OpenGL

OpenGL (Open Graphics Library; deutsch Offene Grafikbibliothek) ist eine Spezifikation für eine plattform- und programmiersprachenunabhängige Programmierschnittstelle zur Entwicklung von 2D- und 3D- Computergrafikanwendungen. Der OpenGL-Standard beschreibt etwa 250 Befehle, die die Darstellung komplexer 3D-Szenen in Echtzeit erlauben. Zudem können andere Organisationen (zumeist Hersteller von Grafikkarten) proprietäre Erweiterungen definieren.

Die Implementierung des OpenGL-API erfolgt in der Regel durch Systembibliotheken, auf einigen Betriebssystemen auch als Teil der Grafikkarten-Treiber. Diese führen entsprechend Befehle der Grafikkarte aus, insbesondere müssen auf der Grafikkarte nicht vorhandene Funktionen durch die CPU emuliert werden.

Das Programmiermodell

Viele Parameter können die Darstellung von gerenderten Objekten beeinflussen, beispielsweise können sie texturiert und beleuchtet sein, gestreckt, verschoben, transparent oder undurchsichtig, sie können eine raue oder glatte Oberfläche haben und so weiter.

OpenGL wurde als Zustandsautomat entworfen, der nicht bei jedem Funktionsaufruf alle benötigten Parameter erhält, sondern so lange dieselben Werte verwendet, bis die entsprechenden Zustände geändert werden. Auf diese Weise muss man zum Beispiel nicht für jeden Vertex OpenGL die gewünschte Farbe mitteilen, sondern setzt einmalig eine Farbe, woraufhin alle folgenden Vertices in dieser Farbe dargestellt werden. Auf dieselbe Weise kann man global Lichtquellen an- oder ausschalten und viele weitere Zustände setzen.

Der Grund für dieses Design ist, dass fast jede Änderung des Zeichenmodus aufwändige Reorganisationen der Grafikpipeline nach sich zieht, daher vermeidet man diese lieber, so lange es sinnvoll möglich ist. Auch wäre es für den Programmierer ermüdend, dutzende Parameter immer wieder neu anzugeben. Oft können viele tausend Vertices bearbeitet werden, bevor wieder ein Zustand geändert werden muss, während manche Zustände sogar nie geändert werden. Beispielsweise bleiben die Lichtquellen meistens für alle Objekte einer Szene die gleichen. Viele Zustände werden zumindest für die Dauer des Renderns eines kompletten Objekts beibehalten, zum Beispiel wird ein Auto als Ganzes um einen bestimmten Vektor verschoben und nicht in seine Einzelteile zerlegt und diese einzeln verschoben. Auch in Direct3D verfolgt man dieses zustandsbasierte Konzept.

Erweiterungen

Eine wichtige Eigenschaft von OpenGL ist dessen Erweiterbarkeit. Einzelne Anbieter (typischerweise Grafikkartenhersteller) können die Zustandsmaschine von OpenGL um weitere Zustände erweitern. Dabei wird eine vierstufige Vorgehensweise verfolgt:

1. Wenn ein Hersteller eine Erweiterung realisieren möchte, so liefert er eine C-Headerdatei aus, in der er die Erweiterung mit den nötigen Konstanten und evtl. Funktionsprototypen definiert. Die Funktionsnamen und Konstanten erhalten ein herstellerspezifisches Suffix (z. B. NV für Nvidia oder ATI für ATI).
2. Einigen sich dann mehrere Hersteller darauf, die gleiche Erweiterung anzubieten, bekommen die Funktionsnamen und Konstanten das Suffix EXT.
3. Einigt sich schließlich das ARB (Architecture Review Board) darauf, die Erweiterung zu standardisieren, erhalten alle Namen das Suffix ARB.
4. Die meisten vom ARB standardisierten Erweiterungen werden in der folgenden OpenGL-Spezifikation dann Core. Das heißt, sie werden Bestandteil von OpenGL selbst und führen ab dann keinen Suffix mehr.

Historische Entwicklung

OpenGL entstand ursprünglich aus dem von Silicon Graphics (SGI) entwickelten IRIS GL. Im sogenannten Fahrenheit-Projekt versuchten Microsoft und SGI ihre 3D-Standards zu vereinheitlichen, das Projekt wurde jedoch wegen finanzieller Schwierigkeiten auf Seiten von SGI abgebrochen.

Der OpenGL-Standard wird vom OpenGL ARB (Architecture Review Board) festgelegt. Das ARB existiert seit 1992 und besteht aus einer Reihe von Firmen. Stimmberechtigte Mitglieder sind die Firmen 3DLabs, Apple, AMD/ATI, Dell, IBM, Intel, Nvidia, SGI und Sun (Stand Nov. 2004). Weiter mitwirkende Firmen sind Evans and Sutherland, Imagination Technologies, Matrox, Quantum3D, S3 Graphics, Spinor GmbH, Tungsten Graphics, und Xi Graphics. Microsoft, eines der Gründungsmitglieder, hat das ARB im März 2003 verlassen.

