Какой режим графики лучше directx или opengl. Видеокарты. Взгляд с высоты птичьего полёта

Вы спросите: кто же они? Они - мёртвая компания, которую я считаю истинным убийцей OpenGL. Конечно, общая несостоятельность Комитета сделала OpenGL уязвимым, в то время как он должен был рвать D3D в клочья. Но по-моему, 3D Labs - возможно единственная причина текущего положения OpenGL на рынке. Что они для этого сделали?

Они разработали язык шейдеров для OpenGL.

3D Labs были умирающей компанией. Их дорогостоящие GPU были вытеснены с рынка рабочих станций всё возрастающим давлением nVidia. И в отличие от nVidia, 3D Labs не были представлены на потребительском рынке; победа nVidia означала бы смерть для 3D Labs.

Что в итоге и случилось.

В стремлении оказаться на плаву в мире, которому были не нужны их продукты, 3D Labs заявились на конференцию Game Developer Conference с презентацией того, что они назвали «OpenGL 2.0». Это был OpenGL API, переписанный с нуля. И это имело смысл, ибо в те времена в API OpenGL было полно хлама (который, впрочем, остаётся там и по сей день). Посмотрите хотя бы на то, насколько эзотерически сделаны загрузка и биндинг текстур.

Частью их предложения был язык шейдеров. Да, именно он. Тем не менее, в отличие от имеющихся кросс-платформенных расширений, их язык шейдеров был «высокоуровневым» (C - это высокий уровень для языка шейдеров).

В это же время в Microsoft работали над своим собственным языком шейдеров. Который они, включив всё своё коллективное воображение, назвали… Высокоуровневым Языком Шейдеров (HLSL). Но их подход к языку был фундаментально иным.

Наибольшей проблемой языка от 3D Labs было то, что он был встраиваемым. Microsoft полностью самостоятельно определяла свой язык. Они выпустили компилятор, который генерировал ассемблерный код для шейдеров SM 2.0 (или выше), который, в свою очередь, можно было скармливать D3D. Во времена D3D v9, HLSL никогда не касался D3D напрямую. Он был хорошей, но необязательной абстракцией. У разработчика всегда была возможность взять выхлоп компилятора и подправить его для максимальной производительности.

В языке от 3D Labs ничего этого не было. Вы отдаёте драйверу C-подобный язык, и он создаёт шейдер. На этом всё. Никакого ассемблерного шейдера, ничего, что можно скормить чему-то ещё. Только объект OpenGL, представляющий шейдер.

Для пользователей OpenGL это означало, что они становились подвержены капризам разработчиков OpenGL, которые только научились компилировать ассемблероподобные языки. В компиляторах новорождённого языка шейдеров OpenGL (GLSL) свирепствовали баги. Что ещё хуже, если вам удавалось заставить шейдер корректно компилироваться на различных платформах (что уже само по себе было большим достижением), то он всё ещё был подвержен оптимизаторам тех времён, которые были не так уж оптимальны, как могли бы быть.

Это было большим, но не единственным недостатком GLSL. Далеко не единственным.

В D3D, как и в старых ассемблерных языках OpenGL, можно было смешивать и всячески комбинировать вершинные и фрагментные шейдеры. Можно было использовать любой вершинный шейдер с любым совместимым фрагментным шейдером, если они взаимодействовали через одинаковый интерфейс. Более того, допускалась даже некоторая несовместимость: например, вершинный шейдер мог подать на выход значение, которое не использовалось фрагментным шейдером.

В GLSL ничего такого не было. Вершинный и фрагментный шейдер сплавлялись воедино, образовывая нечто, названное компанией 3D Labs «программным объектом». Поэтому, для совместного использования нескольких вершинных и фрагментных шейдеров в различных комбинациях, приходилось создавать несколько программных объектов. Это стало причиной второй по величине проблемы.

3D Labs думали, что они самые умные. Они взяли C/C++ за основу для модели компиляции GLSL. Это когда вы берёте один c-файл и и компилируете его в объектный файл, а затем берёте несколько объектных файлов и компонуете их в программу. Именно так компилируется GLSL: сначала вы компилируйте вершинный или фрагментный шейдер в шейдерный объект, затем помещаете эти объекты в программный объект и компонуете их воедино чтобы наконец сформировать программу.

В теории это позволяло появиться таким крутым вещам, как «библиотечные» шейдеры, которые содержат код, вызываемый основным шейдером. На практике это приводило к тому, что шейдеры компилировались дважды : один раз на стадии компиляции и второй раз на стадии компоновки. В частности, этим славился компилятор от nVidia. Он не генерировал какой-либо промежуточный объектный код; он компилировал вначале, выбрасывал полученный результат и компилировал заново на стадии компоновки.

