开放图形库编程接口-OpenGL
2024-01-07 09:20:53 
阿炯
OpenGL（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，用来从简单的图形比特绘制复杂的三维景象。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。采用C语言开发并采用了多种协议授权。
The Industry's Foundation for High Performance Graphics.
OpenGL的高效实现（利用图形加速硬件）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。开放源代码函式库Mesa是一个纯基于软件的图形API，它的代码兼容于OpenGL。但由于许可证的原因，它只声称是一个“非常相似”的API。
OpenGL规范由1992年成立的OpenGL架构评审委员会（ARB）维护。ARB由一些对建立一个统一的、普遍可用的API特别感兴趣的公司组成。根据OpenGL官方网站，2002年6月的ARB投票成员包括3Dlabs、Apple Computer、ATI Technologies、Dell Computer、Evans & Sutherland、Hewlett-Packard、IBM、Intel、Matrox、NVIDIA、SGI和Sun Microsystems，Microsoft曾是创立成员之一，但已于2003年3月退出。
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。其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。
图形流水线
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和谷歌的一般性科技公司。
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。
相关程序库
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。还有几个库也建立在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，可以建立实时可视化仿真程序。
另有Mesa、Vulkan、WebGL。
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（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，提供许多OpenGL辅助对象
wxWidgets：跨平台 C++ 窗口组件库
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（包括透明的网络）
WGL - Microsoft Windows
另外，GLUT库能够以可移植的方式提供基本的窗口功能。
历史
20世纪80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IRIS GL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软件发展提供更高层次的平台。
1992年，SGI公司领导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。
版本
OpenGL进化自（而且风格很相似）SGI的早期3D接口IRIS GL。IRIS GL的一个限制是它只能访问底层硬件提供的特性。如果图形硬件不支持例如纹理映射这样的功能，那么应用程序就不能使用它。OpenGL通过在软件上对硬件不支持的特性提供支持的方法克服了这个问题，允许应用程序在相对低配置的系统上使用高级的图形特性。Fahrenheit项目是Microsoft和SGI之间的联合行动，为了统一OpenGL和Direct3D接口的目的。它一开始提出了一些把规则带给交互3D计算机图形API世界的承诺，但因为SGI的财政限制，这个项目后来被放弃了。
2002年微软的DirectX 9提出了全新的Shader绘图功能以及高阶着色语言（HLSL），OpenGL霸主地位开始被瓦解。这使得3DLabs了解到必须开发全新的OpenGL 2.0版本，但仅加入支持GLSL的功能。2006年Khronos接手OpenGL，立刻着手发展Longs Peak与Mount Evans。2008年推出OpenGL 3，但评价普遍不高。2010年3月10日, OpenGL同时推出了3.3和4.0版本，同年7月26日又发布了4.1版本。2011年8月8日发布4.2版本。2013年发布4.3版。
相关文档
OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 4.3（8th Edition 2013）. Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0321773036.
OpenGL Shading Language (3rd Edition 2009). Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0321637635
open.gl
learnopengl-cn(中文，GLFW，GLAD)
最新版本：
官方主页：https://www.opengl.org/
The Industry's Foundation for High Performance Graphics.