Neue Funktionen in OpenGL werden meist zuerst als herstellerspezifische Erweiterungen eingeführt und gehen dann den Weg über herstellerübergreifende Erweiterungen und ARB-Erweiterungen zu Kernfunktionalität. Dies erlaubt es, neueste Möglichkeiten der Grafikhardware zu nutzen und dennoch OpenGL abstrakt genug zu halten.

Seit dem 31. Juli 2006 liegt die Weiterentwicklung der OpenGL-API in der Hand der Khronos Group.

Versionsgeschichte

Der große Sprung von OpenGL 1.5 auf 2.0 erklärt sich mit der Einführung der „OpenGL Shading Language“. Dies stellt eine so große Änderung und Erweiterung dar, dass sich das ARB zu diesem Schritt entschieden hat. Die Khronos Group hat die Spezifikation für OpenGL 3.0 am 11. August zur Siggraph 2008 bekanntgegeben. Die API wurde (weg von der Fixed-Function-Pipeline – hin zu den Shadern bzw. Programs, weg von der State Machine – hin zu einem objektbasierten System) umfassend überarbeitet. Dabei ist OpenGL zwar weiterhin abwärtskompatibel, doch es gibt keine neuen Features für die alte API mehr. Das neue OpenGL hat erstmals mächtige Geometry-Shader des 3.0-Modells.

Mit der raschen Veröffentlichung von OpenGL 4.0 und dessen Feature-Set – insbesondere der Einführung der Tesselation – konnte die Khronos Group seit längerer Zeit wieder gleichziehen und ist erneut mit DirectX (11) in Konkurrenz getreten.<ref>OpenGL 3.3 und 4.0 – tschüss DirectX 11? – Artikel bei Golem.de, vom 11. März 2010</ref>

Longs Peak und die Kontroverse zu OpenGL 3.0

Vor der Freigabe der Version OpenGL 3.0 am 11. August 2008 war diese Revision der API unter dem Codenamen „Longs Peak“ bekannt. Zum Zeitpunkt der ursprünglichen Ankündigung wurde Longs Peak als allererste umfangreiche und tiefgreifende Überarbeitung der API-Schnittstelle in der Geschichte von OpenGL präsentiert. Diese bestand aus einer grundsätzlichen Überarbeitung der Art und Weise, wie OpenGL arbeitet, was fundamentale Veränderungen an der API zur Folge haben sollte. Um trotz der angekündigten umfangreichen Veränderungen und revolutionären Neuerungen die Abwärtskompatibilität mit älterer Software zu gewährleisten, sollten ältere Versionen der API weiterhin verfügbar sein, jedoch keine neuen Funktionen mehr in diese einfließen. Dies hätte es erlaubt, alten Programmcode, wie z. B. in der Mehrzahl der CAD-Anwendungen vorhanden – welche ihre Codebasis seit Jahrzehnten nahezu unverändert nutzen – weiterhin mit älteren Versionen der OpenGL-API auszuführen, während andere Programme allmählich auf die neue Schnittstelle hin umgeschrieben oder portiert worden wären.

Longs Peak sollte ursprünglich bereits im September 2007 unter dem Namen OpenGL 3.0 freigegeben werden. Dann jedoch gab die Khronos-Gruppe am 30. Oktober 2007 bekannt, dass sie auf verschiedene Problempunkte gestoßen sei, die sie gelöst haben wollte, bevor sie die Spezifikationen veröffentlichte.

Als Resultat verschob sich die Veröffentlichung, und die Informationsquellen verstummten vollständig. Die Khronos-Gruppe war zur Koordination der Weiterentwicklung eingesetzt worden, da sich Neuerungen und Ideen durch die zahlreichen Mitglieder nur schwierig und sehr zeitaufwendig umsetzen ließen. Nach der Aufnahme ihrer Tätigkeiten strebte sie einen klaren und engen Zeitplan mit klar definierten Zielen an und verschrieb sich einer offeneren Kommunikation.

Die letztendlich verabschiedeten Spezifikationen erwiesen sich als weitaus weniger spektakulär als angekündigt. Weite Teile des Codes wurden doch beibehalten und der vorgestellte Objektmodus war nicht integriert. Auch sind keine Pläne bekannt, diesen in zukünftigen Versionen nachzureichen. Im Endeffekt ist die API weitgehend die gleiche geblieben, mit ein paar wenigen Erweiterungen an der Kernfunktionalität.