Таким образом, чтобы приделать вершинный шейдер к двум разным фрагментным шейдерам, приходилось компилировать намного больше, чем в D3D. Особенно с учётом того, что вся компиляция производится оффлайново , а не перед непосредственным исполнением программы.

У GLSL были и другие проблемы. Возможно, было бы неправильным сваливать всю вину на 3D Labs, ибо в конечном итоге ARB утвердили и включили в OpenGL язык шейдеров (но ничего больше из предложений 3DLabs). Однако, изначальная идея всё равно была за 3D Labs.

И теперь самое печальное: 3D Labs были правы (в основном). GLSL не векторный язык, каким в то время был HLSL. Так случилось потому, что железо 3D Labs было скалярным (как современное железо от nVidia), и они были полностью правы в выборе направления, которому позднее последовали многие производители оборудования.

Они были правы и с выбором модели компиляции для «высокоуровневого» языка. Даже D3D в итоге к этому пришёл.

Проблема в том, что 3D Labs были правы в неправильное время . И в попытках попасть в будущее преждевременно, в попытках быть готовыми к будущему, они отставили в сторону настоящее. Это выглядит как T&L-функциональность в OpenGL, которая была в нём всегда. За исключением того, что T&L-конвейер OpenGL был полезным и до появления аппаратного T&L, а GLSL был обузой до того как остальной мир догнал его.

GLSL - это хороший язык сейчас . Но что было в то время? Он был ужасен. И OpenGL пострадал от этого.

На подходе к апофеозу

Возможно вы слышали эту историю. Во времена OpenGL 2.1, у OpenGL были большие проблемы. Он тащил за собой огромный груз совместимости. API больше не был простым в использовании. Одну вещь можно было сделать пятью разными способами и непонятно какой из них быстрее. Можно было «изучить» OpenGL по простым руководствам, но при этом вы не изучали тот OpenGL, который даёт настоящую графическую мощь и производительность.

ARB решили предпринять ещё одну попытку изобрести OpenGL. Это было как «OpenGL 2.0» от 3D Labs, но лучше, потому что за этой попыткой стоял ARB. Они назвали это «Longs Peak».

Что такого плохого в том, чтобы потратить немного времени на улучшение API? Плохо то, что Microsoft оказалась в довольно шатком положении. Это было время перехода на Vista.

В Vista Microsoft решили внести давно напрашивающиеся изменения в графические драйверы. Они заставили драйверы обращаться к ОС за виртуализацией графической памяти и многим другим.

Можно долго спорить о достоинствах такого подхода, и о том, был ли он вообще возможен, но факт остаётся фактом: Microsoft сделала D3D 10 только для ОС Vista и выше. Даже на поддерживающем D3D железе было невозможно запустить D3D приложение без Висты.

Вы возможно помните, что Виста… скажем так, работала не очень хорошо. Итак, у нас была неторопливая ОС, новый API, который работал только на этой ОС, и новое поколение железа, которое нуждалось в этом API и ОС чтобы делать нечто большее, чем просто превосходить предыдущее поколение в производительности.

Тем не менее, разработчики могли использовать функциональность уровня D3D 10 через OpenGL. То есть могли бы, если бы ARB не был занят работой над Long Peaks.

ARB потратили добрые полтора-два года, работая над улучшением API. Ко времени выхода OpenGL 3.0 переход на Висту закончился, Windows 7 была на подходе, и разработчиков игр больше не заботила функциональность уровня D3D 10. В конце концов, оборудование для D3D 10 прекрасно работало с приложениями на D3D 9. С увеличением темпов портирования с ПК на консоли (или с переходом ПК-разработчиков на консольный рынок), разработчикам всё меньше была нужна функциональность D3D 10.

Если бы разработчики получили доступ к этой функциональности даже на Windows XP, развитие OpenGL могло бы получить живительный заряд бодрости. Но ARB упустили эту возможность. А хотите знать что самое ужасное?

ARB не смогли изобрести API с нуля несмотря на трату двух драгоценных лет на попытки сделать это. Поэтому они вернули статус-кво, добавив лишь механизм для объявления функциональности устаревшей.

В итоге ARB не только упустили ключевые возможности, но и не выполнили ту работу, которая привела их к этому упущению. Это был epic fail по всем направлениям.

Такова история о противостоянии OpenGL и Direct3D. История упущенных возможностей, величайшей глупости, умышленного безрассудства и банальных нелепостей.

