OpenGL：开放图形库_开放库

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，用来绘制从简单的图形比特到复杂的三维景象。而另一种程序接口系统是仅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD、虚拟现实、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。

当今，OpenGL是视频行业领域中用于处理2D/3D图形的最为广泛接纳的API，在此基础上，为了用于计算机视觉技术的研究，从而催生了各种计算机平台上的应用功能以及设备上的许多应用程序。其是独立于视窗操作系统以及操作系统平台，可以进行多种不同邻域的开发和内容创作，简而言之，其帮助研发人员能够实现PC、工作站、超级计算机以及各种工控机等硬件设备上实现高性能、对于视觉要求极高的高视觉图形处理软件的开发。

功能

作为独立于操作系统的开放的三维图形的软件开发包，在其基础上开发的应用程序能够简单方便的移植于各种平台。其具有七大功能：

1. 建立3D模型：OpenGL除了能够处理一般的2D图形，即点、线、面的绘制外，主要任务是集合了3D立体的物体绘制函数。
2. 图形变换：OpenGL利用基本变换以及投影变换处理图形。所谓的基本变换就是在处理2D平面图形时的平移、旋转、变比、镜像变换。投影变换就是在处理3D立体图形时的平行投影以及透视投影。通过变换方式，可以将2D的平面图形清晰明了的变换成3D的立体图形，从而在减少计算的时间的同时就能够提高了图形显示的速度。
3. 颜色模式：OpenGL库中的颜色模型：使用较为广泛的RGBA模式以及颜色索引模式（color index）。
4. 光照、材质的设置：OpenGL库中包含了多种光照的类型。材质是用光反射率来表示的。其原理是基于人眼的原理，场景中的物体是由光的红绿蓝的分量以及材质的红绿蓝的反射率的乘积后所形成的颜色值。
5. 纹理映射：纹理指的是物体表面的花纹。OpenGL库中集合了对于物体纹理的映射处理方式，能够十分完整的复现物体表面的真实纹理。
   图像增强功能和位图显示的扩展功能：OpenGL的功能包括像素的读写、复制外，以及一些特殊的图像处理功能：比如，融合、反走样、雾的等等特殊的处理方式。对于图像的重现和处理，可以使得效果更有真实感，逼真。
6. 双缓存功能：OpenGL创新性的运用了双缓存形式。计算场景、生成画面图像、显示画面图像分别将其由前台缓存和后台缓存分开处理，大大提高了计算机的运算能力以及画面的显示速度。

设计

图形管线

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。

程序库

早期的 OpenGL 版本会一同发布配套的GLU库，提供一些同时代硬件尚不支持的简单功能。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。
还有几个库也创建在OpenGL之上，提供了OpenGL本身没有的功能：

• GLFW
• GLUT
• GLEW、GLEE

特别是，OpenGL Performer库——由SGI开发并可以在IRIX、Linux和Microsoft Windows的一些版本上使用，构建于OpenGL，可以创建实时可视化仿真程序。
当开发者需要使用最新的OpenGL扩展时，他们往往需要使用GLEW库或者是GLEE库提供的功能，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。这类库利用动态加载技术（dlsym、GetProcAddress等函数）搜索各种扩展的信息。

上下文与窗口包

OpenGL 上下文（英语：OpenGL context）的创建过程相当复杂，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。

• 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：
• • 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
• 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——跨平台 C++ 窗口组件库

优势

OpenGL相对于市面上主流的视频处理软件具有如下的优势：

1. 具有强大的通用性和可移植性，可以将其轻松的移植在多个不同的平台上进行二次开发。因为OpenGL本身是一个与硬件无关的软件接口，所以，通用于市面上较为流行的平台：比如，Windows、Unix、Linux、MacOS等。
2. 能够转换3D图形设计软件制作的模型文件。OpenGL仅仅作为一个图形的底层图形库，并没有提供直接描述某个场景地几何实体的圆元。但是，为了其转换的方便性，其内部集合了许多转换函数，可以快速方便的将3DS/3DSMAX、AutoCAD等3D绘制的图形设计制作出的DXF以及3DS模型的文件转换成数组的形式，从而将图像转换成数据进行编程处理。
3. 配备了高级图形库：Open Inventor、Cosmo3D、Optimizer等。这些软件库针对于创建、编辑以及处理分析三维的立体场景提供了高级的应用程序单元；提高不同类型的图形格式的交换数据的能力。

历史

1980年代，开发可以用在各种各样图形硬件上的软件是个真正的挑战。通常，软件开发人员为每种硬件编写自定义的接口和驱动程序。但这非常昂贵并会导致大量工作的重复。

20世纪90年代初，SGI成为工作站3D图形领域的领导者。其IRISGL的API被认为是最先进的科技并成为事实上的行业标准，而基于开放标准的PHIGS则相形见绌。IRIS GL更容易使用，而且还支持即时模式的渲染。相比之下，PHIGS难于使用并且功能老旧。

SGI的竞争对手（包括Sun、惠普和IBM）通过扩展PHIGS标准也能将3D硬件投入市场。这反过来导致SGI市场份额的削弱，因为有越来越多的3D图形硬件供应商进入市场。为攻占市场，SGI决定把IRIS GL API转变为一项开放标准，即OpenGL。

然而，SGI拥有大量的软件客户，对他们来说从IRIS GL迁移到OpenGL将需要巨额投资。此外，IRIS GL的应用程序接口拥有与3D图形不相关的函数。例如，它包括窗口、键盘和鼠标的API，部分原因是由于它是在X Window系统和Sun公司的NeWS系统之前开发的。而且，IRIS GL库由于授权和专利问题并不适合开放。上述种种因素要求SGI继续支持先进和专有的IRIS Inventor和IRIS Performer应用程序接口。

IRIS GL的限制之一是只能访问由底层硬件支持的功能。如果图形硬件不支持一项功能，那么该应用程序将不能使用它。OpenGL通过为硬件不具备的功能提供软件支持克服了此问题，这就允许应用程序在相对较弱的系统中使用先进的图形技术。OpenGL标准化了访问硬件的方式：硬件接口程序的开发（有时也称为设备驱动程序）交由硬件制造商，而窗口功能委托给底层操作系统。让大量不同种类的图形硬件讲同一种语言影响深远，它为软件开发者进行3D软件发展提供了更高层次的平台。

1992年，SGI公司领导了OpenGL架构审查委员会（OpenGL ARB）的创建。该委员会由若干公司组成，负责未来OpenGL规范的维护和扩展。

微软在1995年发布Direct3D，Direct 3D最终成为OpenGL的主要竞争对手。1997年12月17日，微软和SGI发起华氏温标项目，旨在统一OpenGL和Direct3D的接口。1998年，惠普加入。后来，由于SGI的财政限制、微软的战略以及缺乏行业普遍支持，项目1999年遭弃。

2006年7月，OpenGL架构评审委员会投票决定将OpenGL API标准的控制权交给Khronos Group。

绑定

为了加强它的多语言和多平台特性，已经用很多语言开发了OpenGL的各种绑定和移植。最值得注意的是，Java3D库已经可以利用OpenGL（另一个选择可能是DirectX）作为它的硬件加速了。OpenGL官方网页[1]列出了用于Java、Fortran 90、Perl、Pike、Python、Ada和Visual Basic的多个绑定。

高级功能

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。这通过下列附加API实现：

• GLX- X11（包括透明的网上）
• WGL-MicrosoftWindows

另外，GLUT库能够以可移植的方式提供基本的窗口功能。