Dieses enttäuschende Ergebnis verursachte Unzufriedenheit bei manchen Entwickler-Gruppen, hatte man sich doch bahnbrechende Neuerungen und ein ernstzunehmendes, zukunftsweisendes, plattformunabhängiges Konkurrenzprodukt zu Microsofts DirectX erhofft. Aus Protest drohten manche, zukünftig zu DirectX zu wechseln. Am meisten für die Enttäuschung machte man die geringe bis gar nicht vorhandene Kommunikation von Seiten Khronos’ verantwortlich. Man fühlte sich regelrecht ausgesperrt und im Dunkeln gelassen. Andere Kritik wurde an der Notwendigkeit von DirectX-10-fähiger Hardware geübt und dem Fehlen von Geometry-Shadern und Instanced-Rendering als Kernfunktionen.

Andere Quellen geben an, dass die Reaktionen der Community nicht ganz so schlimm ausfielen, wie ursprünglich berichtet, da viele Verkäufer bereits geplante Unterstützung für die neue Version zeigten.

Vor- und Nachteile von OpenGL gegenüber Direct3D

Vorteile

• Client-Server-Modell
• Draw-Aufrufe sind unter bestimmten Umständen leistungsfähiger als in Direct3D<ref>[1] Quelle: Nvidia</ref>
• plattformunabhängig
• von Herstellern selbst erweiterbar
• es gibt eine Vielzahl an Extensions für neue, noch nicht vom Standard unterstützte Funktionen
• die verfügbaren Features sind von der GPU bzw. deren Treiber abhängig – und nicht vom Betriebssystem<ref>Bringing Unreal Engine 4 to OpenGL. Nvidia Developer. Abgerufen am 24. August 2014.</ref>

Nachteile

• OpenGL besitzt noch eine teilweise veraltete und komplexer zu verwendende Programmierschnittstelle (API), die von manchen Entwicklern als umständlich angesehen wird.<ref>Things that drive me nuts about OpenGL. Rich Geldreich's Tech Blog. Abgerufen am 24. August 2014.</ref><ref>OpenGL Is Broken. Abgerufen am 24. August 2014.</ref>

Schnittstellen zum System

Da es sich bei OpenGL um eine reine Grafikbibliothek handelt, kümmert sie sich nicht um die Verwaltung von Zeichenoberflächen (Fenster), weiteren Puffern (wie etwa dem Z-Buffer oder dem Stencil-Buffer) oder Renderkontexten, um mit mehreren Anwendungen gleichzeitig die Schnittstelle nutzen zu können. Diese müssen mit Hilfe dafür vorgesehener, betriebssystemabhängiger Bibliotheken zur Verfügung gestellt werden.

Es existieren hier verschiedene Bibliotheken, die OpenGL mit dem darunter liegenden Betriebssystem verbinden:

• AGL und CGL, das entsprechende Gegenstück für Mac OS,
• FreeGLUT, eine aktuellere Alternative zum nicht mehr weiterentwickelten GLUT,
• GLFW, ähnliche Bibliothek wie GLUT, die das darunterliegende Betriebssystem abstrahiert,
• GLUT, eine Bibliothek, die aufbauend auf OpenGL, GLU und je nach Plattform GLX, WGL oder AGL eine plattformunabhängige API für Ein-/Ausgabe, Erstellen von Rendering-Kontexten und dergleichen bietet,
• GLX, die das Interface zwischen dem X Window System und OpenGL bildet,
• Mit GtkGLExt können OpenGL-Grafiken in GTK+-Programme eingebunden werden (plattformunabhängig),<ref>GTK+ OpenGL Extension</ref>
• LWJGL, Schnittstelle für die Programmierung mit Java,
• Qt, kann OpenGL-Kontexte erzeugen und bietet viele Interaktionsmöglichkeiten mit der eigenen Bibliothek
• SDL, kann ebenfalls plattformunabhängig einen OpenGL-Kontext erzeugen,
• SFML, nutzt genauso plattformunabhängig einen OpenGL-Rendering-Kontext zum Zeichnen in Fenster,
• WebKit nutzt zur Hardwarebeschleunigung OpenGL,
• WGL, die Windows Graphics Library, die OpenGL und Windows verbindet.