По всей видимости, очень многие пользователи, в частности, все те, кто предпочитает использовать компьютер для установки и прохождения современных ресурсоемких игр, знают, что в настройках графики можно использовать специальные средства ускорения вывода изображения и повышения качества картинки OpenGL или DirectX. Что лучше задействовать для полного использования всех скрытых ресурсов компьютерной системы и добиться максимальной производительности? Вопрос этот является достаточно спорным, и ответить однозначно в пользу какой-то одной платформы обычно не представляется возможным, поскольку все зависит от конкретной цели, которую ставит перед собой пользователь или разработчик, а также от каждой конкретной ситуации, которая частично может быть связана с «железным» оборудованием в виде графического ускорителя, его программной поддержкой в виде драйверов и некоторыми дополнительными аспектами. Попробуем разобраться, что лучше — OpenGL или DirectX, — обратившись и к официальным источникам информации, и опираясь на мнения пользователей и разработчиков программного обеспечения, которое может требовать поддержку таких технологий.

Что такое OpenGL и DirectX?

Начнем с того, что среди рядовых пользователей бытует ошибочное мнение, что эти два описываемых компонента представляют собой графические движки. Отсюда и возникают некорректные вопросы по поводу того, какой движок лучше — OpenGL или DirectX?

Дело в том, что к движкам этим платформы относятся лишь частично, поскольку являются исключительно программным обеспечением, которое позволяет взаимодействовать программному движку программы (игры) с установленным оборудованием (чаще всего с видео- и звуковым картами) через их драйверы, которые выполняют роль посредников. На самом же деле OpenGL и DirectX являются частью интерфейсов прикладного программирования с необходимым наборами библиотек, классов, дефиниций, структур, констант и функций, применяемых для обеспечения работы с внешними программными продуктами, устанавливаемыми в операционную систему.

Для чего используются эти технологии

Естественно, очень часто можно встретить и вопросы по поводу того, какая графика лучше — OpenGL или DirectX? Такая постановка тоже частично является некорректной, поскольку речь может идти не только о задействовании ресурсов видеокарт, но и звуковых или любых других «железных» и виртуальных устройств мультимедиа. Но чаще всего речь действительно идет именно о графических ускорителях. При этом нужно четко понимать, что выбор в пользу того или иного «моста», обеспечивающего взаимодействие видеокарты с установленной игрой или любой другой программой, где это необходимо, может зависеть и от того, насколько обязательной является такая поддержка.

В современных играх со сложными текстурами и досконально пририсованными динамическими сценами такая поддержка крайне необходима. Но проблема в том, что далеко не все графические ускорители могут корректно использовать такую поддержку. В этом случае все зависит уже от драйверов. Будь карта какой угодно ультрамодной, но с устаревшим управляющим ПО (драйверами) она не сможет использовать все те возможности, которые изначально были заявлены производителем. Тем не менее в большинстве игр или в программах для работы с мультимедиа (например, для обработки видео) очень часто и приходится выбирать, какую именно поддержку устанавливать в настройках противопоставляя одну платформу другой (в английском варианте это обычно выглядит как «OpenGL vs DirectX»).

Основные отличия DirectX и OpenGL

Что же касается основных отличий, не вдаваясь в технические аспекты функционирования, сразу же можно отметить, что платформа DirectX, являющая эксклюзивной разработкой корпорации Microsoft, предназначена исключительно для применения в Windows-системах и частично на Xbox, а OpenGL представляет свободно распространяемую кроссплатформенную технологию, применимую в других ОС (даже в мобильных). Лицензия GNU позволяет любому желающему вносить в компоненты этого API собственные изменения и дополнения, касающиеся ее усовершенствования с целью повышения производительности тех же видеокарт, в то время как улучшений DirectX приходится ждать только по мере выхода новых версий платформы. При этом даже с самыми новыми драйверами при использовании на старых версиях моста графические ускорители не выдают заявленных производителем показателей.

Главные преимущества и недостатки

Говоря о том, что лучше — OpenGL или DirectX 11 (12), отдельно стоит отметить, что первая платформа предназначена только для графики, а вторая может использоваться вообще для всего того, что относится к мультимедиа (за графику в данном случае отвечает компонент Direct3D).

Кроме того, многим экспертами отмечается, что в очень высокой степени выбор в пользу того или иного моста может зависеть и от типа графической карты. Но, если подходить к сравнению непредвзято, считается, что в плане охвата платформ лучше выглядит OpenGL, но DirectX выигрывает в плане того, что является готовым программным продуктом вроде класса Plug&Play. Однако не стоит забывать и том, что инструментальный набор DirectX последних версий и так доступен в OpenGL, а вот обратной поддержки нет.

