OpenGL: Кроссплатформылық графикалық API

Кіріспе

Крос-платформалық графикалық API

OpenGL (Open Graphics Library) – ол компьютерлік көмекпен жобалау (CAD), бейне ойындар, ғылыми визуализация, виртуалды шындық және ұшу симуляциясы сияқты әртүрлі қолданбалар үшін қолданылады. 2006 жылдан бері OpenGL коммерциялық емес технология консорциумы Khronos Group басқаруында.

Дизайн

OpenGL спецификациясы 2D және 3D графиканы салуға арналған абстрактілі қолданба бағдарламалау интерфейсін (API) сипаттайды. Ол негізінен немесе толығымен GPU сияқты аппараттық үдетуді пайдалану үшін жобаланған, бірақ API-ді CPU-да іске қосылатын бағдарламалық құралдарда толығымен жүзеге асыруға болады. API клиенттік бағдарлама шақыратын функциялар жиынтығы ретінде анықталады, сондай-ақ аталатын бүтін сан тұрақтыларының жиынтығымен бірге (мысалы, ондық сан 3553-ке сәйкес келетін GL_TEXTURE_2D тұрақтысы). Функциялардың анықтамалары C бағдарламалау тіліндегілерге сырттай ұқсас болғанымен, олар тілге тәуелсіз. Сондықтан OpenGL көптеген тілдік байланыстарға ие, олардың ең маңыздылары WebGL (JavaScript байланысы, OpenGL ES 2.0 негізінде, веб-браузерден 3D бейнелеу үшін API); WGL, GLX және CGL (C байланыстары); iOS ұсынған C байланысы; және Android ұсынған Java және C байланыстары. OpenGL тілге тәуелсіз болумен қатар, платформалық тәуелсіздікке де ие. Спецификация OpenGL контекстін алу және басқару туралы ештеңе айтпайды, бұл мәселені негізгі терезе жүйесінің егжей-тегжейі ретінде қалдырады. Осы себепті OpenGL тек бейнелеумен ғана айналысады, кіріс, аудио немесе терезелермен байланысты API-лерді ұсынбайды.

Даму

OpenGL белсенді әзірлеуден тоқтады: 2001 және 2014 жылдар аралығында OpenGL спецификациясы көбінесе жыл сайын жаңартылып келді, 2009 жылы екі жаңа нұсқа (3.1 және 3.2), ал 2010 жылы үш жаңа нұсқа (3.3, 4.0 және 4.1) шықты. Соңғы OpenGL спецификациясы 4.6 үш жылдық үзілістен кейін 2017 жылы жарық көрді және негізгі профильге бар болған он бір ARB және EXT кеңейтуін қосумен шектелді. Одан бері ол Vulkan және басқа технологияларды дамытуға бағытталды. Нәтижесінде, қазіргі заманғы графикалық процессорлар (GPU) ұсынатын кейбір мүмкіндіктер, мысалы, сәулелерді іздеу (ray tracing), OpenGL-де қолдау таппайды. OpenGL спецификациясының жаңа нұсқаларын Khronos Group жариялайды, олардың әрқайсысы API-ды түрлі жаңа мүмкіндіктерді қолдау үшін кеңейтеді. Әр нұсқаның мәліметтері графикалық карта өндірушілері, операциялық жүйелерді жобалаушылар және Mozilla, Google сияқты жалпы технологиялық компанияларды қоса, топ мүшелерінің арасындағы келісім бойынша шешіледі. Негізгі API талап ететін мүмкіндіктерге қоса, графикалық өңдеу блогы (GPU) жеткізушілері кеңейтулер арқылы қосымша функционалды ұсынуы мүмкін. Кеңейтулер жаңа функциялар мен тұрақтыларды енгізе алады, сондай-ақ қолданыстағы OpenGL функцияларының шектеулерін жеңілдетуі немесе жоюы мүмкін. Өндірушілер кеңейтулерді басқа жеткізушілерден немесе Khronos Group-тан қолдау алмастан, арнайы API-ларды ұсыну үшін пайдалана алады, бұл OpenGL-дің икемділігін арттырады. Барлық кеңейтулер OpenGL тізілімінде жинақталады және анықталады. Әрбір кеңейту оны жасаған компанияның атына негізделген қысқа идентификатормен байланысты. Мысалы, Nvidia-ның идентификаторы NV, ол GL NV half float кеңейту атының бір бөлігі, GL HALF FLOAT NV тұрақтысы және glVertex2hNV функциясы болып табылады. Егер бірнеше өндіруші бірдей API-ді пайдаланып, бірдей функционалды іске асыруға келіссе, EXT идентификаторын пайдаланатын ортақ кеңейту шығарылуы мүмкін. Мұндай жағдайларда Khronos Group Architecture Review Board кеңейтуге ресми мақұлдауын беруі мүмкін, онда ARB идентификаторы қолданылады. OpenGL-дің әрбір жаңа нұсқасында енгізілген мүмкіндіктер көбінесе кеңінен қолданылған бірнеше кеңейтулердің, әсіресе ARB немесе EXT типіндегі кеңейтулердің біріктірілген мүмкіндіктерінен тұрады.

