Введение
OpenGL (Open Graphics Library) - это кроссплатформенный и кроссязыковой интерфейс программирования приложений (API) для рендеринга 2D и 3D графики. OpenGL был разработан в начале 90-х годов компанией Silicon Graphics и с тех пор стал самым популярным графическим стандартом в индустрии, охватывая тысячи приложений для разных компьютерных платформ. OpenGL не зависит от оконной системы и операционной системы, а также поддерживает сетевую прозрачность.
OpenGL является низкоуровневым API, который предоставляет доступ к графическому аппаратному обеспечению, такому как видеокарты, и позволяет программистам контролировать все аспекты рендеринга, такие как трансформации, освещение, текстурирование, смешивание, тесселяция, геометрические шейдеры и др. OpenGL также поддерживает расширения, которые добавляют новые возможности и оптимизации для конкретных производителей и платформ. OpenGL спецификации определяют набор функций и констант, которые должны поддерживаться реализациями OpenGL, но не накладывают ограничений на то, как эти функции должны быть реализованы.
OpenGL не является библиотекой в обычном смысле, а скорее набором спецификаций, которые должны быть реализованы разработчиками драйверов и библиотек. Для использования OpenGL в приложениях необходимо подключить соответствующие заголовочные файлы и библиотеки, которые обычно поставляются с операционной системой или драйвером видеокарты. Также существуют различные вспомогательные библиотеки и инструменты, которые упрощают работу с OpenGL, такие как GLUT, GLFW, GLEW, GLM и др.
OpenGL имеет несколько версий, которые отражают развитие графического аппаратного обеспечения и потребности приложений. Самая последняя версия OpenGL - это OpenGL 4.6, выпущенная в 2017 году. Она включает в себя все функции предыдущих версий, а также добавляет новые возможности, такие как SPIR-V, анисотропное фильтрование, параметрические буферы и др. OpenGL также имеет несколько профилей, которые определяют различные подмножества функций для разных целей. Например, профиль Core - это минимальный набор функций, необходимый для современной графики, а профиль Compatibility - это полный набор функций, включая устаревшие и удаленные в Core.
OpenGL также имеет несколько вариантов для разных платформ и устройств. Например, OpenGL ES - это упрощенная версия OpenGL для встраиваемых систем, таких как мобильные телефоны, планшеты и игровые консоли. OpenGL ES поддерживает меньше функций, чем OpenGL, но зато более эффективно использует ресурсы и энергию. OpenGL ES имеет свои версии, соответствующие версиям OpenGL. Самая последняя версия OpenGL ES - это OpenGL ES 3.2, выпущенная в 2015 году. Она включает в себя все функции OpenGL ES 3.1, а также добавляет новые возможности, такие как атомарные счетчики, геометрические и тесселяционные шейдеры, расширенное текстурирование и др.
OpenGL SC - это специализированная версия OpenGL для систем критического назначения, таких как авиация, автомобили, медицина и др. OpenGL SC обеспечивает высокую надежность и безопасность, а также соответствие стандартам и сертификации. OpenGL SC имеет свои версии, соответствующие версиям OpenGL. Самая последняя версия OpenGL SC - это OpenGL SC 2.0, выпущенная в 2016 году. Она включает в себя все функции OpenGL 2.1, а также добавляет новые возможности, такие как поддержка шейдеров, фреймбуферов, мультисэмплинга и др.
Vulkan - это новый графический и вычислительный API, разработанный группой Khronos, которая также разрабатывает OpenGL. Vulkan является прямым наследником OpenGL и предназначен для обеспечения более высокой производительности, эффективности и контроля над графическим аппаратным обеспечением. Vulkan также является кроссплатформенным и кроссязыковым API, который поддерживает различные операционные системы и устройства, включая Windows, Linux, Android, iOS, macOS и др. Vulkan имеет более низкоуровневый и явный интерфейс, чем OpenGL, что требует от программистов большего понимания и ответственности за управление ресурсами, синхронизацией, очередями, памятью и др. Vulkan также поддерживает расширения, которые добавляют новые возможности и оптимизации для конкретных производителей и платформ. Vulkan имеет несколько версий, которые отражают развитие графического аппаратного обеспечения и потребности приложений. Самая последняя версия Vulkan - это Vulkan 1.2, выпущенная в 2020 году. Она включает в себя все функции Vulkan 1.1, а также добавляет новые возможности, такие как поддержка SPIR-V 1.5, таймлайн семафоры, дескриптор индексирования и др.
