Изучаем возможности OpenGL

Все статьи / Изучаем возможности OpenGL

В статье глубже описана структура API OpenGL, обработка ошибок, работа с расширениями и получение информации о возможностях драйвера.

Структура API OpenGL

API OpenGL описан на языке C без применения C++ ради простоты и платформонезависимости. Он состоит только из функций, констант и примитивных типов, объявленных через typedef, таких как "typedef int GLenum;".

Функции делятся на две группы:

команды (англ. commands) для изменения состояния драйвера
запросы (англ. queries) состояния драйвера

Вот несколько примеров:

функция-команда void glClearColor(GLclampf red, GLclampf green, GLclampf blue, GLclampf alpha) устанавливает цвет очистки; RGBA компоненты цвета передаются как число с плавающей точкой на отрезке [0..1].
функция-команда void glClear() очищает буфер кадра путём заливки пикселей цветом очистки.
функция-запрос const GLubyte *glGetString(GLenum name) возвращает строковое значение некоторой константы или величины в видеодрайвере, выбор величины зависит от параметра name; при этом const GLubyte* можно преобразовать в const char* с помощью reinterpret_cast.
тип данных GLclampf означает “число с плавающей точкой на отрезке [0..1]”; при этом никаких проверок принадлежности диапазону компилятор делать не будет, потому что тип объявлен просто как typedef float GLclampf.

Функции-команды ничего не возвращают, даже статуса своего выполнения. Это даёт возможность выполнить команду асинхронно, не заставляя приложение ждать, пока видеодрайвер отправит данные на видеокарту и получит от неё ответ.

Обработка ошибок

OpenGL старательно обрабатывает ошибки, такие как “недопустимый аргумент”, “неправильная константа enum”, “несвоевременный вызов команды”. Узнать о наличии общей ошибки в одной из предыдущих функций-команд можно функцией-запросом GLenum glGetError().

Если функция возвращает GL_NO_ERROR, ошибок не было
В противном случае код ошибки обозначает категорию ошибки без конкретных указаний
Функция не только возвращает код ошибки, но и очищает флаг ошибки в драйвере

Условно, код может выглядеть так:

void ValidateGLErrors()
{
    GLenum error = glGetError();
    if (error != GL_NO_ERROR)
    {
        std::string message;
        // с помощью switch превращаем GLenum в строковое описание
        // печатаем строку или делаем ещё что-то в целях отладки
    }
}

Функцию можно улучшить, если учесть следующее:

Распечатать строку ошибки можно в поток ошибок std::cerr
Любую ошибку можно считать фатальной, вызывая std::abort для аварийного завершения программы после вывода текста ошибки
Функцию можно сделать статическим методом класса CUtils

Представим улучшенную версию:

void CUtils::ValidateOpenGLErrors()
{
	GLenum error = glGetError();
	if (error != GL_NO_ERROR)
	{
		std::string message;
		switch (error)
		{
		case GL_INVALID_ENUM:
			message = "invalid enum passed to GL function (GL_INVALID_ENUM)";
			break;
		case GL_INVALID_VALUE:
			message = "invalid parameter passed to GL function (GL_INVALID_VALUE)";
			break;
		case GL_INVALID_OPERATION:
			message = "cannot execute some of GL functions in current state (GL_INVALID_OPERATION)";
			break;
		case GL_STACK_OVERFLOW:
			message = "matrix stack overflow occured inside GL (GL_STACK_OVERFLOW)";
			break;
		case GL_STACK_UNDERFLOW:
			message = "matrix stack underflow occured inside GL (GL_STACK_UNDERFLOW)";
			break;
		case GL_OUT_OF_MEMORY:
			message = "no enough memory to execute GL function (GL_OUT_OF_MEMORY)";
			break;
		default:
			message = "error in some GL extension (framebuffers, shaders, etc)";
			break;
		}
		std::cerr << "OpenGL error: " << message << std::endl;
		std::abort();
	}
}

После добавления этого метода можно улучшить основной цикл приложения:

