OpenGL的前世今生

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本文介绍OpenGL的由来,它的设计思想,以及OpenGL的上下文和窗口的概念.最后介绍其他的图形api和显示引擎,分析比较了他们的异同.

简介

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2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（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。开放源代码库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3Dlabs、Apple Computer、ATI Technologies、Dell Computer、Evans & Sutherland、Hewlett-Packard、IBM、Intel、Matrox、NVIDIA、SGI和Sun Microsystems，Microsoft曾是创立成员之一，但已于2003年3月退出。

设计

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和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。

书籍

所有版本的OpenGL规范文档都被公开的寄存在Khronos那里。如果你想深入到OpenGL的细节（只关心函数功能的描述而不是函数的实现），这是个很好的选择。如果你想知道每个函数具体的运作方式，这个规范也是一个很棒的参考。

有兴趣的读者可以去阅读规范文档,这里面有四个方面的文档

glspec说明了OpenGL api的规范

glu对辅助函数提供了说明,包括mipmapping、矩阵操作、多边形镶嵌、二次曲面、NURBS 和错误处理

glx说明了X 窗口系统的 OpenGL 扩展

glslangspec说明了glsl语言规范

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.

相当于查询手册了

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

蓝宝书

OpenGL SuperBible -- 官方推荐书籍，比较系统全面，适合入门学习

wiki

主要查询手段

https://www.khronos.org/opengl/wiki

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核心功能包

OpenGL api通过核心程序库来实现其功能

opengl32.lib, OpenGL核心库,装完驱动就有的

glu32.lib , opengl 实用库,装完驱动也有,43个函数，以glu开头

glaux.lib , oepngl 辅助库,装完驱动也有.31个函数，以aux 开头

opengl 实用库通过调用核心库gl的函数，为开发者提供相对简单的用法，实现一些较为复杂的操作。包括纹理映射、坐标变换、多边形分化、绘制一些如椭球、圆柱、茶壶等简单多边形实体部分函数象核心函数一样在任何OpenGL平台都可以应用。

高级功能集成

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。这通过下列操作系统附加API实现：

GLX- X11: linux系统集成

WGL: MicrosoftWindows 系统集成

渲染功能扩展包

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,然后就没更新过了.<GL/gl.h>这个头文件，里面只有OpenGL 1.1版本中所规定的内容，而没有OpenGL 1.2及其以后版本。但 OpenGL现在都发展到4.6以上了，要使用这些OpenGL的高级特性，就必须下载最新的扩展，另外，不同的显卡公司，也会发布一些只有自家显卡才支持的扩展函数，你要想用这数涵数，不得不去寻找最新的glext.h

往往使用 GLEW 库,有了GLEW扩展库，你就再也不用为找不到函数的接口而烦恼，因为GLEW能自动识 别你的平台所支持的全部OpenGL高级扩展涵数。也就是说，只要包含一个glew.h头文件，你就能使用gl,glu,glext,wgl,glx的全部函数。GLEW支持目前流行的各种操作系统（including Windows, Linux, Mac OS X, FreeBSD, Irix, and Solaris）

它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。

OpenGL上下文

Context是什么

OpenGL自身是一个巨大的状态机(State Machine)：一系列的变量描述OpenGL此刻应当如何运行。OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文(Context)。我们通常使用如下途径去更改OpenGL状态：设置选项，操作缓冲。最后，我们使用当前OpenGL上下文来渲染。

假设当我们想告诉OpenGL去画线段而不是三角形的时候，我们通过改变一些上下文变量来改变OpenGL状态，从而告诉OpenGL如何去绘图。一旦我们改变了OpenGL的状态为绘制线段，下一个绘制命令就会画出线段而不是三角形。

当使用OpenGL的时候，我们会遇到一些状态设置函数(State-changing Function)，这类函数将会改变上下文。以及状态使用函数(State-using Function)，这类函数会根据当前OpenGL的状态执行一些操作。只要你记住OpenGL本质上是个大状态机，就能更容易理解它的大部分特性。

Context和窗口创建

在我们画出出色的效果之前，首先要做的就是创建一个OpenGL上下文(Context)和一个用于显示的窗口。然而，这些操作在每个系统上都是不一样的，OpenGL有目的地从这些操作抽象(Abstract)出去。我们不得不自己处理创建窗口，定义OpenGL上下文以及处理用户输入

在OpenGL中一个对象是指一些选项的集合，它代表OpenGL状态的一个子集。比如，我们可以用一个对象来代表绘图窗口的设置，之后我们就可以设置它的大小、支持的颜色位数等等。可以把对象看做一个C风格的结构体(Struct)：

// OpenGL的状态
struct OpenGL_Context {
    ...
    object* object_Window_Target;
    ...     
};

// 创建对象
unsigned int objectId = 0;
glGenObject(1, &objectId);
// 绑定对象至上下文
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, objectId);
// 设置当前绑定到 GL_WINDOW_TARGET 的对象的一些选项
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_WIDTH, 800);
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_HEIGHT, 600);
// 将上下文对象设回默认
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, 0);

