Сравнение возможностей графических систем OpenGL и DirectX

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

РЕФЕРАТ

на тему «Сравнение возможностей графических систем OpenGL и DirectX»

Дисциплина «Основы информационных технологий»

Выполнил: магистрант каф. РЭСДусь А.В.

Проверил: Колосов С.В.

Минск, 2012

Содержание

• Введение
• 1. OpenGL. Общая характеристика
• 1.1 Основные возможности OpenGL
• 1.2 Дополнительные библиотеки OpenGL
• 1.3 Эволюция OpenGL
• 2. DirectX. Общая характеристика
• 2.1 Основные компоненты DirectX
• 2.2 Возможности DirectX
• 2.3 Эволюция DirectX
• 3. Сравнительный анализ OpenGL и DirectX
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

Сейчас трёхмерные изображения можно увидеть везде, начиная от компьютерных игр и заканчивая системами моделирования в реальном времени. Раньше, когда трёхмерная графика существовала только на суперкомпьютерах, не существовало единого стандарта в области графики. Все программы писались с «нуля» или с использованием накопленного опыта, но в каждой программе реализовывались свои методы для отображения графической информации. С приходом мощных процессоров и графических ускорителей трёхмерная графика стала реальностью для персональных компьютеров. Но в тоже время производители программного обеспечения столкнулись с серьёзной проблемой - это отсутствие каких-либо стандартов, которые позволяли писать программы, независимые от оборудования и операционной системы.

Одними из первых таких стандартов, существующих и по сей день, являются OpenGL и DirectX, сравнительный анализ которых является целью выполнения данного реферата.

графический компьютерный разработчик мультимедийный

1. OpenGL. Общая характеристика

OpenGL - это графический стандарт в области компьютерной графики. На данный момент он является одним из самых популярных графических стандартов во всём мире. Ещё в 1982 г. в Стенфордском университете была разработана концепция графической машины, на основе которой фирма Silicon Graphics в своей рабочей станции Silicon IRIS реализовала конвейер рендеринга. Таким образом была разработана графическая библиотека IRIS GL. На основе библиотеки IRIS GL, в 1992 году был разработан и утверждён графический стандарт OpenGL. Разработчики OpenGL - это крупнейшие фирмы разработчики как оборудования так и программного обеспечения: Silicon Graphics, Inc., Microsoft, IBM Corporation, Sun Microsystems, Inc., Digital Equipment Corporation (DEC), Evans & Sutherland, Hewlett-Packard Corporation, Intel Corporation и Intergraph Corporation.

OpenGL переводится как Открытая Графическая Библиотека (Open Graphics Library), это означает, что OpenGL - это открытый и мобильный стандарт. Программы, написанные с помощью OpenGL можно переносить практически на любые платформы, получая при этом одинаковый результат, будь это графическая станция или суперкомпьютер. OpenGL освобождает программиста от написания программ для конкретного оборудования. Если устройство поддерживает какую-то функцию, то эта функция выполняется аппаратно, если нет, то библиотека выполняет её программно.

С точки зрения программиста OpenGL - это программный интерфейс для графических устройств, таких как графические ускорители. Он включает в себя около 150 различных команд, с помощью которых программист может определять различные объекты и производить рендеринг. Говоря более простым языком, вы определяете объекты, задаёте их местоположение в трёхмерном пространстве, определяете другие параметры (поворот, масштаб, и др.), задаёте свойства объектов (цвет, текстура, материал, и др.), положение наблюдателя, а библиотека OpenGL позаботится о том, чтобы отобразить всё это на экране. Поэтому можно сказать, что библиотека OpenGL является только воспроизводящей (Rendering), и занимается только отображением 3D объектов, она не работает с устройствами ввода (клавиатуры, мыши). Также она не поддерживает менеджер окон.

OpenGL имеет хорошо продуманную внутреннюю структуру и довольно простой процедурный интерфейс. Несмотря на это с помощью OpenGL можно создавать сложные и мощные программные комплексы, затрачивая при этом минимальное время по сравнению с другими графическими библиотеками.