OpenGL的高效实现（利用图形加速硬件）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。开放源代码函式库Mesa是一个纯基于软件的图形API，它的代码兼容于OpenGL。但由于许可证的原因，它只声称是一个“非常相似”的API。
OpenGL规范由1992年成立的OpenGL架构评审委员会（ARB）维护。ARB由一些对建立一个统一的、普遍可用的API特别感兴趣的公司组成。根据OpenGL官方网站，2002年6月的ARB投票成员包括3Dlabs、Apple Computer、ATI Technologies、Dell Computer、Evans & Sutherland、Hewlett-Packard、IBM、Intel、Matrox、NVIDIA、SGI和Sun Microsystems，Microsoft曾是创立成员之一，但已于2003年3月退出。
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。其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。
图形流水线
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和谷歌的一般性科技公司。
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。
相关程序库
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。还有几个库也建立在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，可以建立实时可视化仿真程序。
另有Mesa、Vulkan、WebGL。
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（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，提供许多OpenGL辅助对象
wxWidgets：跨平台 C++ 窗口组件库
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（包括透明的网络）
WGL - Microsoft Windows
另外，GLUT库能够以可移植的方式提供基本的窗口功能。
历史
20世纪80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IRIS GL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软件发展提供更高层次的平台。
1992年，SGI公司领导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。
版本
OpenGL进化自（而且风格很相似）SGI的早期3D接口IRIS GL。IRIS GL的一个限制是它只能访问底层硬件提供的特性。如果图形硬件不支持例如纹理映射这样的功能，那么应用程序就不能使用它。OpenGL通过在软件上对硬件不支持的特性提供支持的方法克服了这个问题，允许应用程序在相对低配置的系统上使用高级的图形特性。Fahrenheit项目是Microsoft和SGI之间的联合行动，为了统一OpenGL和Direct3D接口的目的。它一开始提出了一些把规则带给交互3D计算机图形API世界的承诺，但因为SGI的财政限制，这个项目后来被放弃了。
2002年微软的DirectX 9提出了全新的Shader绘图功能以及高阶着色语言（HLSL），OpenGL霸主地位开始被瓦解。这使得3DLabs了解到必须开发全新的OpenGL 2.0版本，但仅加入支持GLSL的功能。2006年Khronos接手OpenGL，立刻着手发展Longs Peak与Mount Evans。2008年推出OpenGL 3，但评价普遍不高。2010年3月10日, OpenGL同时推出了3.3和4.0版本，同年7月26日又发布了4.1版本。2011年8月8日发布4.2版本。2013年发布4.3版。
| 主要版本 | 发布日期 | 重要变更 |
|---|---|---|
| 1.1 | 1997年1月 | |
| 1.2 | 1998年3月16日 | |
| 1.2.1 | 1998年10月14日 | |
| 1.3 | 2001年8月14日 | |
| 1.4 | 2002年7月24日 | |
| 1.5 | 2003年7月29日 | |
| 2.0 | 2004年9月7日 | |
| 2.1 | 2006年7月2日 | |
| 3.0 | 2008年8月11日 | |
| 3.1 | 2009年3月24日 | |
| 3.2 | 2009年8月3日 | |
| 3.3 | 2010年3月11日 | OpenGL 3.3与4.0版一起发布。 以体现硬件支持Direct3D 10的可能性。 |
| 4.0 | 2010年3月11日 | OpenGL 4.0与版本3.3一起发布。 它是为硬件设计的，以体现硬件支持Direct3D 11的可能性。 与OpenGL 3.0一样，这个版本的OpenGL包含大量相当无关紧要的扩展，旨在彻底揭示Direct3D 11级硬件的能力。 |
| 4.1 | 2010年7月26日 | |
| 4.2 | 2011年8月8日 | 支持的显卡：NVIDIA GeForce 400系列以上，AMD Radeon HD7000系列以上，Intel HD Graphics （第7代Ivy Bridge系列以上） AMD Radeon HD 6000 Series, AMD Radeon HD 7000 Series
|
| 4.3 | 2012年8月6日 | 支持的显卡：NVIDIA GeForce 400系列以上，AMD Radeon HD5000系列以上，Intel HD Graphics（第7.5代Haswell系列以上）
|
| 4.4 | 2013年7月22日 | 支持的显卡：NVIDIA GeForce 400系列以上，AMD Radeon HD5000系列以上，Intel HD Graphics（第7.5代Haswell系列以上）
|
| 4.5 | 2014年8月11日 | 支持的显卡：NVIDIA GeForce 400系列以上，AMD Radeon HD7000系列以上，Intel HD Graphics（第8代Broadwell系列以上），Tegra K1, Tegra X1
|
| 4.6 | 2017年7月31日 | 支持的显卡：NVIDIA GeForce 400系列以上（理论上可支持）
|
相关文档
OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 4.3（8th Edition 2013）. Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0321773036.
OpenGL Shading Language (3rd Edition 2009). Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0321637635
open.gl
learnopengl-cn(中文，GLFW，GLAD)
最新版本：
官方主页：https://www.opengl.org/