Kommando-Syntax

OpenGL-Kommandos enthalten ein Präfix, an dem man erkennen kann, aus welcher Bibliothek der Befehl stammt, gefolgt von Wörtern, die jeweils mit Großbuchstaben beginnen:<ref> Alfred Nischwitz, Max Fischer, Peter Haberacker: Computergrafik und Bildverarbeitung. 2. Auflage. Vieweg-Verlag, 2007, ISBN 978-3-8348-0186-9, S. 48.</ref>

Typische Anwendungen für OpenGL

• Bildschirmschoner
• CAD
• Computerspiele
• Erweiterte Realität
• Simulationen
• Virtuelle Realität
• VRML Authoring

Unterstützte Plattformen

OpenGL wird von vielen Betriebssystemen unterstützt, darunter auch die meisten führenden:

• BeOS
• Haiku
• Mac OS: OpenGL ist fester Bestandteil von Mac OS 9 und Mac OS X.
• Microsoft Windows: OpenGL ist Bestandteil seit Windows 98 und NT 4.0 (für Windows 95 wurde noch ein Patch benötigt).
• X Window System: OpenGL wird vom X Window System auf folgenden Plattformen unterstützt:
  • AIX (IBM)
  • FreeBSD
  • HP-UX (Hewlett-Packard)
  • IRIX (Silicon Graphics)
  • Linux: OpenGL und GLX sind in den meisten Distributionen enthalten.
  • Solaris (Sun Microsystems)
  • Tru64 UNIX (Hewlett-Packard)
• ZETA: OpenGL-Unterstützung wird mittels MESA für diverse Nvidia-Grafikkarten geliefert.

Open Graphics Library for Embedded Systems (OpenGL ES) gibt es für folgende Plattformen:

• Acorn RISC OS
• Amiga (StormMesa) und Amiga MiniGL
• AmigaOS MiniGL
• Android
• Apple iOS
• Bada
• HP webOS
• MorphOS TinyGL
• PlayStation 2/3/4
• Pocket PC
• QNX
• Symbian
• VxWorks
• Xbox 360

Plattformübergreifend (Windows, Mac OS, Solaris und Linux) wird OpenGL auch durch die Zusätze JOGL oder LWJGL der Java-Plattform unterstützt, die als Wrapper zwischen Java und der nativen Implementierung des Betriebssystems fungieren.

WebGL

WebGL ist ein auf OpenGL ES aufbauender Bestandteil von Webbrowsern, mit dessen Hilfe hardwarebeschleunigte 3D-Grafiken direkt dargestellt werden können.

Vulkan

Am 3. März 2015 wurde auf der Game Developers Conference (GDC) der Nachfolger von OpenGL vorgestellt. Die neue API, zunächst bekannt unter dem Namen Next Generation OpenGL oder auch glNext, heißt Vulkan.

Siehe auch

• DevIL, eine plattformübergreifende API zum schnellen Laden und Speichern von Grafiken. Ehemals OpenIL. Arbeitet sehr gut mit OpenGL zusammen, da es möglich ist, mit einem einzigen Funktionsaufruf eine Bilddatei in eine OpenGL-Textur zu laden oder Bildschirmfotos („screen shot“) abzuspeichern.
• Direct Rendering Infrastructure
• OpenGL Utility Library (GLU), die vom ARB standardisiert und Teil jeder OpenGL-Implementierung ist.
• Java 3D, eine Bibliothek von Java-Klassen zur Erzeugung, Manipulation und Darstellung dreidimensionaler Grafiken innerhalb von Java-Applikationen und -Applets. Nutzt je nach Plattform und Implementierung OpenGL oder Direct3D.
• AMD Mantle, eine vom Unternehmen AMD entwickelte Programmierschnittstelle für Grafikausgaben.
• Open Inventor, eine freie objektorientierte C++-Programmbibliothek zur Erstellung von 3D-Grafiken.
• OpenAL, eine plattformunabhängige 3D-Audio-API, die eine Art Audio-Erweiterung zu OpenGL darstellt und vom Aufbau, Programmierstil und Namenskonventionen an OpenGL angelehnt ist.
• Simple DirectMedia Layer (SDL), eine plattformunabhängige API für Grafik, Audio und Eingabegeräte inklusive OpenGL-spezifischer Funktionalität.

Literatur

•  Richard S. Wright Jr. und Benjamin Lipchak: OpenGL Superbible: Comprehensive Tutorial and Reference. Addison-Wesley Longman, Amsterdam 2007, ISBN 978-0-321-49882-3.
•  Lorenz Burggraf: Jetzt lerne ich OpenGL. Der einfache Einstieg in die Schnittstellenprogrammierung. Markt+Technik, München 2003, ISBN 3-8272-6237-2.
•  Dave Shreiner: OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Versions 3.0 and 3.1. Addison-Wesley Longman, Amsterdam 2009, ISBN 978-0-321-55262-4.

Weblinks

• www.OpenGL.org – Offizielle Webseiten (englisch)
• SGI: OpenGL Homepage (englisch)
• DelphiGL – deutsche OpenGL-Community für viele Programmierersprachen (Schwerpunkt Delphi).
• DGL-Wiki – deutschsprachiges OpenGL-Nachschlagewerk
• TinyGL auf der Website von Fabrice Bellard (englisch)
• OpenGLsamples OpenGL codes (englisch)

Einzelnachweise

<references />