В некоторых библиотеках OpenGL (например под X Windows) имеется возможность изображать результат не только на локальной машине, но также и по сети. Приложение, которое вырабатывает команды OpenGL называется клиентом, а приложение, которое получает эти команды и отображает результат - сервером. Таким образом можно строить очень мощные воспроизводящие комплексы на основе нескольких рабочих станций или серверов, соединённых сетью.

1.1 Основные возможности OpenGL

Ниже рассмотрим основные возможности, которые предоставляет библиотека OpenGL в распоряжение программиста:

Геометрические и растровые примитивы. На основе геометрических и растровых примитивов строятся все объекты. Из геометрических примитивов библиотека предоставляет: точки, линии, полигоны. Из растровых: битовый массив (bitmap) и образ (image)

Использование В-сплайнов. B-сплайны используются для рисования кривых по опорным точкам.

Видовые и модельные преобразования. С помощью этих преобразований можно располагать объекты в пространстве, вращать их, изменять форму, а также изменять положение камеры из которой ведётся наблюдение.

Работа с цветом. OpenGL предоставляет программисту возможность работы с цветом в режиме RGBA (красный-зелёный-синий-альфа) или используя индексный режим, где цвет выбирается из палитры.

Удаление невидимых линий и поверхностей. Z-буферизация.

Двойная буферизация. OpenGL предоставляет как одинарную, так и двойную буферизацию. Двойная буферизация используется для того, чтобы устранить мерцание при мультипликации, т.е. изображение каждого кадра сначала рисуется во втором (невидимом) буфере, а потом, когда кадр полностью нарисован, весь буфер отображается на экране.

Наложение текстуры. Позволяет придавать объектам реалистичность. На объект, например шар, накладывается текстура (изображение), в результате чего наш объект теперь выглядит не просто как шар, а как разноцветный мячик.

Сглаживание. Сглаживание позволяет скрыть ступенчатость, свойственную растровым дисплеям. Сглаживание изменяет интенсивность и цвет пикселей около линии, при этом линия смотрится на экране без всяких зигзагов.

Освещение. Позволяет задавать источники света, их расположение, интенсивность, и т.д.

Атмосферные эффекты. Например, туман, дым. Всё это также позволяет придать объектам или сцене реалистичность, а также «почувствовать» глубину сцены.

Прозрачность объектов.

Использование списков изображений.

1.2 Дополнительные библиотеки OpenGL

Несмотря на то, что библиотека OpenGL предоставляет практически все возможности для моделирования и воспроизведения трёхмерных сцен, некоторые из функций, которые требуются при работе с графикой, отсутствуют в стандартной библиотеке OpenGL.. Например, чтобы задать положение и направление камеры, с которой будет наблюдаться сцена, нужно самому рассчитывать модельную матрицу, а это далеко не все умеют. Поэтому для OpenGL существуют так называемые вспомогательные библиотеки.

Первая из этих библиотек называется GLU. Эта библиотека стала стандартом и поставляется вместе с главной библиотекой OpenGL. В состав этой библиотеки вошли более сложные функции, например для того чтобы определить цилиндр или диск потребуется всего одна команда. Также в библиотеку вошли функции для работы со сплайнами, реализованы дополнительные операции над матрицами и дополнительные виды проекций.

Следующая библиотека, также широко используемая - это GLUT. Это также независимая от платформы библиотека. Она реализует не только дополнительные функции OpenGL, но и предоставляет функции для работы с окнами, клавиатурой и мышкой. Для того чтобы работать с OpenGL в конкретной операционной системе (например Windows или X Windows), надо провести некоторую предварительную настройку и эта предварительная настройка зависит от конкретной операционной системы. С библиотекой GLUT всё намного упрощается, буквально несколькими командами можно определить окно, в котором будет работать OpenGL, определить прерывание от клавиатуры или мышки и всё это не будет зависеть от операционной системы. Библиотека предоставляет также некоторые функции, с помощью которых можно определять некоторые сложные фигуры, такие как конусы, тетраэдры, и многие другие предметы сложной формы

Есть ещё одна библиотека похожая на GLUT, называется она GLAUX. Это библиотека разработана фирмой Microsoft для операционной системы Windows. Она во многом схожа с библиотекой GLUT, но немного отстаёт от неё по своим возможностям. И ещё один недостаток заключается в том, что библиотека GLAUX предназначена только для Windows, в то время как GLUT поддерживает много операционных систем.