// Очистка буфера кадра, обновление и рисование сцены, вывод буфера кадра.
if (running)
{
	m_pImpl->Clear();
	const float deltaSeconds = chronometer.GrabDeltaTime();
	OnUpdateWindow(deltaSeconds);
	OnDrawWindow(m_pImpl->GetWindowSize());
	CUtils::ValidateOpenGLErrors();
	m_pImpl->SwapBuffers();
}

Расширения OpenGL

В целях максимальной гибкости, все изменения в OpenGL вносятся в виде расширений. Расширение OpenGL — это задокументированная спецификация, которая описывает новые функции и их поведение, изменения в поведении старых функций и новые константы. Каждое расширение имеет имя, например, "GL_ARB_multitexture". При выпуске новой версии OpenGL часть расширений попадает в новую версию и становится частью ядра OpenGL. Таким образом, в версии OpenGL 3.0 и выше вы автоматически получаете ряд возможностей, которые в OpenGL 1.2 были доступны только как расширения.

В UNIX-системах и на мобильных устройствах доступны достаточно свежие версии OpenGL (обычно 3.0 и выше), где многие важные расширения уже стали частью ядра стандарта.
В Windows версии старше OpenGL 1.1 напрямую недоступны, но разработчики драйверов дают доступ к ним через механизм расширений. Если видеодрайвер не установлен, будет доступен только OpenGL 1.1, обладающий весьма ограниченными возможностями.

Функция, описанная в расширении, может не существовать в конкретной реализации OpenGL (если она не поддерживает данное расширение). Поэтому программист должен

либо запросить адрес функции и использовать её, только если адрес ненулевой
либо проверить наличие поддержки расширения по его имени и потом смело запрашивать адреса описанных в расширении функций

В стандарте OpenGL не описан способ получения адреса, и каждая операционная система или мультимедийная библиотека предоставляет свой способ. В SDL2 есть функция void *SDL_GL_GetProcAddress(const char *proc), которая по имени OpenGL-функции возвращает её адрес или nullptr, если функция недоступна.

Получение информации о версии OpenGL

Один и тот же видеодрайвер может создать разные констексты с разными версиями OpenGL и разными наборами расширений. Поэтому получать версионную информацию следует уже после создания контекста.

Для получения информации мы применим функцию-запрос glGetString с тремя различными параметрами. На эту тему есть статья Get Context Info (opengl.org).

константа с именем GL_VERSION возвращает строку версии OpenGL, причём в начале строки обязательно стоит "<номер мажорной версии>.<номер минорной версии> ", а остальная часть строки не определена. Например, строка "3.0 Mesa 10.3.2" обозрачает “OpenGL версии 3.0, реализуемый подсистемой графики Mesa версии 10.3.2”.
константа с именем GL_VENDOR возвращает имя поставщика реализации OpenGL. Например, строка "Intel Open Source Technology Center" обозначает “Видеодрайвер предоставлен OpenSource-подразделением корпорации Intel”.
константа с именем GL_EXTENSIONS содержит полный список расширений, разделённый пробелами. Список обычно насчитывает свыше ста расширений.

Функция печати информации о контексте

void PrintOpenGLInfo()
{
    std::string version = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(GL_VERSION));
    std::string vendorInfo = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(GL_VENDOR));
    std::string extensionsInfo = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(GL_EXTENSIONS));
    std::cerr << "OpenGL version: " << version << std::endl;
    std::cerr << "OpenGL vendor: " << vendorInfo << std::endl;
    std::cerr << "Full OpenGL extensions list: " << extensionsInfo << std::endl;
}

Следуя “правилу трёх ударов”, можно отрефакторить этот код:

void PrintOpenGLInfo()
{
    auto printOpenGLString = [](const char *description, GLenum name) {
        std::string info = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(name));
        std::cerr << description << info << std::endl;
    };
    printOpenGLString("OpenGL version: ", GL_VERSION);
    printOpenGLString("OpenGL vendor: ", GL_VENDOR);
    printOpenGLString("Full OpenGL extensions list: ", GL_EXTENSIONS);
}

