Tendinţe - PC Magazine Romania, Decembrie 2003

O nouă revoluţie

în interfeţele pentru programarea aplicaţiilor (API-urile) grafice

Rodica Baciu

În ultimele două decenii interesul pentru grafica cu calculatorul a crescut progresiv. În mod evident a crescut şi dorinţa dezvoltatorilor de aplicaţii grafice de a scrie aplicaţii capabile să ruleze pe o varietate de platforme având capacităţi grafice diferite. Un standard grafic uşurează această sarcină prin eliminarea necesităţii de a scrie un driver grafic distinct pentru fiecare platformă pe care rulează aplicaţia. În prezent există câteva standarde grafice pentru aplicaţiile grafice interactive 3D, şi anume OpenGL, PHIGS, PEX, IrisGL, Direct3D, RenderMan, etc. Printre aceste standarde OpenGL s-a bucurat în ultimul deceniu de o largă acceptare în lumea programatorilor.

Interfaţa grafică OpenGL

Efortul de definire a standardului grafic OpenGL (Open Graphics Library) a început în anii 1990 şi specificarea primei versiuni OpenGL s-a realizat în 1992. O implementare OpenGL poate fi în mod eficient găzduită la aproape orice nivel al hardware-ului grafic, de la memoria video de bază la cele mai sofisticate subsisteme grafice.

Specificaţia OpenGL este realizată de un consorţiu independent, OpenGL Architecture Review Board (ARB), printre ai cărui membrii se află Silicon Graphics şi Microsoft. Adăugările la specificaţii (prin extensii) sunt bine controlate de consorţiu şi actualizările propuse sunt anunţate din timp pentru ca dezvoltatorii să adopte modificările. Este asigurată compatibilitatea cu dezvoltările anterioare ale bibliotecii. În prezent s-a ajuns la versiunea 1.4.

Figura 1 arată schema fluxului de procesare OpenGL. Comenzile intră spre OpenGL prin stânga. Comenzile nu sunt altceva decât apeluri de funcţii şi proceduri OpenGL. Multe dintre comenzi pot fi acumulate în liste de display pentru o procesare ulterioară. În cazul în care se lucrează cu procesare imediată comenzile sunt transmise prin fluxul de procesare OpenGL.

Primul stadiu de procesare asigură o modalitate eficientă pentru aproximarea curbelor şi a suprafeţelor curbe prin evaluarea funcţiilor polinomiale ale valorilor de la intrare şi modelarea acestora prin primitive geometrice OpenGL(puncte, segmente de dreaptă şi poligoane). Acest stadiu este parcurs doar de acele comenzi utilizate pentru reprezentarea curbelor şi a suprafeţelor parametrice. Următorul nivel operează asupra primitivelor geometrice descrise prin coordonatele vârfurilor. În acest stadiu vârfurile sunt transformate, se aplică iluminarea şi primitivele sunt decupate faţă de volumul de vizualizare pentru a fi pregătite pentru nivelul următor - rasterizarea. Rasterizarea produce o serie de adrese şi de valori pentru memoria video utilizând descrierea 2D pentru punct, segment de dreaptă, sau poligon. Fiecare fragment (culoarea, coordonatele de textură şi adâncimea z pentru un pixel) alimentează nivelul următor care asigură operaţii asupra fragmentelor individuale înainte ca ele să modifice memoria video. Aceste operaţii includ actualizări condiţionale în memoria video pe baza noilor valori sau a valorilor de adâncime memorate anterior, amestecarea culorilor fragmentelor cu culorile memorate, precum şi mascarea şi celelalte operaţii logice asupra valorilor fragmentelor.

Procesarea pixelilor şi a imaginilor trece peste secţiunea de procesare a vârfurilor din flux pentru a transmite un bloc de fragmente în mod direct spre blocul de rasterizare şi blocul operaţiilor asupra fragmentelor individuale, determinând eventual ca un bloc de pixeli să fie scris direct în memoria video. Valorile pot fi deasemenea citite din memoria video sau copiate dintr-o porţiune a memoriei video în alta.

De la momentul apariţiei primei specificaţii OpenGL s-au realizat progrese mari în arhitectura hardware-ului grafic. Acesta se schimbă de la modelul unei maşini de stare fixe (pentru care lucra la început OpenGL) la cel al unei maşini de stare programabile.

Dorinţa de a demasca capacităţile extinse ale hardware-ului a condus la un vast număr de extensii care s-au scris pentru OpenGL, dar consecinţa neplăcută a acestui fapt este reducerea sau chiar eliminarea portabilităţii aplicaţiilor - unul din factorii cheie motivanţi pentru OpenGL.

O cale naturală de a reduce această complexitate şi proliferarea extensiilor este de a permite ca anumite nivele din fluxul de procesare OpenGL să fie înlocuite de nivele programabile de către utilizator. Aceasta s-a realizat la câteva extensii recente dar programarea este făcută în limbaj de asamblare, care este expresia directă a hardware-ului actual fără o privire în perspectivă. Aceasta nu este însă o soluţie viabilă, deoarece în mare parte, programatorii au renunţat la limbajul de asamblare în favoarea limbajelor de nivel înalt, pentru a câştiga productivitate, portabilitate şi uşurinţă în utilizare.

Hardware-ul grafic programabil

Până nu de mult sfera hardware-ului grafic programabil a aparţinut, în principal, cercetătorilor şi dezvoltatorilor driver-elor grafice. Programabilitatea de bază a hardware-ului nu a fost demascată, aşa că dezvoltatorii de aplicaţii au fost forţaţi în utilizarea unei funcţionalităţi fixe asigurată de API-urile grafice tradiţionale.

