台
类型 API
许可协议 多种[2]
网站 http://www.opengl.org

OpenGL英语:Open Graphics Library,译名:开放图形库或者“开放式图形库”)是用于渲染2D3D矢量图形的跨语言跨平台应用程序编程接口(API)。这个接口由近350个不同的函数调用组成,用来从简单的图形比特绘制复杂的三维景象。而另一种程序接口系统是仅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD虚拟实境、科学可视化程序和电子游戏开发

OpenGL的高效实现(利用了图形加速硬件)存在于Windows,部分UNIX平台和Mac OS。这些实现一般由显示设备厂商提供,而且非常依赖于该厂商提供的硬件。开放源代码Mesa是一个纯基于软件的图形API,它的代码兼容于OpenGL。但是,由于许可证的原因,它只声称是一个“非常相似”的API。

OpenGL规范由1992年成立的OpenGL架构评审委员会(ARB)维护。ARB由一些对创建一个统一的、普遍可用的API特别感兴趣的公司组成。根据OpenGL官方网站,2002年6月的ARB投票成员包括3DlabsApple ComputerATI TechnologiesDell ComputerEvans & SutherlandHewlett-PackardIBMIntelMatroxNVIDIASGISun MicrosystemsMicrosoft曾是创立成员之一,但已于2003年3月退出。

设计[编辑]

图形管线

OpenGL规范描述了绘制2D和3D图形的抽象API。尽管这些API可以完全通过软件实现,但它是为大部分或者全部使用硬件加速而设计的。

OpenGL的API定义了若干可被客户端程序调用的函数,以及一些具名整型常量(例如,常量GL_TEXTURE_2D对应的十进制整数为3553)。虽然这些函数的定义表面上类似于C编程语言,但它们是语言独立的。因此,OpenGL有许多语言绑定,值得一提的包括:JavaScript绑定的WebGL(基于OpenGL ES 2.0在Web浏览器中的进行3D渲染的API);C绑定的WGL、GLX和CGL;iOS提供的C绑定;Android提供的Java和C绑定。

OpenGL不仅语言无关,而且平台无关。规范只字未提获得和管理OpenGL上下文相关的内容,而是将这些作为细节交给底层的窗口系统。出于同样的原因,OpenGL纯粹专注于渲染,而不提供输入、音频以及窗口相关的API。

OpenGL是一个不断进化的API。新版OpenGL规范会定期由Khronos Group发布,新版本通过扩展API来支持各种新功能。每个版本的细节由Khronos Group的成员一致决定,包括显卡厂商、操作系统设计人员以及类似Mozilla谷歌的一般性技术公司

除了核心API要求的功能之外,GPU供应商可以通过扩展的形式提供额外功能。扩展可能会引入新功能和新常量,并且可能放松或取消现有的OpenGL函数的限制。然后一个扩展就分成两部分发布:包含扩展函数原型的头文件和作为厂商的设备驱动。供应商使用扩展公开自定义的API而无需获得其他供应商或Khronos Group的支持,这大大增加了OpenGL的灵活性。OpenGL Registry负责所有扩展的收集和定义。

每个扩展都与一个简短的标识符关系,该标识符基于开发公司的名称。例如,英伟达(nVidia)的标识符是NV。如果多个供应商同意使用相同的API来实现相同的功能,那么就用EXT标志符。这种情况更进一步,Khronos Group的架构评审委员(Architecture Review Board,ARB)正式批准该扩展,那么这就被称为一个“标准扩展”,标识符使用ARB。第一个ARB扩展是GL_ARB_multitexture。

OpenGL每个新版本中引入的功能,特别是ARB和EXT类型的扩展,通常由数个被广泛实现的扩展功能组合而成。

文档[编辑]

OpenGL普及的部分原因是其高质量的官方文件。OpenGL架构评审委员会随规范一同发布了一系列包含API变化更新的手册。这些手册因其封面颜色而众所周知。

  • 红宝书

Dave Shreiner, Graham Sellers, John M. Kessenich and Bill M. Licea-Kane. 2013. OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 4.3(8th Edition). Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0321773036.