Библиотека GLEW

Сайт проекта: http://glew.sourceforge.net/
В Debian/Ubuntu доступна в пакете libglew-dev

Запрашивать функции и проверять расширения вручную не всегда удобно. Для решения этой типовой задачи создана библиотека GLEW (сокращение от “openGL Extensions Wrapper”). С помощью макросов и отложенной загрузки адресов функций эта библиотека позволяет использовать расширения так, как будто бы никаких расширений не существует:

вы просто вызываете функции по имени; если функции нет, произойдёт разыменование нулевого указания
также вы можете использовать модифицированное имя расширения (с префиксом “GLEW_” вместо “GL_”) как целочисленную переменную со значением 0 или 1; 1 означает, что расширение есть и доступно, 0 означает, что расширения нет или оно недоступно
если расширение недоступно, вы не должны вызывать функции расширения, чтобы не получить разыменование нулевого указателя
если при создании контекста OpenGL вы потребовали и получили контекст не ниже определённой версии, то можно даже не проверять расширения, вошедшие в эту версию: они есть.

Подключать заголовок glew.h следует до первого включения gl.h, иначе вы получите ошибку при компиляции.

// Правильно
#include <GL/glew.h>
#include <GL/gl.h>

// Неправильно!
#include <GL/gl.h>
#include <GL/glew.h>

Библиотека GLEW требует явного вызова функции glewInit для своей инициализации. Сделать вызов следует только один раз. Чтобы не накладывать на класс CAbstractWindow лишних ограничений, нужно гарантировать, что при первом конструировании объекта CAbstractWindow функция будет вызвана, а при последующих — уже нет. Также надо установить глобальную переменную-флаг glewExperimental, чтобы GLEW оборачивала функции из версий OpenGL 3.x и 4.x.

Для этой цели можно использовать два подхода

взять из стандартного заголовка <mutex> функцию std::call_once
завести в функции статическую переменную типа bool, которая будет устанавливаться в false в инициализаторе (который для статических переменных внутри функции вызывается ровно один раз)

В многопоточной среде было бы правильным использовать call_once, чтобы исключить возможность повторного вызова инициализации во время выполнения “glewInit” в другом потоке. Однако, ни контекст OpenGL, ни GLEW не могут использоваться из нескольких потоков одновременно. Поэтому call_once нам не потребуется, и достаточно статической переменной типа bool:

void CUtils::InitOnceGLEW()
{
	static bool didInit = false;
	if (!didInit)
	{
		glewExperimental = GL_TRUE;
		GLenum status = glewInit();
		if (status != GLEW_OK)
		{
			std::cerr << "GLEW initialization failed: " << glewGetErrorString(status) << std::endl;
			std::abort();
		}
	}
}

Узнаём о расширениях через GLEW

Читать полный список расширений, полученный через glGetString(GL_EXTENSIONS), не очень удобно. Сканировать его программно слишком трудоёмко в плане вычислений.

Для удобного получения расширений у GLEW есть переменные-флаги, которые устанавливаются при вызове glewInit(). Для проверки наличия расширения надо:

найти идентификатор расширения в реестре расширений (opengl.org), например, GL_ARB_vertex_shader
заменить префикс GL_ на GLEW_
написать проверку переменной-флага с таким именем

Теперь можно улучшить функцию PrintOpenGLInfo:

void PrintOpenGLInfo()
{
    auto printOpenGLString = [](const char *description, GLenum name) {
        std::string info = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(name));
        std::cerr << description << info << std::endl;
    };
    printOpenGLString("OpenGL version: ", GL_VERSION);
    printOpenGLString("OpenGL vendor: ", GL_VENDOR);

    if (GLEW_ARB_vertex_shader)
    {
        std::cerr << "Has vertex shaders" << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cerr << "Has no vertex shaders" << std::endl;
    }
    if (GLEW_ARB_fragment_shader)
    {
        std::cerr << "Has fragment shaders" << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cerr << "Has no fragment shaders" << std::endl;
    }
    if (GLEW_ARB_vertex_buffer_object)
    {
        std::cerr << "Has vertex buffers" << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cerr << "Has vertex busffers" << std::endl;
    }
    if (GLEW_ARB_framebuffer_object)
    {
        std::cerr << "Has framebuffers" << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cerr << "Has framebuffers" << std::endl;
    }
}