OpenGL или DirectX: что лучше для игр?

Что же касается игр, и тут однозначного ответа дать нельзя. Так, например, довольно часто можно встретить комментарии по поводу того, что графические чипы линейки Radeon 9800 лучшие результаты в тестах показывают на основе DirectX, а карты GeForce серии 5XXX - при использовании OpenGL. Зато у DirectX есть еще одно неоспоримое преимущество.

Поскольку мост OpenGL изначально создавался для других платформ, с ним в Windows возможно появление разного рода багов, а вот DirectX позволяет довольно сносно пользоваться играми даже на относительно устаревших компьютерах без всяких торможений (яркий пример тому - игра Age Of Empires).

Бывает и наоборот. Так, например, некоторые пользователи отмечают, что DOOM 3 на картах серии Radeon X1XXX с использованием OpenGL просто «летает», а Half-Life 2 очень часто «тормозит». Но тут, видимо, все зависит еще и от драйверов.

Но, по большому счету, если игра поддерживает использование обеих технологий, лучше всего посмотреть, каким будет результат работы видеокарты при использовании каждого режима попеременно. Само собой разумеется, что достижения оптимальной производительности и сами платформы, и драйверы графических ускорителей должны быть обновлены до самых последних версий.

Что лучше для BlueStacks: DirectX или OpenGL?

Достаточно часто можно встретить и вопросы по поводу использования одного из самых популярных эмуляторов Android-систем под названием BlueStacks. Какую платформу предпочесть в BlueStacks — OpenGL или DirectX? Увы, и тут однозначного ответа дать нельзя.

Однако негласно считается, что в случае установки через этот эмулятор именно игр, лучше задействовать OpenGL, а вот, если игра будет тормозить, тогда придется переключиться на DirectX. Но, опять же, все это касается только игровой графики. В случае с профессиональной обработкой и рендерингом видео придется достаточно серьезно экспериментировать.

Наконец, если говорить о том, что лучше — OpenGL или DirectX - для разработчика, который только начинает освоение этих технологий и делает первые шаги, большинство специалистов в этой области отмечают, что сначала лучше ознакомиться с принципами функционирования и инструментальным набором DirectX, поскольку эта платформа выглядит для новичка более простой, и для нее постоянно выпускаются неплохие комплекты SDK, предназначенные как раз для упрощения адаптации программных продуктов к «железу», а только потом переходить к изучению OpenGL.

Впрочем, многое может зависеть и от того, какую конечную цель вы перед собой ставите и какой именно функционал каждой платформы будет использоваться в каждом конкретном случае (только графика, только звук или какие-то объединенные решения).

Краткие выводы

Подводя итоги, как уже понятно, однозначного вывода в пользу одного или другого компонента сделать достаточно сложно. Между этими платформами идет постоянное соревнование. Иногда новая версия DirectX по своим параметрам опережает OpenGL, но по мере устаревания, а также внесения в OpenGL каких-то инноваций начинает проигрывать. В целом же при выборе следует отталкиваться исключительно от общеизвестного принципа, что истина познается в сравнении. Пробуйте и то и другое! Только после получения конкретных результатов и для каждого конкретного случая и будет ясно, к какой чаше весов склонится ваш выбор.

На минувшей неделе был представлен API Vulkan, о широкой поддержке которого заявили AMD и NVIDIA. Новый графический интерфейс разрабатывал Khronos Group, консорциум, основанный в 2000 году. Khronos Group отвечает за разработку и поддержку открытых стандартов в сфере мультимедийных приложений на разных платформах и устройствах. Консорциум поддерживают AMD и NVIDIA, а также многие другие компании.

На минувшей неделе была ратифицирована финальная версия 1.0 API Vulkan. AMD и NVIDIA представили соответствующие бета-драйверы. AMD заранее выпустила бета-версию Radeon Software еще 14 февраля. NVIDIA представила драйвер GeForce 356.39, который тоже ориентирован на поддержку API Vulkan.

Подход API Vulkan очень похож на API Mantle. Суть заключается в том, чтобы разработчики получили более глубокий доступ к «железу», чтобы выжать из него максимум. Такой подход позволяет максимально избежать существующих «узких мест». С другой стороны, разработчики должны точно знать, что они делают – например, при работе с памятью. Интерфейс OpenGL не так популярен, как DirectX, но позволяет выжать больше.