OpenGL is no longer in active development: whereas between 2001 and 2014 OpenGL specification was updated mostly on a yearly basis, with two releases (3.1 and 3.2) taking place in 2009 and three (3.3, 4.0 and 4.1) in 2010, the latest OpenGL specification 4.6 was released in 2017, after a three year break, and was limited to inclusion of eleven existing ARB and EXT extensions into the core profile. and has since concentrated on development of Vulkan and other technologies. As a result, certain capabilities offered by modern GPUs, e. g. ray tracing, are not supported by OpenGL. New versions of the OpenGL specifications are released by the Khronos Group, each of which extends the API to support various new features. The details of each version are decided by consensus between the Group's members, including graphics card manufacturers, operating system designers, and general technology companies such as Mozilla and Google. In addition to the features required by the core API, graphics processing unit (GPU) vendors may provide additional functionality in the form of extensions. Extensions may introduce new functions and new constants, and may relax or remove restrictions on existing OpenGL functions. Vendors can use extensions to expose custom APIs without needing support from other vendors or the Khronos Group as a whole, which greatly increases the flexibility of OpenGL. All extensions are collected in, and defined by, the OpenGL Registry. Each extension is associated with a short identifier, based on the name of the company which developed it. For example, Nvidia's identifier is NV, which is part of the extension name GL NV half float, the constant GL HALF FLOAT NV, and the function glVertex2hNV If multiple vendors agree to implement the same functionality using the same API, a shared extension may be released, using the identifier EXT. In such cases, it could also happen that the Khronos Group's Architecture Review Board gives the extension their explicit approval, in which case the identifier ARB is used. The features introduced by each new version of OpenGL are typically formed from the combined features of several widely implemented extensions, especially extensions of type ARB or EXT.

Қатысқан кітапханалар

OpenGL-дің ең алғашқы нұсқалары OpenGL Utility Library (GLU) деп аталатын қосымша кітапханамен бірге жарық көрді. Ол заманауи аппараттық құралдарда қолдау көрсетілмейтін, бірақ пайдалы әрі қажетті мүмкіндіктерді ұсынды, мысалы, тесселяциялау, мип-карталар мен қарапайым геометриялық нысандарды жасау. GLU спецификациясы 1998 жылы соңғы рет жаңартылды және қазір қолданыстан шығарылған OpenGL мүмкіндіктеріне тәуелді.

Кеңейтулер кітапханаларын жүктеу

OpenGL кеңейтулерін анықтау және жүктеуге байланысты жоғары жұмыс жүктемесін ескере отырып, барлық қолжетімді кеңейтулер мен функцияларды автоматты түрде жүктейтін бірнеше кітапханалар құрастырылды. Мысалдарға OpenGL Easy Extension (GLEE) кітапханасы, OpenGL Extension Wrangler Library (GLEW) және glbinding кіреді. JOGL және PyOpenGL сияқты көптеген тілдік байланыстар да кеңейтулерді автоматты түрде жүктейді.