  • 橙宝书

Randi J. Rost, Bill M. Licea-Kane, Dan Ginsburg, John M. Kessenich, Barthold Lichtenbelt, Hugh Malan and Mike Weiblen. 2009. OpenGL Shading Language (3rd Edition). Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0321637635

相关程序库[编辑]

早期的 OpenGL 版本会一同发布配套的 GLU 库,提供一些同时代硬件尚不支持的简单功能。GLU 最后一次更新规格要求是在 1998 年,对已弃用的 OpenGL 特性有依赖。

还有几个库也创建在OpenGL之上,提供了OpenGL本身没有的功能:

特别是,OpenGL Performer英语OpenGL Performer库——由SGI开发并可以在IRIXLinuxMicrosoft Windows的一些版本上使用,构建于OpenGL,可以创建实时可视化仿真程序。

当开发者需要使用最新的OpenGL扩展时,他们往往需要使用GLEW英语GLEW库或者是GLEE英语GLEE库提供的功能,可以在程序的运行期判断当前硬件是否支持相关的扩展,防止程序崩溃甚至造成硬件损坏。这类库利用动态加载技术(dlsym、GetProcAddress等函数)搜索各种扩展的信息。

上下文与窗口包[编辑]

OpenGL 上下文(英语:OpenGL context)的创建过程相当复杂,在不同的操作系统上也需要不同的做法。因此很多游戏开发和用户界面库都提供了自动创建 OpenGL 上下文的功能,其中包括 SDLAllegroSFML英语SFMLFLTKQt 等。也有一些库是专门用来创建 OpenGL 窗口的,其中最早的便是 GLUT,后被 freeglut 取代,比较新的也有 GLFW 可以使用。[3]

  • 以下包可以用来创建并管理 OpenGL 窗口,也可以管理输入,但几乎没有除此以外的其它功能:
    • GLFW——跨平台窗口和键盘、鼠标、手柄处理;偏向游戏
    • freeglut——跨平台窗口和键盘、鼠标处理;API 是 GLUT API 的超集,同时也比 GLUT 更新、更稳定
    • GLUT——早期的窗口处理库,已不再维护
  • 支持创建 OpenGL 窗口的还有一些“多媒体库”,同时还支持输入、声音等类似游戏的程序所需要的功能:
    • Allegro 5——跨平台多媒体库,提供针对游戏开发的 C API
    • SDL——跨平台多媒体库,提供 C API
    • SFML英语SFML——跨平台多媒体库,提供 C++ API;同时也提供 C#、Java、Haskell、Go 等语言的绑定
  • 窗口包
    • FLTK——小型的跨平台 C++ 窗口组件库
    • Qt——跨平台 C++ 窗口组件库,提供了许多 OpenGL 辅助对象,抽象掉了桌面版 OpenGL 与 OpenGL ES 之间的区别
    • wxWidgets——跨平台 C++ 窗口组件库

历史[编辑]

1980年代,开发可以用在各种各样图形硬件上的软件是个真正的挑战。通常,软件开发人员为每种硬件编写自定义的接口和驱动程序。但这非常昂贵并会导致大量工作的重复。

20世纪90年代初,SGI成为工作站3D图形领域的领导者。其IRIS GL的API被认为是最先进的科技并成为事实上的行业标准,而基于开放标准的PHIGS则相形见绌。IRIS GL更容易使用,而且还支持即时模式的渲染。相比之下,PHIGS难于使用并且功能老旧。

SGI的竞争对手(包括Sun惠普IBM)通过扩展PHIGS标准也能将3D硬件投入市场。这反过来导致SGI市场份额的削弱,因为有越来越多的3D图形硬件供应商进入市场。为攻占市场,SGI决定把IRIS GL API转变为一项开放标准,即OpenGL。