Интерфейс API Vulkan в версии 1.0 поддерживается под Windows 7, Windows 8.1, Windows 10, Android и Linux. Разработчики игр пока что не объявили о поддержки в конкретных играх, но здесь стоит дождаться Games Developer Conference, которая будет проводиться с 14 по 18 марта в Сан-Франциско. Из игровых движков пока есть информация о Source 2, который уже поддерживает API Vulkan. Процесс отладки облегчается поддержкой Valve, LunarG и Codeplay.

The Talos Principle

Хорошо, но какая игра или движок поддерживают API Vulkan? Игра The Talos Principle разрабатывалась компанией Croteam, которая и в прошлом была известна поддержкой многих графических API. И в последней итерации игра The Talos Principle не стала исключением – она поддерживает DirectX 9, DirectX 11, OpenGL и теперь Vulkan. Для студии разработчиков Vulkan является пробным шаром, хотя API Vulkan доступен в версии 1.0, поддержка пока находится в бета-стадии. На добавление поддержки разработчики Croteam затратили порядка трех месяцев. Но универсальный характер API позволяет вскоре представить вариант Linux.

API Vulkan теоретически совместим с несколькими платформами – но пока что тесты и сравнения можно провести только под Windows, причем здесь имеются свои ограничения. Реализация пока остается на очень раннем этапе. Путь рендеринга DirectX 11 совершенствовался многие годы, поэтому потенциала для оптимизации здесь уже нет. Здесь ситуация больше зависит от разработчиков драйверов, а именно AMD и NVIDIA. Игра The Talos Principle стала первой с поддержкой Vulkan. Поэтому пока нет возможности сделать сравнительный тест для оценки хорошей или плохой реализации поддержки.

Новые технологии первое время реализуются в примерах, подготовленных производителями. В случае DirectX 12 акцент был выставлен на Draw Calls, тот же тест 3DMark DirectX 12 опирается только на измерение производительности Draw Calls, игры DirectX 12, подобные Star Wars, тоже пытаются задействовать подобную нагрузку. Но The Talos Principle не так сильно зависит от высокой скорости Draw Call, чтобы низкоуровневый API дал большую разницу.

Поддержка API Vulkan версии 1.0 находится на ранней стадии, то же самое касается драйверов AMD и NVIDIA. Оба драйвера, по сути, относятся к бета-версиям, именно так их рассматривают производители GPU. Здесь обычно нет новых улучшений производительности или поддержки новых технологий, так что мы получаем шаг назад. Но как только определенный уровень разработки будет достигнут, драйверы обоих разработчиков GPU получат поддержку Vulkan в финальной версии. Когда это произойдет – не совсем понятно. Но пока ключевые приложения не используют Vulkan и игры с поддержкой API находятся в состоянии бета-версии, так что разработчики GPU могут спокойно дорабатывать свои драйверы.

Для тестов мы взяли нашу тестовую систему для видеокарт. Драйверы видеокарт AMD и NVIDIA мы уже описали выше. В настройках мы выставили максимальный уровень графики, но при этом протестировали и низкие разрешения вплоть до 1.280 x 720 пикселей, чтобы увеличить производительность Draw Call.

Тест The Talos Principle - 1.280 x 720 пикселей

Тест The Talos Principle - 2.560 x 1.440 пикселей

Тест The Talos Principle - 3.840 x 2.160 пикселей

Как можно видеть по результатам, API Vulkan дает существенный прирост по сравнению с OpenGL. Но до производительности DirectX 11 новый API не дотягивает. Тому есть несколько причин. С одной стороны, разработка под Vulkan находится в ранней стадии. Это касается и самого API, и драйвера, и игры The Talos Principle. По сравнению с OpenGL новый интерфейс позволяет освободить часть ресурсов и избежать «узких мест». Но DirectX много лет совершенствовался до текущего уровня. В любом случае, потенциал у API Vulkan очень хороший.

Если погрузиться в детали, то визуальных отличий между API Vulkan и DirectX 11 мы не обнаружили. Так что путь рендеринга очень хорошо адаптирован. У текущей реализации The Talos Principle видеокарты с 2 Гбайт памяти получают падение производительности, вероятно, из-за не самой эффективной работы с памятью. Как и Mantle и DirectX 12, API Vulkan может обращаться к ресурсам памяти на более глубоком уровне – сей факт можно рассматривать как преимущество, но он может стать и недостатком, если разработчики не смогут эффективно использовать память.

Несколько разочаровала ошибка в текущем драйвере NVIDIA, из-за которой после каждого теста приходилось перезагружать систему. Без перезагрузки игра «вылетала». Хотя с драйвером AMD мы не обнаруживали подобной ошибки.