Существуют и другие дополнительные библиотеки для OpenGL. Все они добавляют что-то своё или ориентированы на какую-то платформу. Например, существует такая библиотека как GLX - это расширение для X Windows, позволяющее использовать в X Windows OpenGL. GLX предоставляет не только локальный рендеринг, но и рендеринг по сети.

1.3 Эволюция OpenGL

Библиотека не может быть разработана раз и навсегда - она должна развиваться, отражая последние тенденции в области компьютерной графики, особенно эволюцию специализированных устройств (видеокарт) с аппаратной поддержкой графических функций.

Развитие стандарта OpenGL осуществляется специальной структурой, известной как Architectural Review Board (ARB) - Комитет по пересмотру архитектуры. Комитет состоит из представителей основных компаний, заинтересованных в развитии и использовании библиотеки. В их числе 3D Labs, SGI, Apple, NVIDIA, ATI, Intel, id Software и, конечно, Microsoft.

C начала 90-х годов прошлого века OpenGL используется в различных областях индустрии и науки. Архитектура библиотеки получилась настолько удачной, что уже на протяжении более десяти лет она остается стабильной и предсказуемой. OpenGL де-факто является стандартом в области программирования графики. Но в этом скрыт и ее недостаток. ARB работает довольно медленно - любое изменение стандарта требует множества согласований, документов и так далее. В силу этого OpenGL развивается небольшими темпами. Правда, до последнего времени с этим не было проблем, поскольку изначально библиотека предназначалась для быстрых рабочих станций профессионального уровня, которые обновляют не часто. Однако сейчас даже недорогие видеокарты стоимостью $100 превзошли уровень профессиональных монстров пятилетней давности стоимостью в тысячи долларов. И при этом обновление их возможностей происходит в среднем раз в год. Фактически OpenGL не поспевает за индустрией, поэтому игровые разработчики вынуждены использовать так называемый механизм расширений (extensions), чтобы получить доступ к новейшим функциям видеокарт.

Рисунок 1 - Эволюция OpenGL

На данный момент OpenGL прошла путь от версии 1.0 до версии 1.4 (и это за десять лет). Версия 2.0, обещающая революционные изменения, находится в процессе стандартизации. Развитие графической аппаратуры вышло за пределы исходной спецификации. Вторая версия OpenGL призвана поднять планку и вновь создать стандарт для компьютерной графики на десятилетия. Помимо прочего OpenGL 2.0 включает в себя возможность программирования всего графического конвейера на языке высокого уровня.

2. DirectX. Общая характеристика

DirectX - это набор определенных инструментов и технологий, который используют разработчики игр и мультимедийных приложений для того, чтобы обеспечить взаимодействие между драйверами устройств и операционной системой.

2.1 Основные компоненты DirectX

Практически все части DirectX API (интерфейса программирования приложений) представляют собой наборы COM-совместимых объектов.

В целом, DirectX подразделяется на:

· DirectX Graphics, набор интерфейсов, ранее (до версии 8.0) делившихся на:

o DirectDraw: интерфейс вывода растровой графики (его разработка давно прекращена).

o Direct3D (D3D): интерфейс вывода трёхмерных примитивов.

· DirectInput: интерфейс, используемый для обработки данных, поступающих с клавиатуры, мыши, джойстика и пр. игровых контроллеров.

· DirectPlay: интерфейс сетевой коммуникации игр.

· DirectSound: интерфейс низкоуровневой работы со звуком (формата Wave).

· DirectMusic: интерфейс воспроизведения музыки в форматах Microsoft.