然而,SGI拥有大量的软件客户,对他们来说从IRIS GL迁移到OpenGL将需要巨额投资。此外,IRIS GL的应用程序接口拥有与3D图形不相关的函数。例如,它包括窗口、键盘和鼠标的API,部分原因是由于它是在X Window系统和Sun公司的NeWS系统之前开发的。而且,IRIS GL库由于授权和专利问题并不适合开放。上述种种因素要求SGI继续支持先进和专有的IRIS Inventor和IRIS Performer应用程序接口。

IRIS GL的限制之一是只能访问由底层硬件支持的功能。如果图形硬件不支持一项功能,那么该应用程序将不能使用它。OpenGL通过为硬件不具备的功能提供软件支持克服了此问题,这就允许应用程序在相对较弱的系统中使用先进的图形技术。OpenGL标准化了访问硬件的方式:硬件接口程序的开发(有时也称为设备驱动程序)交由硬件制造商,而窗口功能委托给底层操作系统。让大量不同种类的图形硬件讲同一种语言影响深远,它为软件开发者进行3D软件发展提供了更高层次的平台。

1992年,SGI公司领导了OpenGL架构审查委员会(OpenGL ARB)的创建。该委员会由若干公司组成,负责未来OpenGL规范的维护和扩展。

微软在1995年发布Direct3D,Direct 3D最终成为OpenGL的主要竞争对手。1997年12月17日,微软和SGI发起华氏温标项目,旨在统一OpenGL和Direct3D的接口。1998年,惠普加入。后来,由于SGI的财政限制、微软的战略以及缺乏行业普遍支持,项目1999年遭弃。

2006年7月,OpenGL架构评审委员会投票决定将OpenGL API标准的控制权交给Khronos Group。

绑定[编辑]

为了加强它的多语言和多平台特性,已经用很多语言开发了OpenGL的各种绑定和移植。最值得注意的是,Java3D库已经可以利用OpenGL(另一个选择可能是DirectX)作为它的硬件加速了。OpenGL官方网页[1][永久失效链接]列出了用于JavaFortran 90PerlPikePythonAdaVisual Basic的多个绑定。

高级功能[编辑]

OpenGL被设计为只有输出的,所以它只提供渲染功能。核心API没有窗口系统、音频、打印、键盘/鼠标或其他输入设备的概念。虽然这一开始看起来像是一种限制,但它允许进行渲染的代码完全独立于他运行的操作系统,允许跨平台开发。然而,有些集成于原生窗口系统的东西需要允许和宿主系统交互。这通过下列附加API实现:

另外,GLUT库能够以可移植的方式提供基本的窗口功能。

版本[编辑]

OpenGL进化自(而且风格很相似)SGI的早期3D接口IRIS GL。IRIS GL的一个限制是它只能访问底层硬件提供的特性。如果图形硬件不支持例如纹理映射这样的功能,那么应用程序就不能使用它。OpenGL通过在软件上对硬件不支持的特性提供支持的方法克服了这个问题,允许应用程序在相对低配置的系统上使用高级的图形特性。Fahrenheit项目是Microsoft和SGI之间的联合行动,为了统一OpenGL和Direct3D接口的目的。它一开始提出了一些把规则带给交互3D计算机图形API世界的承诺,但因为SGI的财政限制,这个项目后来被放弃了。

2002年微软的DirectX 9提出了全新的Shader绘图功能以及高端着色语言(HLSL),OpenGL霸主地位开始被瓦解。这使得3DLabs了解到必须开发全新的OpenGL 2.0版本,但仅加入支持GLSL的功能。2006年Khronos接手OpenGL,立刻着手发展Longs Peak与Mount Evans。2008年推出OpenGL 3,但评价普遍不高。

2010年3月10日, OpenGL同时推出了3.3和4.0版本,同年7月26日又发布了4.1版本。2011年8月8日发布4.2版本。2013年发布4.3版。

主要版本 发布日期 重要变更
1.1 1997年1月
1.2 1998年3月16日
1.2.1 1998年10月14日
1.3 2001年8月14日
1.4 2002年7月24日
1.5 2003年7月29日
2.0 2004年9月7日
2.1 2006年7月2日
3.0 2008年8月11日
3.1 2009年3月24日
3.2 2009年8月3日
3.3 2010年3月11日 OpenGL 3.3与4.0版一起发布。 以体现硬件支持Direct3D 10的可能性。
4.0 2010年3月11日 OpenGL 4.0与版本3.3一起发布。 它是为硬件设计的,以体现硬件支持Direct3D 11的可能性。