Нынешняя реализация API Vulkan кажется обещающей. Пока что для игр на настольных ПК она будет не такой актуальной, поскольку рынок DirectX 11 и 12 очень велик, и по сравнению с тем же DirectX 12 затраты на реализацию могут быть слишком велики, а отдача слишком мала. Но если игры необходимо запускать на разных платформах с разными аппаратными требованиями, Vulkan может сыграть важную роль. В любом случае, следует дождаться реакции со стороны разработчиков игр, иначе мы получаем проблему курицы и яйца, из которой сложно выйти.

Очень часто встречаются различные заблуждения по поводу этих двух API .

Я попытался изложить в этой статье основные факты, которые следует знать как разработчикам, так и конечным пользователям.

Так как тема очень холиварная, я старался придерживаться максимально нейтрального тона.

Взгляд с высоты птичьего полёта

Распространённые заблуждения

Собственно, причина такого заблуждения - это незнание о расширениях. Вообще говоря, OpenGL может и часто опережает (!) Direct3D в плане инноваций, т.к. производитель может добавить расширение к OpenGL, не дожидаясь никого, в то время как в Direct3D изменения может внести только Microsoft.

OpenGL - это для программ профессиональной графики, а Direct3D - это для игр.

Это заблуждение имеет историческую причину. OpenGL исходно разрабатывался как библиотека 3D графики, которая МОЖЕТ, но НЕ ОБЯЗАНА ускоряться аппаратно. Это также объясняет наличие некоторых функций, например рендеринг стерео-изображений, которые не нужны играм. Direct3D же разрабатывался гораздо позже, сразу с расчётом на ускорение на GPU. В момент появления многих пакетов профессиональной работы с графикой Direct3D просто не было.

Microsoft поставляет вместе с Windows драйверы без поддержки OpenGL. OpenGL будет рендерить без ускорения, или эмулироваться через DirectX. Так что, если нужна поддержка OpenGL под Windows, нужно ставить драйвер с сайта производителя. Причины для такого неприятия OpenGL, скорее всего, опять чисто политические.

Так что же делать, как жить?

Если Вы - разработчик, и решаете, какое API использовать, то задумайтесь над следующим:
За OpenGL - массовая кроссплатформенность, в частности, доступность всех новых функций и на Windows XP, где Direct3D 10/11 нет, и никогда не будет.
Против OpenGL - драйвера в Windows из коробки не имеют поддержки OpenGL, так что ставить их нужно с сайта производителя.

Если Вы - новичок в разработке 3D-приложений, и желаете освоить эту область, то я бы рекомендовал сделать так: сначала разобраться с Direct3D (причина тому проста - Microsoft предоставляет очень качественный SDK), а затем разобраться с OpenGL (это будет очень просто после Direct3D). К сожалению, такой вещи, как SDK, для OpenGL нет. Поэтому осваивать с нуля будет сложнее.

Вот вроде и всё. Успехов в разработке!

OpenGL (= Open Graphics Library) - это программный интерфейс для управления графическим процессором состоит примерно из 250 команд, зашитых в двух библиотеках oglcore и oglutilities . Разрабатывается с 1990 года компанией SGI (Silicon Graphics Inc.). Цель - создание мульти-платформенного графического интерфейса для разработчиков графических карт и программного обеспечения.

DirectX - это общее название для коллекции из 10 Windows-библиотек (см. таблицу ниже) для низкоуровнего программирования "железа" от различных производителей. Разрабатывается компанией Microsoft с 1994 (первое название "Games SDK") с постоянно меняющимся функционалом, разделенным на версии (текущая версия 11). Цель и главная задача - позиционировать Windows, как платформу для Multimedia. Почти для всех Graphiс-, Sound-, Radio-, Video-, TV- hardware разработаны DirectX-Драйвера.
До версии DirectX 9.0 (включительно) DirectX-библиотеки принципиально отличались от других Windows-APIs (Application Programming Interfaces). Они не гарантировали исполнение необходимых запросов . Каждый программист должен самостоятельно контролировать - может ли, программируемое через DirectX, железо выполнить нужную операцию, и если да, то в каком объеме и форме. На практике, многие программисты доверяют DirectX-Драйверам с надеждой на то, что Драйвер целевого железа настолько хорош, что не просто отклонит некорректные для данного железа запросы, а попытается с помощью аварийной системы их обработать корректно. (см. ниже описание HEL).

Со временем появилось несколько подходов к программированию DirectX:
1) C++ и DirectX Software Development Kit = DXSDK ;
2) Managed DirectX для C# - примерно также быстр в исполнении, но проще в программировании, чем 1) и является частью DXSDK;
3) XNA для C# - это последователь 2) для новых Windows-PC, XBox, Windows-Phone;
4) Windows Presentation Foundation = WPF вместе с XAML и C# → DirectX11 упаковано в одну огромную библиотеку классов.