Основные понятия и компоненты OpenGL
Для работы с OpenGL необходимо знать основные понятия и компоненты, которые составляют графический конвейер и определяют процесс рендеринга. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из них.
- Вершина (vertex) - это основная единица графических данных, которая представляет собой точку в трехмерном пространстве с определенными атрибутами, такими как координаты, цвет, нормаль, текстурные координаты и др. Вершины образуют примитивы, такие как точки, линии, треугольники и др., которые служат строительными блоками для сложных геометрических объектов.
- Буфер (buffer) - это область памяти, которая хранит определенный тип данных, такой как вершины, индексы, пиксели и др. Буферы могут быть размещены в разных местах, таких как оперативная память, видеопамять, текстурная память и др. Буферы используются для передачи данных между различными стадиями графического конвейера.
- Шейдер (shader) - это программа, которая выполняется на графическом процессоре (GPU) и определяет, как обрабатывать и отображать графические данные. Шейдеры пишутся на специальных языках программирования, таких как GLSL, HLSL, SPIR-V и др. Шейдеры могут быть разных типов, в зависимости от того, на какой стадии графического конвейера они работают. Например, вершинный шейдер (vertex shader) преобразует вершины из локальных координат в экранные координаты, фрагментный шейдер (fragment shader) определяет цвет каждого пикселя на экране, геометрический шейдер (geometry shader) генерирует новые примитивы из существующих и др.
- Фреймбуфер (framebuffer) - это буфер, который хранит пиксели, которые будут отображены на экране. Фреймбуфер состоит из нескольких прикрепленных буферов, таких как цветовой буфер (color buffer), буфер глубины (depth buffer), буфер трафарета (stencil buffer) и др. Цветовой буфер хранит цвет каждого пикселя, буфер глубины хранит расстояние от камеры до каждого пикселя, буфер трафарета хранит дополнительную информацию, которая может использоваться для реализации различных эффектов, таких как отсечение, тени, отражения и др. Фреймбуфер может быть по умолчанию, который предоставляется операционной системой, или пользовательским, который создается программистом для реализации различных техник рендеринга, таких как множественное прохождение (multipass), отложенный рендеринг (deferred rendering), пост-обработка (post-processing) и др.
- Текстура (texture) - это изображение, которое может быть применено к поверхности геометрического объекта для улучшения его внешнего вида. Текстура может содержать различную информацию, такую как цвет, нормаль, высота, освещение, отражение и др. Текстура может быть одномерной, двумерной, трехмерной, кубической и др. Текстура может быть загружена из файла, сгенерирована программно или получена из фреймбуфера. Текстура может быть применена к геометрии с помощью текстурных координат, которые определяют, какой пиксель текстуры соответствует какой точке поверхности. Текстура может быть преобразована с помощью различных параметров, таких как фильтрация, смешивание, обрезка, мипмаппинг и др.
- Состояние (state) - это набор переменных, которые определяют, как OpenGL будет работать с графическими данными. Состояние включает в себя такие аспекты, как текущий шейдер, текущая текстура, текущий фреймбуфер, текущий буфер, текущий режим отрисовки, текущие параметры трансформации, освещения, текстурирования, смешивания и др. Состояние может быть изменено с помощью специальных функций OpenGL, которые называются командами. Команды могут быть разных типов, в зависимости от того, что они делают. Например, команды рисования (drawing commands) отправляют геометрию на рендеринг, команды настройки (setup commands) устанавливают различные параметры состояния, команды синхронизации (synchronization commands) контролируют порядок выполнения команд и др.
- Контекст (context) - это среда, в которой работает OpenGL. Контекст хранит всю информацию о состоянии OpenGL, а также связывает OpenGL с оконной системой и графическим аппаратным обеспечением. Контекст может быть текущим или не текущим, в зависимости от того, какой поток исполнения использует его. Контекст может быть совместимым или не совместимым, в зависимости от того, какие функции OpenGL он поддерживает. Контекст может быть создан, уничтожен, сделан текущим, сброшен и др. с помощью специальных функций, которые предоставляются оконной системой или библиотекой, такой как GLUT, GLFW, SDL и др.