Қолданылу

Mesa 3D – OpenGL-дің ашық кодты іске асырылуы. Ол толығымен бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы рендерлеуді жүзеге асыра алады, сондай-ақ Тікелей рендерлеу инфрақұрылымын пайдаланып, BSD, Linux және басқа да платформаларда аппараттық үдетуді қолдануы мүмкін. 20.0 нұсқасынан бастап OpenGL стандартының 4.6 нұсқасын қолдайды.

Тарих

1980-ші жылдары кең ауқымды графикалық жабдықпен жұмыс істейтін бағдарламалық құралды жасау шынымен қиындық тудырды. Бағдарламалық құралды жасаушылар әрбір жабдық үшін жеке интерфейстер мен драйверлер жазды. Бұл қымбатқа түсті және күш-жігердің көбеюіне әкелді. 1990-шы жылдардың басында Silicon Graphics (SGI) жұмыс станциялары үшін 3D графика саласында жетекші болды. Олардың IRIS GL API ашық стандарттарға негізделген PHIGS-ке қарағанда өнеркәсіптік стандарт ретінде кеңінен қолданылды. Бұл IRIS GL пайдалануға оңай деп есептелгендіктен және ол дереу рендерингті қолдағандықтан болды. PHIGS пайдалануға қиын және оның мүмкіндіктері ескірген деп саналды. SGI-нің бәсекелестері (Sun Microsystems, Hewlett Packard және IBM-нің ішінде) PHIGS стандартына енгізілген кеңейтулермен қолдау көрсетілген 3D жабдықты нарыққа шығара алды, бұл SGI-ді IRIS GL-дің бір нұсқасын OpenGL деп аталатын қоғамдық стандарт ретінде ашуға итермеледі. Дегенмен, SGI-дің көптеген клиенттері үшін IRIS GL-ден OpenGL-ге көшу айтарлықтай инвестиция талап ететін. Сонымен қатар, IRIS GL 3D графикамен тікелей қатысы жоқ API функцияларын қамтыды. Мысалы, ол терезе, пернетақта және тышқан API-ін қамтыды, өйткені ол X Window System және Sun's NeWS-тен бұрын жасалған. IRIS GL кітапханалары лицензиялық және патенттік мәселелерге байланысты ашық қолжетімді болмады. Бұл факторлар SGI-ді OpenGL қолдауы жетілген кезде озық және эксклюзивті Iris Inventor және Iris Performer бағдарламалау API-лерін қолдауды жалғастыруға мәжбүр етті. IRIS GL-дің бір шектеуі – ол тек негізгі жабдықпен қолдау көрсетілетін мүмкіндіктерге ғана қол жеткізуді қамтамасыз етті. Егер графикалық жабдық белгілі бір мүмкіндікті қолдамаса, қосымша оны пайдалана алмайды. OpenGL бұл мәселені жабдықпен қолдау көрсетілмейтін мүмкіндіктердің бағдарламалық реализациясын ұсыну арқылы шешті, бұл қосымшаларға салыстырмалы түрде нашар қуатты жүйелерде озық графиканы пайдалануға мүмкіндік берді. OpenGL жабдыққа қол жеткізуді стандарттады, жабдық интерфейсі бағдарламаларын (құрылғы драйверлерін) жасау жауапкершілігін жабдық өндірушілеріне жүктеді және терезе функцияларын негізгі операциялық жүйеге тапсырды. Графикалық жабдықтың сан алуан түрлері болғандықтан, олардың барлығын осылай бір тілде сөйлетудің өте маңызды әсері болды, бұл бағдарламалық құралды жасаушыларға 3D бағдарламалық құралды жасау үшін жоғары деңгейдегі платформаны ұсынды. 1992 жылы SGI OpenGL Architecture Review Board (OpenGL ARB) құруға жетекшілік етті, бұл компаниялар тобы болашақта OpenGL спецификациясын сақтап, кеңейтетін болды. 1994 жылы SGI "OpenGL++" деп аталатын нәрсені шығару туралы ойланды, ол олардың Performer технологиясына негізделген сценалық график API сияқты элементтерді қамтыды. Спецификация бірнеше қызығушы тараптарға таратылды, бірақ ешқашан өнімге айналмады. 1996 жылы Microsoft Direct3D-ді шығарды, ол ақырында OpenGL-дің негізгі бәсекелесіне айналды. 50-ден астам ойын әзірлеушілер 1997 жылдың 12 маусымында Microsoft компаниясына ашық хат жолдап, компанияны OpenGL-ді белсенді түрде қолдауға шақырды. 1997 жылдың 17 желтоқсанында Microsoft және SGI OpenGL және Direct3D интерфейстерін біріктіру мақсатымен бірлескен жоба – Fahrenheit жобасын бастады (және сценалық график API-ін де қосты). 1998 жылы Hewlett Packard жобаға қосылды. Бастапқыда ол интерактивті 3D компьютерлік графика API әлемін реттеуге үміттендірді, бірақ SGI-дегі қаржылық қиындықтар, Microsoft-тың стратегиялық себептері және жалпы өнеркәсіптік қолдаудың жетіспеуі салдарынан 1999 жылы тоқтатылды. 2006 жылдың шілдесінде OpenGL Architecture Review Board OpenGL API стандартының бақылауын Khronos Group-қа беру үшін дауыс берді.