· DirectShow: интерфейс, используемый для ввода/вывода аудио и/или видео данных.

o DirectX Instruments - технология, позволяющая на основе мультимедийного API DirectX создавать и использовать программные синтезаторы.

· DirectSetup: часть, ответственная за установку DirectX.

· DirectX Media Objects: реализует функциональную поддержку потоковых объектов (например, кодировщики/декодировщики)

· Direct2D: интерфейс вывода двухмерной графики

2.2 Возможности DirectX

Рассмотрим современные достижения на примере DirectX 11. Одна из проблем, вставших сегодня перед разработчиками игр, связана с гибкостью шейдеров и их масштабируемостью, поскольку из-за этого они все больше усложняются. Например, если при выполнении какой-либо задачи необходимы несколько шейдеров, зачастую используется большой uber-шейдер, потому что он объединяет все шейдеры, которые могут понадобиться в этой задаче, в одной части кода.

Однако, обратной стороной этого подхода является то, что он приводит к возникновению невероятно сложных шейдеров, которые не только не превосходят по эффективности (в плане производительности) отдельные шейдеры, но они также очень плохо поддаются отладке. Другим решением этой проблемы является написания множества специализированных шейдеров, которые покрывают не только все возможные сценарии работы, но и различные классы аппаратных средств.

В целях улучшения производительности не желательно использовать очень сложные шейдеры на аппаратных средствах, не способных обрабатывать их достаточно быстро. Идеальное решение в данном случае состоит в том, чтобы использовать нечто, что будет гораздо быстрее обрабатывать на аппаратных средствах бюджетных классов, иначе это приведет к тому, что весь процесс слишком усложнится и появятся большие накладные расходы, связанные с переключением шейдеров. Понятно, что это может повлечь за собой большие объемы дополнительных работ - uber-шейдер является самым простым вариантов для разработчика когда дело доходит до написания кода, но это точно не является идеальным решением.

Microsoft полагает, что ответом на эту проблему являются подпрограммы, позволяющие разработчикам объединять шейдеры - это означает, что разработчики могут создать более простой и более специализированный шейдер для различных целевых классов аппаратных средств, при этом уменьшая частоту использования регистра по сравнению с вариантом, когда используется один шейдер, который управляет всеми остальными. Хотелось бы надеяться, что заставит быть разработчиков более амбициозными при написании шейдеров, однако это вряд ли окажет какое-либо прямое влияние на геймеров.

Прошло много времени с того момента, как Microsoft обновила алгоритмы сжатия текстур DirectX и, послушав отзывы и рекомендации разработчиков, компания почувствовала, что уже давно требуются новые усовершенствования. Из всех жалоб, поступивших от сообщества разработчиков, Microsoft обратила свое внимание на слабую поддержку текстур HDR-формата, а также на тот факт, что после мультитекстурирования результирующее изображение часто оказывалось чересчур «блочным», независимо от разрешения оригинальной текстуры.

Чтобы удовлетворить эти потребности, в D3D11 будут введены два новых формата текстур - BC6 (или BC6H) и BC7. Прежний формат текстур высокого разрешения, не мог избежать потерь; вместо него будет предложено сжатие 6:1 с 16 bpc (bit per channel) - это позволит осуществлять эффективное, но при этом относительно высококачественное текстурирование в сценах с широким использование HDR-освещения, однако текстуры при этом будут немного отличаться от оригинала.

BC7, в свою очередь, является LDR (low dynamic range) форматом текстур и предлагает сжатие для RGB в пропорции 3:1. Кроме того, BC7 также можно использовать вместе с альфа-каналом, но с небольшим падением производительности - степень сжатия при этом будет уже 4:1, однако качество текстур все еще очень будет высоким.

Microsoft также добавляет, что декомпрессия текстур в DirectX 11 должна будет проводиться в полном соответствии со спецификациями этого API. Причиной этого является стремление компании еще увеличить качество декомпрессии текстур, потому как до момента выхода DirectX 11 у производителей аппаратных средств будет некоторый запас по времени для настройки аппаратных способов декомпрессии текстур на устройствах класса DirectX 10 и ниже.