Managed DirectX быстро стал популярным , так как предлагал простой и элегантный доступ к DirectX с высокой скоростью исполнения, и в период с 2002 по 2007 стал самой популярной оболочкой для разработки PC-игр под WindowsXP.
В 2007году Microsoft объявил о развитии Managed DirectX разработав два новых DirectX-APIs:
1) XNA , который в отличии Managed DirectX значительно упрощал доступ к DirectX для разработок на PC- , XBox- и WindowsPhone- платформах;
2) WPF , с целью полной и цельной интеграции DirectX во все программные оболочки и интернет-страницы.

OpenGL Libs и DirectX Namespaces

OpenGL состоит из двух библиотек (DLL), которые исключительно заточены на Графику.
Microsoft под именем DirectX собрал все, что в рамках операционной системы обращается напрямую к железу. В Managed DirectX эти библиотеки организованы в форме Namespaces. Только первые четыре из этих Namesspaces занимаются Графикой.

OpenGL & Direct3D Pipeline

Графический чип современной графической карты содержит множество графических процессоров в форме так называемых каскадных пайплайнов (Pipeline). Первая половина этих процессоров занята работой с векторной графикой, вторая с растровой графикой. Цепочки команд в OpenGL и Direct3D отражают принцип цепочек процессоров графического чипа. Следовательно набор команд OpenGL и Direct3D направлены примерно поровну на 3D-Векторную и Растровую графику. Таким образом, фундаментальное отличие между Векторной и Растровой Графикой нейтрализуется и скрывается, чтобы облегчить решение проблемы Векторно-Растрового перехода. Также скрывается проблема разделения работы между CPU и GPU, Что еще сложнее учитывая разнообразие возможных вариантов.

Таким образом, многие новички поначалу иллюзорно считают, что понимание работы "железа" не так уж необходимо.

Схема 3D-Pipeline в OpenGL & Direct3D повторяет архитектуру GPU:

В DirectX есть возможность отключить всю Векторную часть через флаг CreateFlags.SoftwareVertexProcessing. Если в компьютере нет полноценного или вообще никакого GPU, то Pipeline будет симулироваться внутри OpenGL/DirectX, используя для всех расчётов CPU. В этом случае данные термины - Vertex Shader, T&L Engine, HSSL/Cg - не имеют никакого смысла и лучше говорить о CPU-Графике - HEL und HAL.

Vertex Shader = каскад последовательно включенных микропроцессоров внутри GPU. Современные GPU содержат до 8 таких каскадов параллельно: программа, написанная на HLSL или для Vertex Shader, также называется Vertex Shader.
Задача Vertex Shader : преобразование 3D-треугольников (в мировых координатах) в 2D-треугольники (в экранных координатах).
Процессы в Vertex Shader : Tesselation (триангуляция), координатная трансформация, 3D-Scroll+Zoom+Rotation, Clipping, Back Face Culling.
T&L Engine - Transform & Light Engine - Fixed Vector Pipeline - наименование от одного до 8 параллельных Vertex Shader, которые программируются через заранее прошитые алгоритмы (Firmware), не дающиие большой свободы, но при этом значительно более быстрые. Управление этими Firmware осуществляется из вне, через:
a) флаги состояний, Пример: device.Lights.Enabled = true; и
b) 3x3-матрицы, Пример: device.Transform.View = Matrix.LookAtLH(new Vector3(0f, 0f,-4f),
new Vector3(0f, 0f, 0f),
new Vector3(0f, 1f, 0f)); .

Clipping = обрезка линий и конвексных Полигонов по границе экрана через алгоритм Коена-Сазерленда.
Back Face Culling : примерно 50% треугольников обращены к наблюдателю тыльной стороной - если эти полигоны выбросить из рассчетов, то это ускорит растровые операции примерно в двое.
Pixel-Shader = Rasterizer = включенный после Vertex-Shader специальный процессор графического чипа, специализирующийся на растровой графике = текстурирование и отрисовка (рендер) отдельного Пиксела, программируется через HLSL или , в графическом чипе содержится до 32-х параллельных Pixel-Shader.
Texture = деформация растрового прямоугольника так, что он умещается в заданный Полигон.
BitBlitter = сокращение от Bit Block Transfer = добавление растеризованных Шрифтов, линий, четырехугольников, эллипсов и т.д.
Z-Test = Depth Test = Удаление скрытых Пикселей.
Alpha & Color Blending = наложение масок прозрачности.
Fog = добавление тумана в зависимости от расстояния между наблюдателем и объектом.
Dithering = сглаживание цветов.