In the 1980s, developing software that could function with a wide range of graphics hardware was a real challenge. Software developers wrote custom interfaces and drivers for each piece of hardware. This was expensive and resulted in multiplication of effort. By the early 1990s, Silicon Graphics (SGI) was a leader in 3D graphics for workstations. Their IRIS GL API became the industry standard, used more widely than the open standards based PHIGS. This was because IRIS GL was considered easier to use, and because it supported immediate mode rendering. By contrast, PHIGS was considered difficult to use and outdated in functionality. SGI's competitors (including Sun Microsystems, Hewlett Packard and IBM) were also able to bring to market 3D hardware supported by extensions made to the PHIGS standard, which pressured SGI to open source a version of IRIS GL as a public standard called OpenGL. However, SGI had many customers for whom the change from IRIS GL to OpenGL would demand significant investment. Moreover, IRIS GL had API functions that were irrelevant to 3D graphics. For example, it included a windowing, keyboard and mouse API, in part because it was developed before the X Window System and Sun's NeWS. And, IRIS GL libraries were unsuitable for opening due to licensing and patent issues. These factors required SGI to continue to support the advanced and proprietary Iris Inventor and Iris Performer programming APIs while market support for OpenGL matured. One of the restrictions of IRIS GL was that it only provided access to features supported by the underlying hardware. If the graphics hardware did not support a feature natively, then the application could not use it. OpenGL overcame this problem by providing software implementations of features unsupported by hardware, allowing applications to use advanced graphics on relatively low powered systems. OpenGL standardized access to hardware, pushed the development responsibility of hardware interface programs (device drivers) to hardware manufacturers, and delegated windowing functions to the underlying operating system. With so many different kinds of graphics hardware, getting them all to speak the same language in this way had a remarkable impact by giving software developers a higher level platform for 3D software development. In 1992, SGI led the creation of the OpenGL Architecture Review Board (OpenGL ARB), the group of companies that would maintain and expand the OpenGL specification in the future. In 1994, SGI played with the idea of releasing something called "OpenGL++" which included elements such as a scene graph API (presumably based on their Performer technology). The specification was circulated among a few interested parties – but never turned into a product. In 1996, Microsoft released Direct3D, which eventually became the main competitor of OpenGL. Over 50 game developers signed an open letter to Microsoft, released on June 12, 1997, calling on the company to actively support OpenGL. On December 17, 1997, Microsoft and SGI initiated the Fahrenheit project, which was a joint effort with the goal of unifying the OpenGL and Direct3D interfaces (and adding a scene graph API too). In 1998, Hewlett Packard joined the project. It initially showed some promise of bringing order to the world of interactive 3D computer graphics APIs, but on account of financial constraints at SGI, strategic reasons at Microsoft, and a general lack of industry support, it was abandoned in 1999. In July 2006, the OpenGL Architecture Review Board voted to transfer control of the OpenGL API standard to the Khronos Group.