与OpenGL 3.0一样,这个版本的OpenGL包含大量相当无关紧要的扩展,旨在彻底揭示Direct3D 11级硬件的能力。

4.1 2010年7月26日
4.2 2011年8月8日 支持的显卡:NVIDIA GeForce 400系列以上,AMD Radeon HD7000系列以上,Intel HD Graphics (第7代Ivy Bridge系列以上)

AMD Radeon HD 6000 Series, AMD Radeon HD 7000 Series

  • 支持Shaders原子计数器和加载/存储/原子读-修改-写操作的单级纹理着色器。
  • 捕捉GPU-tessellated几何变换反馈的结果绘制的多个实例,使复杂的对象进行有效的重新定位和复制。
  • 支持修改任意子集的压缩纹理,而无需重新下载整个GPU的纹理,显著的性能改进。
  • 支持包装成一个单一的32位值显著降低内存存储和带宽的高效着色处理多个8位和16位值。
4.3 2012年8月6日 支持的显卡:NVIDIA GeForce 400系列以上,AMD Radeon HD5000系列以上,Intel HD Graphics (第7.5代Haswell系列以上)
  • 围内充分利用GPU的并发计算着色器的图形管道
  • 暗器的存储缓冲器对象
  • 纹理参数查询
  • 作为标准功能的高质量的纹理压缩ETC2/EAC
  • 完全兼容的OpenGL ES3.0的API
  • 在应用程序开发过程中调试能力接收调试消息
  • 没有数据复制以不同的方式解释纹理的纹理意见
  • 增加了内存的安全性
  • 一个多应用的健壮性扩展
4.4 2013年7月22日[4] 支持的显卡:NVIDIA GeForce 400系列以上,AMD Radeon HD5000系列以上,Intel HD Graphics (第7.5代Haswell系列以上)
  • 缓冲器位置控制
  • 高效异步查询
  • 着色器可变布局
  • 高效多对象绑定
  • 精简化Direct3D应用的移植
  • 非绑定的纹理扩展
  • 稀疏纹理扩展
4.5 2014年8月11日[5] 支持的显卡:NVIDIA GeForce 400系列以上,AMD Radeon HD7000系列以上,Intel HD Graphics (第8代Broadwell系列以上),Tegra K1, Tegra X1
  • 直接状态访问(DSA) - 对象访问器使查询和修改状态不会将对象绑定到上下文中,从而提高应用程序和中间件的效率和灵活性
  • 刷新控制 - 应用程序可以在上下文切换之前控制挂起命令的刷新,实现高性能多线程应用程序
  • 鲁棒性 - 为WebGL浏览器等应用程序提供安全平台,包括阻止GPU复位影响任何其他正在运行的应用程序
  • OpenGL ES 3.1 API和着色器兼容性 - 可轻松开发和执行桌面系统上最新的OpenGL ES应用程序
4.6 2017年7月31日 支持的显卡:NVIDIA GeForce 400系列以上(理论上可支持)
  • SPIR-V着色器
  • 各向异性过滤

参考文献[编辑]

  1. ^ 引用错误:没有为名为OpenGL 4.6的参考文献提供内容
  2. ^ OpenGL® Licensing and Logos. Silicon Graphics International Corp. [2013-12-15] (英语). 
  3. ^ GLUT-like Windowing toolkits. Khronos Group. [2018-07-19] (英语). 
  4. ^ Khronos Releases OpenGL 4.4 Specification. Khronos Group. 2013-07-22 [2013-12-15] (英语). 
  5. ^ OpenGL 4.5 released, next-gen OpenGL unveiled: Cross-platform Mantle killer, DX12 competitor. ExtremeTech. 2014-08-11 [2014-08-12]. 

外部链接[编辑]

参见[编辑]