Рефакторим код:

void PrintOpenGLInfo()
{
    auto printOpenGLString = [](const char *description, GLenum name) {
        std::string info = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(name));
        std::cerr << description << info << std::endl;
    };
    printOpenGLString("OpenGL version: ", GL_VERSION);
    printOpenGLString("OpenGL vendor: ", GL_VENDOR);

    auto testExtension = [](const char *description, GLboolean supportFlag) {
        const char *prefix = supportFlag ? "Has " : "Has no ";
        std::cerr << prefix << description << std::endl;
    };
    testExtension("vertex shaders", GLEW_ARB_vertex_shader);
    testExtension("fragment shaders", GLEW_ARB_fragment_shader);
    testExtension("vertex buffers", GLEW_ARB_vertex_buffer_object);
    testExtension("framebuffers", GLEW_ARB_framebuffer_object);
}

На машине с Ubuntu 14.04 и встроенной видеокартой Intel программа выводит следующее:

OpenGL version: 3.0 Mesa 10.3.2
OpenGL vendor: Intel Open Source Technology Center
Has vertex shaders
Has fragment shaders
Has vertex buffers
Has framebuffers

На машине с Windows 8 и видеокартой Intel вывод отличается:

OpenGL version: 4.4.0 - Build 20.19.15.4377
OpenGL vendor: Intel
Has vertex shaders
Has fragment shaders
Has vertex buffers
Has framebuffers

Создаём работоспособное приложение

Код запроса версии OpenGL разместим в классе CWindow, потому что в дальнейших примерах нам уже не нужно будет печатать что-либо в консоль.

Файл Window.h

#pragma once
#include "AbstractWindow.h"

class CWindow : public CAbstractWindow
{
    // CAbstractWindow interface
protected:
    void OnWindowEvent(const SDL_Event &event) override;
    void OnUpdateWindow(float deltaSeconds) override;
    void OnDrawWindow(const glm::ivec2 &size) override;

private:
    void PrintOpenGLInfo();
};

листинг Window.cpp

#include "stdafx.h"
#include "Window.h"
#include <mutex>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <cctype>

namespace
{
std::once_flag g_didPrintOpenGLInfo;
}

void CWindow::OnWindowEvent(const SDL_Event &event)
{
    (void)event;
}

void CWindow::OnUpdateWindow(float deltaSeconds)
{
    (void)deltaSeconds;
}

void CWindow::OnDrawWindow(const glm::ivec2 &size)
{
    (void)size;
    std::call_once(g_didPrintOpenGLInfo, &CWindow::PrintOpenGLInfo, this);
}

void CWindow::PrintOpenGLInfo()
{
    auto printOpenGLString = [](const char *description, GLenum name) {
        std::string info = reinterpret_cast<const char *>(glGetString(name));
        std::cerr << description << info << std::endl;
    };
    printOpenGLString("OpenGL version: ", GL_VERSION);
    printOpenGLString("OpenGL vendor: ", GL_VENDOR);

    auto testExtension = [](const char *description, GLboolean supportFlag) {
        const char *prefix = supportFlag ? "Has " : "Has no ";
        std::cerr << prefix << description << std::endl;
    };
    testExtension("vertex shaders", GLEW_ARB_vertex_shader);
    testExtension("fragment shaders", GLEW_ARB_fragment_shader);
    testExtension("vertex buffers", GLEW_ARB_vertex_buffer_object);
    testExtension("framebuffers", GLEW_ARB_framebuffer_object);
}