Motivele pentru care companiile producătoare de hardware nu au demascat fundamentul programabil al produselor lor sunt:

• educarea şi sprijinirea beneficiarilor pentru a utiliza nivelul de jos al interfeţelor specifice dispozitivului este un proces costisitor,
• aceste interfeţe de obicei se modifică radical cu fiecare nouă generaţie de hardware grafic,
• dezvoltatorii de aplicaţii care utilizează o asemenea interfaţă specifică dispozitivului, pentru o porţiune a hardware-ului grafic, sunt confruntaţi cu problema descurajantă a actualizării software-ului lor pentru fiecare nouă generaţie de hardware.
• dificultatea susţinerii aplicaţiei pentru hardware-uri de la diverşi furnizori.

Toate însă evoluează şi în acest moment dezvoltatorii de aplicaţii sunt cei care, mai mult ca niciodată, trag cortina, şi cer diferite caracteristici noi în hardware pentru a crea efecte de ecran tot mai spectaculoase. Ca rezultat, noile proiecte de hardware grafic sunt mai programabile decât au fost vreodată.

În acest moment, pentru dezvoltatorii de hardware a devenit mai uşor să susţină noile caracteristici cerute de dezvoltatorii de aplicaţii prin demascarea programabilităţii fundamentale a hardware-ului. Programabilitatea hardware-ului grafic aduce multe facilităţi în aplicaţiile grafice: reprezentarea mai realistă a materialelor, redarea fenomenelor naturale, îmbunătăţeşte texturarea, antialiasing mai bun, etc.

OpenGL Shading Language (sau GLslang)

Pentru a ţine pasul cu inovările la nivelul hardware-ului, fără însă a forţa programatorii să lucreze în limbaj de asamblare, soluţia oferită de firmele din domeniul grafic este un limbaj de nivel înalt pentru OpenGL, independent de hardware, uşor de utilizat, suficient de puternic pentru a trece testul timpului şi care va reduce drastic nevoia de extensii.

Aşa cum am arătat, tendinţa recentă în hardware-ul grafic este de a înlocui funcţionalitatea fixă cu programabilitatea în porţiuni ale fluxului de procesare care au devenit extrem de complexe - procesarea vârfurilor şi procesarea fragmentelor. GLslang a fost proiectat pentru a permite programatorilor de aplicaţii să exprime procesarea care apare în aceste puncte programabile ale fluxului OpenGL.

Dar de ce "shading language"?

Unităţile scrise în acest limbaj şi care sunt compilabile în mod independent sunt denumite shader-e. Un program este un set de shader-e care sunt compilate şi linkeditate împreună. Există unele dispute că shading (umbrire) are conotaţii de stabilire a nivelului intensităţii aşa că nu se potriveşte cu operaţiile pentru vârfuri. RenderMan însă nu face aceste distincţii şi nici DX8. S-a ales aşadar varianta de a continua cu utilizarea de shader ca termen general pentru un program care operează asupra unei părţi a fluxului grafic.

GLslang este bazat pe ANSI C şi are caracteristici similare cu RenderMan. Multe din caracteristicile C au fost păstrate cu excepţia cazurilor în care acestea intră în conflict cu performanţa sau uşurinţa în implementare a GLslang. C a fost extins cu tipuri de date matriceale şi vectoriale pentru a-l face mai concis pentru operaţiile tipice cerute de grafica 3D. GLslang include suport pentru bucle, apeluri de subrutine, şi expresii condiţionale. Au fost deasemenea împrumutate unele mecanisme din C++, cum ar fi supraîncărcarea funcţiilor, şi abilitatea de a declara variabile acolo unde este nevoie prima dată de ele şi nu obligatoriu la începutul blocului.

Idea acestui limbaj a fost lansată de firma 3Dlabs la conferinţa SIGGRAPH 2001. Firma 3Dlabs a realizat specificarea limbajului, compilatorul şi articole pe marginea limbajului. Specificarea limbajului GLslang a fost aprobată în 11 iunie 2003 ca extensie oficială ARB. ARB intenţionează să încorporeze GLslang în specificaţia de bază cât mai curând posibil - creând versiunea OpenGL 2.0. Firma 3Dlabs susţine acest efort şi preconizează chiar ca aceasta să aibă loc până la finele anului 2003.

Continuând tradiţia de compatibilitate "backwards", pe care au avut-o toate cele patru versiuni OpenGL, OpenGL 2.0 va fi un superset al lui OpenGL 1.4, astfel că aplicaţiile mai vechi vor rula pe acceleratoarele hardware cu drivere OpenGL 2.0 fără modificări.

Firma 3Dlabs este prima producătoare de drivere GLslang. Astfel Wildcat VP OpenGL are driver-e care adaugă suport preliminar pentru GLslang.

În figura 2 este evidenţiată relaţia dintre codul limbajului, compilator, driver şi hardware-ul grafic. Driver-ele OpenGL 2.0 existente pe plăcile grafice vor conţine compilatorul necesar transferării codului din limbaj de nivel înalt GLslang în limbaj maşină executabil de hardware-ul grafic programabil.

Concluzii

Este de aşteptat ca producătorii de hardware să lanseze pe piaţă hardware grafic care să suporte OpenGL 2.0, este de aşteptat ca ARB să includă cât mai curând specificaţiile noului limbaj în nucleul de bază şi este de aşteptat ca dezvoltatorii de aplicaţii să lanseze primele aplicaţii grafice care au la bază OpenGL 2.0. Şi nu în ultimul rând este de aşteptat ca programatorii din România să ţină pasul cu aceste noi provocări din lumea graficii.