这一小段代码展现了你以后使用OpenGL时常见的工作流。我们首先创建一个对象，然后用一个id保存它的引用（实际数据被储存在后台）。然后我们将对象绑定至上下文的目标位置（例子中窗口对象目标的位置被定义成GL_WINDOW_TARGET）。接下来我们设置窗口的选项。最后我们将目标位置的对象id设回0，解绑这个对象。设置的选项将被保存在objectId所引用的对象中，一旦我们重新绑定这个对象到GL_WINDOW_TARGET位置，这些选项就会重新生效。

使用对象的一个好处是在程序中，我们不止可以定义一个对象，并设置它们的选项，每个对象都可以是不同的设置。在我们执行一个使用OpenGL状态的操作的时候，只需要绑定含有需要的设置的对象即可。比如说我们有一些作为3D模型数据（一栋房子或一个人物）的容器对象，在我们想绘制其中任何一个模型的时候，只需绑定一个包含对应模型数据的对象就可以了（当然，我们需要先创建并设置对象的选项）。拥有数个这样的对象允许我们指定多个模型，在想画其中任何一个的时候，直接将对应的对象绑定上去，便不需要再重复设置选项了。

窗口扩展包

OpenGL Context 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SDL、Allegro、SFML、FLTK、Qt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。 这些是对操作系统的封装,使得我们把操作系统透明化,只需要知道有context和窗口就行

最基本的窗口包

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

最适合用来学习OpenGL了,因为它对OpenGL不管但又必须要有的东西提供了最简单的实现

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

多媒体包

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 ——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

窗口进化包

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 —— 是一个开源的跨平台的C++构架库（framework），它可以提供GUI（图形用户界面）和其它工具。2.x版本支持所有版本的Windows、带GTK+或Motif的Unix和MacOS。一个支持OS/2的版本正在开发中。

其他图形api介绍

Metal

苹果操作gpu的api

  • Metal 是一个和 OpenGL ES 类似的面向底层的图形编程接口，可以直接操作GPU；
  • 支持iOS和OS X，提供图形渲染和通用计算能力。
  • Metal 的最大好处就是与 OpenGL ES 相比显著降低了消耗。
  • 在 OpenGL 中无论创建缓冲区还是纹理，OpenGL 都会复制一份以防止 GPU 在使用它们的时候被意外访问。出于安全的原因, 复制类似纹理和缓冲区这样的大的资源, 是非常耗时的操作。
  • Metal 并不复制资源。开发者需要负责在 CPU 和 GPU 之间同步访问。

Direct3D

Direct3D是DirectX套装的一部分，只能用于windows相关的平台，用C++实现，并以COM的方式提供API

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Vulkan

  • Vulkan是一个跨平台的2D和3D绘图应用程序接口（API），由Khronos组织在2015年游戏开发者大会（GDC）上发表。旨在替代OpenGL，提高图形性能。

  • 更简单的显示驱动（ Vulkan提供了能直接控制和访问底层GPU的显示驱动抽象层，显示驱动只是对硬件薄薄的封装，这样能够显著提升操作GPU硬件的效率和性能。之前OpenGL的驱动层对开发者隐藏的很多细节，现在都暴露出来。Vulkan甚至不包含运行期的错误检查层。驱动层干的事情少了，隐藏的bug也就少了）

  • 支持多线程（Vulkan不再使用OpenGL的状态机设计，内部也不保存全局状态变量。显示资源完全由应用层负责管理，包括内存管理、线程管理、多线程绘制命令产生、渲染队列提交等。应用程序可以充分利用CPU的多核多线程的计算资源，减少CPU等待，降低延迟。为GPU端并行渲染提供了可能）Vulkan 的API更贴近硬件调用，所以Vulkan 绘制效率要好于OpenGL。

  • 预编译shader(驱动层不提供前端shader编译器，只支持标准可移植中间表示二进制代码（SPIR-V）。即提高了执行Shaders的效率又增加了将来着色语言的灵活性。所以目前的GLSL/HLSL可以直接通过工具转换为SPIR-V，在Vulkan中使用。这样就可以使用离线的shader编译。)

Api功能对比

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OpenGL版本 D3D版本 OS版本
OpenGL 2.1 Direct3D 9.0（SM2.0） WinXP
OpenGL 3.0~3.1 Direct3D 9.0c（SM3.0） WinXP
OpenGL 3.2~3.3 Direct3D 10.0（SM4.0） Vista
OpenGL 4.0~4.6 Direct3D 11.0（SM5.0） Win7
3D API 最后只支持固定管线的版本 第一个支持可编程管线版本 第一个只支持可编程管线版本
OpenGL 1.5 2 3.1
OpenGL ES 1.1 2 2
WebGL 无 1 1
Direct3D 7 8 10

市面上的显示引擎

  • osg是一种场景图的方法，每个opengl相关的函数都是一个节点， 适合用物理仿真。集成多相机，多视图，粒子系统，各种回调函数，只支持opengl, 扩展起来很方便
  • ogre用于游戏，支持Direct3D和OpenGL,支持Windows，Linux和Mac OSX。插件式粒子系统，场景管理
  • VTK 采用面向对象思想，基于 OpenGL 开发出目标函数库。它将将一些常用的算法封装为类的形式，用户在开发过程中可以直接调用其函数库进行开发，而不必纠结函数内部具体的实现过程。
  • Cocos2d-x是一个基于MIT协议的开源框架，用于构建游戏、应用程序和其他图形界面交互应用。基于OpenGL ES
  • Qt3d, Unity3d，Unreal Engine