Miguel Angel Sepulveda Über den Autor: Miguel machte seinen Abschluß an der Washingtoner Universität im Jahre 1993. Danach arbeitete er als Wissenschaftler in Spanien, Japan und den USA. Mit Linux traf er das erste Mal zusammen, als der Kernel noch bei Version 0.98 stand, es war Liebe auf den ersten Blick. Gegenwärtig ist er in seiner Freizeit Chefredakteur des LinuxFocus. M@ail an den Autor

Was ist OpenGL?

Zusammenfassung:
Mit diesem Artikel startet eine monographische Reihe über OpenGL und seiner Unterstützung unter Linux. Sie richtet sich an Programmierer, die sich die Leistungsfähigkeit von OpenGL im 2D und 3D Grafikbereich für ihre Programme zunutze machen wollen.

OpenGL ist, ohne Zweifel, die im professionellen Bereich vorherrschende API ("Application Programming Interace", Programmier-Bibliothek) für die Entwicklung von 2D und 3D Grafikprogrammen. Sie stellt praktisch den Nachfolger der erstklassigen IRIS GL-Bibliothek von Silicon Graphics dar, die die beliebten SGI Workstations zur bevorzugten Plattform der Programmentwicklung in der Wissenschaft, dem Ingenieurwesen und für Spezialeffekte machte. SGI brachte einen großen Teil ihres Wissens und ihrer Fähigkeiten ein, um aus OpenGL die Grafikbibliothek der Zukunft zu machen, die einfach in der Handhabung, intuitiv, portabel und netzfähig sein sollte. Gleichzeitig verdient SGI großen Dank für die Tatsache, daß die Firma die Wichtigkeit von offenen Standards erkannt hat. Eine Reihe von Hardware- und Softwarehersteller beteiligten sich bei der Spezifizierung von OpenGL und unterstützen sie. Dadurch können OpenGL Programme relativ einfach auf praktisch jede Plattform portiert werden, sei es von einem Windows95 PC nach Linux, auf eine High-End UNIX Workstation oder auch auf einen Mainframe. Das Architectural Review Board überwacht die OpenGL Spezifikationen, akzeptiert oder verwirft Änderungsvorschläge und bietet Tests an, die die Konformität von Programmen überprüfen.

Im Gegensatz zu SGIs alter IRIS GL-Bibliothek ist OpenGL von der Konzeption her unabhängig von Plattform oder Betriebssystem. Es ist netzwerkfähig, wodurch eine OpenGL Anwendung in einen Serverteil und einen Clientteil aufgeteilt werden kann, und so Berechnungen von der letztendlichen Darstellung getrennt werden können. Dazu existiert ein Netzwerkprotokoll, über das OpenGL Kommandos zwischen Server und Client ausgetauscht werden können. Dank der Plattformunabhängigkeit können Server und Client auf verschiedenen Plattformtypen laufen. Nicht selten sitzt der Server auf einem Supercomputer, welcher eine komplexe Simulation betreibt, während der Client auf einer einfachen Workstation zu finden ist, die nur für die grafische Darstellung zuständig ist. OpenGL ermöglicht Entwicklern, Programme zu schreiben, die relativ einfach auf vielen verschiedenen Plattformen eingesetzt werden können.

Vor allem ist OpenGL eine effektive, leistungsfähige Grafikbibliothek, und es gibt viele Grafikkarten mit 2D und 3D Hardwarebeschleunigern,die OpenGL Funktionalitäten auf Hardwareniveau realisieren. Bis vor kurzem waren diese Hochleistungskarten recht teuer und nur für SGI Rechner und andere UNIX Workstations erhältlich. Es ist Silicon Graphics mit ihren großzügigen Lizenbedingungen und ihren Softwarepaketen für die Entwicklung von Anwendungen zuzuschreiben, daß immer mehr OpenGL unterstützende Hardware auch für den PC Bereich verfügbar wird. Und, jawohl, auch Linux-Benutzer kommen in ihren Genuß. 3dfx Interactive, eine Firma, die eine Reihe von 3D Karten für den PC vertreibt, unterstützt Linux durch die Bereitstellung ihrer Glide Bibliothek. In dieser Ausgabe ist ein weiterer Artikel zu diesem Thema zu finden, 3Dfx Graphikkarten von Phillip Ross. Dieser stellt detailliert die erhältlichen 3dfx Karten vor. Offensichtlich ändert sich langsam aber sicher die Einstellung der Hardwarehersteller, die letzlich einzusehen scheinen, daß Linux ein fester Bestandteil der heutigen und zukünftigen Computerwelt ist. Linuxer sollten dies entsprechend würdigen und solche Initiativen unterstützen.

Damit OpenGL hardwareunabhägig sein konnte, wurde sowohl Fensterverwaltung, als auch Benutzereingabe aus der Bibliothek ausgeschlossen. Dies mag sich zuerst nach einem schweren Nachteil von OpenGL anhören, später (siehe Artikelserie über die GLUT Programmierung) wird aber gezeigt, wie OpenGL zusammen mit anderen flexiblen Programmierbibliotheken eingesetzt wird, welche Fensterverwaltung und die Eingabe von Benutzern handhaben. Desweitern bietet OpenGL keine Befehle für das Erzeugen komplexerer Objekte, wie Moleküle, Flugzeuge, Häuser, Vögel usw. Vielmehr werden nur grundlegende geometrische Objekte (Punkte, Linien, Polygone) zur Verfügung gestellt. Es liegt in der Hand des Entwicklers, eigene Modelle aus diesen Basisobjekten zu erzeugen. Es existieren einige OpenGL verwandte Bibliotheken, welche komplexere Objekte unterstützen, es steht jedem Benutzer frei, diese für seine eigenen Modelle zu verwenden.