HEL и HAL

При установке Драйвера Графических карт, звуковых карт, джойстиков и т.д. определятся в операционной системе в форме Device Driver Interface DDI. С помощью определенного DDIs каждая DirectX-Библиотека при старте инициализирует один Hardware Emulation Layer HEL и один Hardware Abstraction Layer HAL. HEL содержит низкоуровневые вызовы базовых функций и кода CPU. HAL содержит внешние, автономные микро-программы для Графических, звуковых карт и т.д. HAL имеет более высокий приоритет исполнения, чем HEL, но приэтом все библиотечные вызовы выполняются, даже тогда, когда HAL мало что может. HEL-Графика, HEL-Анимация, HEL-Звук, HEL-Видео и пр., как правило медленны в исполнении, но они гарантированно исполнимы.
Производители CPU - Intel и AMD конкурируют с производителями Графических и Мультимедийных карт. Они постоянно улучшают графическую и звуковые компоненты и общую архитектуру CPU, для того чтобы усилить HEL против HAL. И делают это с большим успехом: в простых играх и мультимедиа трудно заметить разницу в производительности, и для офисных приложений достаточно обычного on-board-Videocontroller без отдельной видео-памяти (используется общая память).

Пример: прорисовка через GDI+ или DirectDraw HEL/HAL Существует три пути, чтобы что-то нарисовать: 1) обычный Windows-вызов без DirectX работает через GDI+ und DDI. Пример: graphics.DrawLine(mypen, 0, 0, 100, 100); 2) через DirectDraw, HEL и DDI 3) через DirectDraw и HAL Если вариант 3) существует, то 2) закрыт. 3) быстрее, чем 2) и 2) быстрее, чем 1) . GDI+ и DirectDraw-команды можно свободно смешивать. GDI+ Info : http://msdn.microsoft.com/library/GDIPlus.asp

Direct3D Device

это важнейший Direct3D-Класс, который непосредственно управляет Графической Картой. Его главная функция - Device.Present , переключать BackBuffer Графической Карты на FrontBuffer и таким образом отображать прорисованную функцию на мониторе.
Далее этот класс содержит Свойства/Функции как для Векторной Графики (Viewport, Vertex Format, Transform) так и для Растровой Графики (Material, Texture, адресса и длины для Output-Buffer).
При старте любой программы, использующей Direct3D, создается данный класс и резервиуются ресурсы и права доступа к Графической Карте.

DirectX, Windows 7 / 8

Начиная с W7 весь пользовательский интерфейс базируется на DirectX. Таким образом, DirectX уже не просто графическая библиотека, а основная часть операционной системы. Microsoft предписывает разработчикам графических чипов детальный план необходимой функциональности, которому должны соответствовать все драйвера, находящиеся между операционной системой и DirectX. Производители не имеют особых вариантов - они обязаны следовать предписаниям Microsoft, иначе они теряют рынок Windows-машин. см: Windows Display Driver Model WDDM W7 Display Driver Model Windows Driver Kit (WDK)

Плюсы :
1) Mожно положиться на то, что W7 использует Графическое железо по полной. Не существует ни DDI не HEL, а только HAL.
2) Mожно быть уверенным, любой драйвер для W7 предлагает минимальный набор команд "Direct3D 10".
3) Пользовательский интерфейс W7 предлагает быструю высококачественную графику, прозрачность, анимацию, 3D и видео.
4) Интернет-Страницы могут использовать WPF для быстрой DirectX-Графики.

Минусы :
1) Старые Графические карты, принтера, сканеры, не имеющие DirectX10.1-драйвера не будут работать под W7.
2) Старые DirectX-игры, как правило не работают под W7.

Windows Presentation Foundation WPF

Основными элементами W7-Графики являются:
a) Desktop Window Manager = DWM
b) Windows W7 Display Driver Model = WVDDM или короче WDDM, поддерживаемые W7-Графическими картами.
Работает так:
1.) Все окна и графические элементы (включая шрифты) в W7 - это Векторная Графика.
2.) Данные и команды Векторной Графики хранятся, управляются и позиционируются через DVM.
3.) DVM передает данные и команды WVDDM-драйверу.
4.) Драйвер преобразует все в формат данных и команд DirectX и загружает это все в свою Графическую карту.
5.) Графический пайплайн на карте отрисовывает картинку автономно (без участия CPU) с максимальной скоростью в Back-Buffer.
6.) как только Back-Buffer заполнен, Графическая карта переключает его как в состояние Front-Buffer для вывода на экран.