Өнеркәсіпті қолдау

2018 жылдың маусым айында Apple компаниясы барлық платформаларында (iOS, macOS және tvOS) OpenGL API-ларын қолдауды тоқтатты, сонымен бірге әзірлеушілерді 2014 жылы ұсынған, өзгеше Metal API-ін пайдалануға баса кеңес берді. id Software компаниясы 1997 жылы шыққан GLQuake (OpenGL-ге бірнеше өзгерістермен Quake-тің порты) ойынынан бастап OpenGL-ді пайдаланып келеді. Компанияның OpenGL қолдауы бар алғашқы лицензиялық ойын қозғалтқышы Quake II қозғалтқышы болды, ол id Tech 2 деп те белгілі. 2016 жылы олар id Tech 6 үшін жаңарту шығарды, ол OpenGL-дің ізбасары Vulkan-ды қолдады. ID Tech 7 OpenGL қолдауын толығымен жойды. 2023 жылдың наурызында Valve Dota 2 ойынынан OpenGL қолдауын алып тастады. Khronos OpenGL үшін бірқатар заманауи графикалық технологияларды қолдауды тоқтатты, мысалы, Ray Tracing, GPU-да бейне декодтау, терең оқыту алгоритмдерімен антиалиазинг – AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) және Nvidia DLSS. Atypical Games компаниясы Samsung компаниясының қолдауымен Vulkan-ды, OpenGL-дің орнына барлық Apple емес платформаларда қолдану үшін өздерінің ойын қозғалтқышын жаңартты. Google-дің Fuchsia OS Vulkan-ды негізгі графикалық API ретінде пайдаланады және Vulkan-ға сәйкес GPU талап етеді. Fuchsia Vulkan-ның үстінен ANGLE аударма қабаты арқылы OpenGL қолдауын қамтамасыз етуді жоспарлап отыр.

Баламалы іске асырулар

Apple OpenGL-ді iOS 12 және macOS 10.14 Mojave жүйелерінде Metal пайдасына қолдануды тоқтатты, бірақ ол әлі де macOS 14 Sonoma-да қолжетімді (Apple кремний құрылғыларында да). OpenGL үшін қолдау көрсетілетін соңғы нұсқасы 2011 жылғы 4.1. MoltenVK авторларының MoltenGL деп аталатын коммерциялық кітапханасы OpenGL шақыруларын Metal-ға аудара алады. OpenGL-ді Vulkan негізінде іске асыруға бағытталған бірнеше жоба бар. Google-дың ANGLE үшін Vulkan артқы жағы 2020 жылдың шілдесінде OpenGL ES 3.1 сәйкестігіне қол жеткізді. Mesa3D жобасы да Zink деп аталатын мұндай драйверді қамтиды. Microsoft-тың Windows 11 on Arm жүйесі GLon12 арқылы OpenGL 3.3 қолдауын қосты, бұл DirectX 12 арқылы Mesa Gallium негізінде ашық бастапқы кодты OpenGL іске асыру болып табылады.

Вулкан

Vulkan, бұрын "Next Generation OpenGL Initiative" (glNext) деп аталған, OpenGL және OpenGL ES-ті бір ортақ API-ге біріктіру мақсатымен жаңадан құрылған жоба. Vulkan API-нің алғашқы нұсқасы 2016 жылдың 16 ақпанында жарияланды.