In dieser Artikelserie über OpenGL Programmierung wird mit der C Schnittstelle gearbeitet, da diese die beliebteste ist. Allerdings sollte dem Leser nicht verschwiegen werden, daß auch andere Sprachen OpenGL nutzen können, wie zum Beispiel FORTRAN, C++, Ada oder Java. Sobald der Leser später mit der C Schnittstelle von OpenGL vertraut ist, wird auch ein wenig auf Open-Inventor, eine C++ Erweiterung der OpenGL Bibliothek, eingegegangen.

Ohne jetzt schon allzu sehr ins Detail zu gehen, werden hier einige der Features vorgestellt, die OpenGL anbietet:

• Geometrische Primitive Hierdurch können mathematische Beschreibungen von Objekten erzeugt werden. Als Grundobjekte stehen zur Verfügung: Punkte, Linien, Polygone, Bilder und Bitmaps
• Farbkodierung (Color Coding) in RGBA (Rot-Grün-Blau-Alpha) oder im Farbindexmodus. 
• Sicht und Modellierung (Views and Modeling) erlaubt das Anordnen von Objekten in einer 3-dimensionalen Szene, das freie Bewegen der Kamera im Raum und die Auswahl eines geeigneten Beobachtungspunktes, von dem aus die zu rendernde Szene beobachtet wird.
• Texturen (Texture rendering) gestalten Modelle realistischer, indem Bilder von realistisch wirkenden Oberflächen auf die Flächen der Polygone des Objektes abgebildet werden.
• Materialbeleuchtung (Materials lighting) ist ein unentbehrlicher Teil aller 3D Grafiken. OpenGL stellt Befehle bereit, mit denen die Farbe jedes Punktes mit den Eigenschaften des Materiales und den Lichtquellen im Raum berechnet wird.
• Double buffering verhindert das Flackern von Animationen. Jedes Bild einer Animation wird in einem separaten Speicherbereich erzeugt und erst dann dargestellt, wenn die Berechnung des Bildes beendet ist.
• Anti-Aliasing vermindert das Auftreten von häßlichen Ecken bei der Darstellung von Linien auf dem Bildschirm. Vor allem in niedrigeren Auflösungen tauchen diese harten, eckigen Linien auf. Anti-Aliasing ist eine gängige Technik im Bereich Computergrafik, die die Farbe und Intensität benachbarter Punkte der Linie verändert, wodurch diese weicher wird und das Zick-Zack reduziert wird.
• Gouraud Shading ermöglicht es, weiche Schatten auf einem 3D Objekt zu zeichnen und feine Farbabstufungen über dessen Oberflächen zu realisieren.
• Z-Buffering verwaltet die Z Koordinaten eines 3D Objektes. Der Z-Buffer wird benutzt, um die Entfernung des beobachteten Objektes nachzuhalten. Wird auch benötigt, um die Darstellung verdeckter Oberflächen zu verhindern.
• Atmosphärische Effekte wie Nebel, Rauch und Dunst machen computergenerierte Bilder realistischer. Ohne diese wirken Bilder manchmal zu klar und unrealistisch scharf. Nebel (Fog) ist ein Ausdruck, der einen richtigen Algorithmus für die Simulation von Dunst, Nebel, Rauch, Abgasen oder auch einfach atmosphärische Effekte beschreibt, durch die das Bild mehr Tiefe erhält.
• Alpha Blending benutzt den Alpha Wert (materialabhängiger Beleuchtungswert) des RGBA Kodes, wodurch die Farbe des gerade verarbeiteten Objektes mit den Pixeln, die sich bereits im Bildpuffer befinden, kombiniert werden können. Man stelle sich zum Beispiel ein bläuliches, durchsichtiges Fenster vor, hinter dem sich ein roter Quader befindet. Durch Alpha Blending kann die Transparenz des Fensterobjektes simuliert werden und der rote Quader wird in einem violetten Farbton dargestellt.
• Schablonenebenen (Stencil Planes) beschränken das Zeichnen auf bestimmte Bereiche des Bildschirmes
• Darstellungslisten (Display lists) erlauben das Speichern von Zeichenkommandos in einer Liste, für spätere Berechnungen. Durch geschickten Einsatz können Darstellungslisten die Berechnungen für ein Bild erheblich beschleunigen.
• Polynomiale Evaluatoren dienen der Berechnung nicht-einheitlicher rationaler B-Spline Linien. Diese erzeugen schöne Kurven durch Angabe einiger weniger Referenzpunkte, ohne daß auf eine große Zahl von Zwischenpunkten zurückgegriffen werden muß.
• Feedback, Selection und Picking Features helfen, Programme zu schreiben, die den Benutzern Teile des Bildschirmes oder eines der Objekte auswählen lassen. Über den Feedback Modus kann der Programmierer die Ergebnisse der Bildberechnungen erhalten.
• Raster Primitive (Bitmaps und Pixelrechtecke) 
• Pixel Operationen 
• Transformationen: Rotation, Skalierung, Verschiebung, 3D Perspektiven, uvm.