2.3 Эволюция DirectX

Изначально нацеленный на разработку видеоигр, DirectX стал популярен и в других областях разработки программного обеспечения. К примеру, DirectX, наряду с OpenGL, получил очень широкое распространение в инженерном/математическом ПО.

В 1994 году Microsoft была практически готова выпустить следующую версию Windows - Windows 95. Главным фактором, определяющим, насколько популярна будет новая ОС, являлся набор программ, которые можно будет запускать под её управлением. В Microsoft пришли к выводу, что, пока разработчики видят DOS более подходящей для написания игровых приложений, коммерческий успех новой ОС весьма сомнителен.

DOS позволяла разработчику получить прямой доступ к видеокарте, клавиатуре/мыши/джойстику и прочим частям системы, в то время как Windows 95, с её защищённой моделью памяти, предоставляла более стандартизованный, но в то же время весьма ограниченный и накладный доступ к устройствам. Microsoft нуждалась в новом способе дать разработчику всё, что ему необходимо. Айслер (Eisler), Сэйнт Джон (St. John), и Энгстром (Engstrom) решили эту проблему, назвав само решение DirectX.

Первый релиз DirectX был выпущен в сентябре 1995 года, под названием «Windows Game SDK».

Ещё до появления DirectX, Microsoft включила OpenGL в ОС Windows NT. Direct3D позиционировался как замена OpenGL в игровой сфере. Отсюда берёт своё начало «священная война» между сторонниками кросс-платформенной OpenGL и доступной лишь в Windows (в том числе Windows NT) Direct3D. Так или иначе, остальные части DirectX очень часто комбинируются с OpenGL в компьютерных играх.

В 2002 году Microsoft выпустила DirectX 9 с улучшенной и расширенной поддержкой шейдеров. С 2002 года DirectX неоднократно обновлялся. В августе 2004 года в DirectX была добавлена поддержка шейдеров версии 3.0 (DirectX 9.0c).

В апреле 2005 интерфейс DirectShow был перемещён в Microsoft Platform SDK.

Ключевые особенности версий:

DirectX 6.0 -- мультитекстурирование;

DirectX 7.0 -- аппаратная поддержка преобразований, обрезания и освещения;

DirectX 8.0 -- шейдерная модель 1.1;

DirectX 8.1 -- пиксельные шейдеры 1.4 и вершинные шейдеры 1.1;

DirectX 9.0 -- шейдерная модель 2.0;

DirectX 9.0b -- пиксельные шейдеры 2.0b и вершинные шейдеры 2.0;

DirectX 9.0c -- шейдерная модель 3.0;

DirectX 9.0L -- версия DirectX 9.0 для Windows Vista;

DirectX 10 -- шейдерная модель 4.0;

DirectX 10.1 -- шейдерная модель 4.1;

DirectX 11 -- шейдерная модель 5.0 (только Windows Vista, Windows 7).

3. Сравнительный анализ OpenGL и DirectX

Хотя библиотека OpenGL и считается одной из лучших библиотек, как для профессионального применения, так и для игр, у неё существуют и конкуренты.

Одним из главных конкурентов считается Direct3D из пакета DirectX, разработанный фирмой Microsoft. Direct3D создавался исключительно для игровых приложений. Если сравнивать эти две библиотеки, то нельзя сказать, что одна из них лучше, а другая хуже, у каждой библиотеки имеются свои особенности. Например, если сравнивать их в плане переносимости программ с одной платформы на другую, то Direct3D будет работать только на Intel платформах под управлением операционной системы Windows, в то время программы, написанные с помощью OpenGL можно успешно перенести на такие платформы как Unix, Linux, SunOS, IRIX, Windows, MacOS и многие другие. А вот в плане объектно-ориентированного подхода OpenGL уступает Direct3D. OpenGL работает по принципу конечного автомата, переходя из одного состояния в другое, совершая при этом какие-то преобразования. Ещё одним преимуществом Direct3D является поддержка дешёвого оборудования, OpenGL же поддерживается не на всех графических картах, но для профессиональных ускорителей OpenGL является стандартом де-факто. И ещё, OpenGL легче чем Direct3D для изучения основ графики, OpenGL можно применять, например, для начального изучения трёхмерной графики.

Основной особенностью OpenGL можно считать простоту. Ядро OpenGL контролирует процесс обработки примитивов. Для передачи данных используется процедурная модель. В каждый момент времени состояние OpenGL определяется через набор переменных, задающих параметры обработки. Каждый новый переданный треугольник проходит обработку в соответствии с текущим состоянием. Такой механизм весьма эффективен, а код обычно короток и прост. Хотя ядро OpenGL процедурное, в использовании его совместно с объектно-ориентированными технологиями сложностей обычно не возникает: все зависит от выбора программиста.

Структура DirectX значительно отличается от OpenGL. DirectX основан на модели COM (Component Object Model). Это означает, что в отличие от простого вызова функций эта модель предполагает выполнение некоторых дополнительных действий, связанных с компонентной архитектурой DirectX. Такая архитектура имеет как достоинства, так и недостатки. В частности, код, в котором используются вызовы DirectX, обычно не является идеалом легко читаемого и понимаемого. Поэтому даже рисование простого треугольника требует огромного объема кода. Разработчики Microsoft, конечно, понимают это, поэтому для упрощения программирования ими создана отдельная библиотека DirectX Common Files, которая скрывает часто используемый код.

Хотя принципиально архитектура DirectX сильно отличается от OpenGL, в их развитии все более заметны тенденции к сближению. Такая ситуация возникает прежде всего потому, что обе библиотеки предназначены для эффективной работы с аппаратурой, и чем ближе их структура будет к "железу", тем меньше времени будет уходить на преобразование команд пользователя в команды аппаратуры.

По поддержке аппаратных функций OpenGL и DirectX , в общем, эквиваленты. OpenGL новые функции доступны через механизм расширений, а в DirectX они появляются в новых версиях.

Серьезным достоинством OpenGL является, прежде всего, то, что это «открытый стандарт». Любая компания, имеющая аппаратную платформу, может купить лицензию у SGI и затем сделать собственную реализацию OpenGL. Изменения в OpenGL предлагаются, обсуждаются и утверждаются представителями различных компаний. Что касается DirectX, то здесь ситуация прямо противоположная. Только Microsoft может вносить какие-либо изменения в библиотеку. Иначе говоря, именно Microsoft в конечном итоге определяет все пути развития библиотеки, и если путь был выбран неверно, это может быть исправлено только в новой версии.

Заключение

Достоинства библиотек становятся наиболее очевидны при их использовании в разных, но пересекающихся, прикладных областях. DirectX идеален для профессиональной разработки игр и мультимедийных приложений на платформе Windows. OpenGL используется на высокопроизводительных рабочих станциях, в научной сфере, в образовании, а также в любых проектах, где требуется переносимость приложений на различные программные или аппаратные платформы.

В ходе работы над рефератом был обработан и проанализирован большой объем специальной информации, что позволило приобрести ценные знания в области графических библиотек и сред разработки графических интерфейсов.

Список использованной литературы

1. Адамс Д. DirectX: продвинутая анимация. Комплект. -- «КУДИЦ-ПРЕСС», 2004. -- С. 480. -- ISBN 5-9579-0025-7.

2. 3DNews [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.3dnews.ru/software/opengl/

3. Realcoding.NET [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.realcoding.net/articles/novye-vozmozhnosti-directx-11-dinamicheskoe-podklyuchenie-sheiderov-i-szhatie-tekstur.html

4. THG [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.thg.ru/graphic/open_gl_3_directx_11/open_gl_3_directx_11-01.html

5. Компьютерная графика и мультимедиа. Сетевой журнал [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://cgm.computergraphics.ru/content/view/55

Размещено на Allbest.ru