OpenGL的核心与扩展.docx

OpenGL的核心与扩展
龚敏敏
OpenGL是一个具有工业强度、高性能、可移植的图形库。从游戏到虚拟现实，从手持设备到超级计算机，都可以看到OpenGL的身影。OpenGL是由一个核心和许多不同来源的扩展组成的。它们之间既有联系又有巨大的区别。由于种种原因，很多人把他们混为一谈，甚至不少长期使用OpenGL的用户都对此含混不清。希望本文能起到祈到拨乱反正、明确概念的作用。
OpenGL的核心
OpenGL的核心最早是由SGI开发，后来成立了独立的OpenGL架构评审委员会，也就是ARB，负责OpenGL核心规范的发布和维护。目前（2009年）核心的最新版本是3.2。一般常说的OpenGL版本，实际上指的就是OpenGL核心的版本。
到目前为止，OpenGL核心都保持着向下兼容，低版本核心是高版本的子集。每个新版本OpenGL核心都会增加一些功能。这些新增的功能一般来自扩展或扩展的变体。这个过程称为合并。在核心发展的过程中，有些扩展不加修改，直接合并；而有些扩展则是经过一定修改，或几个扩展进行适当组合后才合并入核心的。
在Windows平台上，微软提供了一个OpenGL 1.1的软件实现，所以在Windows上进行的开发都可以认为直接支持OpenGL 1.1。而对于更高版本的OpenGL，就必须和扩展一样通过动态载入来获取新增接口。
OpenGL的扩展
扩展是什么？
OpenGL最强大的力量之一就是它可以很容易的扩展，以支持新的硬件。扩展一般是由硬件厂商开发，独立于核心之外。扩展有自己的规范，为了不影响核心规范的可读性，扩展的规范不整合到核心规范中，而可以从OpenGL Extension Registry（http://www.opengl.org/registry/）得到。
为什么要用扩展？
使用OpenGL扩展机制，硬件厂商在他们的产品中实现了某个新特性，就可以通过开发新扩展来允许软件开发者访问扩充的功能和技术。扩展使OpenGL应用程序开发者可以使用超过官方OpenGL标准的特性。OpenGL扩展保持了现有的OpenGL API，并支持最新的图形硬件和渲染算法。Direct3D没有扩展机制，硬件的新功能需要等到微软发布新版本DirectX后才可能支持。
可扩展的特性也是John Carmack坚持使用OpenGL的原因之一（同样，不可扩展性也是他弃用Direct3D的原因之一）。
如何使用扩展？
扩展是因显卡而异，所以不能在编程的时候静态链接。一般都采用运行期动态载入的方式获取扩展。后文有专门的一节，讲解如何动态载入扩展。
如何阅读扩展规范？
要阅读扩展的规范，至少需要仔细看下面几个部分：
Name
扩展都有一个唯一的名字，这个名字由多个单词构成，单词之间由下划线隔开。名字以一个表示扩展开发者的前缀开始。这个前缀可以避免名字冲突，因为两个独立的组可能实现了同一个扩展。它也帮助鉴别谁提出了该扩展的使用。例如：SGIS_point_parameters是一个由Silicon Graphics提出的扩展。SGIS前缀属于Silicon Graphics。SGI使用SGIS前缀来标示扩展是已经被规范，而且可能不能在所有SGI硬件上都可用。以下是一些常见的前缀：
· ARB——由OpenGL ARB正式批准的扩展
· EXT——由多个OpenGL厂商支持的扩展
· HP
· IBM
· INTEL
· NV——NVIDIA
· MESA——Brian Paul开发的开放源代码OpenGL软件实现
· SGI——Silicon Graphics
· SGIX——Silicon Graphics（试验性质）
· SUN
· WIN——Microsoft
· ATI
Name Strings
名字字符串用于鉴别给定的OpenGL实现是否支持某个扩展。OpenGL 也支持依赖于窗口系统的扩展。标准OpenGL扩展的名字字符串的前缀是GL，X Window系统的前缀是GLX，而Win32系统的是WGL。
Overview
这段提供了一个简要的描述，扼要地介绍了扩展的功能。如果你想知道一个扩展是做什么用的，这段就是你最需要仔细看的。
New Procedures and Functions
这段列出了该扩展增加的新过程和函数的函数原型。注意规范中经常省略了前缀。
New Tokens
这段列出了扩展增加的标示（也叫枚举值），也是省略了前缀的。这些值在程序中应该用#define来定义。
常见的错误说法
xxx是y.z的扩展
正如前文所述，核心和扩展是分开发展的，所以不存在某个扩展属于某个版本的核心的说法。比如，GLSL是在发布OpenGL 1.5核心的时期发布的，但这并不能说GLSL是1.5的扩展，更不能说GLSL是OpenGL 1.5的功能。只有当扩展被合并入核心后，才能说它是OpenGL y.x的功能。（GLSL现在已经合并入OpenGL 2.0核心，所以可以说GLSL是OpenGL 2.0的功能了。）
OpenGL的SDK
由于OpenGL是跨平台、可扩展的，所以不可能像DirectX一样提供一个官方的SDK版本，OpenGL官方只提供规范。所有的函数生命和功能描述都可以从规范中找到。而且，由于不同硬件对OpenGL的支持不同，所以不能提供一个普遍适用的SDK，只能用动态载入的方式得到各个接口。
ARB扩展和核心没区别
ARB扩展也是扩展，只是它是由ARB做出的。一块显卡完全有理由支持OpenGL某个版本的核心，但不支持任何ARB扩展。虽然目前大部分ARB扩展的归宿是合并入核心，但在合并之前你也得把它当作一般的扩展来用。当然，也有些ARB扩展因为技术问题或历史问题被排除在了核心之外。所以很显然，两者截然不同。
高版本的功能都是扩展
这种错误的说法一般源于只使用Windows的用户。由于Windows平台的gl.h只支持OpenGL1.1。在这种情况下，高版本核心也得通过动态载入的方式才能获取接口，所以给人造成了都是扩展的错觉。虽然高版本的核心基本来自于扩展，但本质是不同的。另外在检测方法上，高版本核心和扩展也存在着一些区别。
动态载入
OpenGL本身不提供动态载入函数的方法，在不同平台上其方法也不同。在Windows平台上，我们可以使用wglGetProcAddress来载入扩展函数。它唯一的参数是要载入的扩展函数的名字，成功载入则返回函数的地址，否则返回NULL。在X Window平台上，一般使用GLX_ARB_get_proc_address扩展提供的glXGetProcAddressARB，它的参数和载入成功时的返回值与wglGetProcAddress相同。由于所有XWindows平台都必须提供GLX_ARB_get_proc_address，所以可以直接使用那个函数。同时，GLX_ARB_get_proc_address已经合并入GLX 1.4核心，所以在支持GLX 1.4的平台上可以使用glXGetProcAddress来代替原先的ARB版本。
要注意的是，glXGetProcAddressARB并没有保证当载入失败时返回NULL。所以，你必须通过预先检测的方法来知道一个功能是否可用，而不能单凭检测载入结果是否为NULL来判断。
载入核心
核心的载入要遵循
1. 检测核心版本号
2. 载入
的步骤。
获取核心版本号的代码如下：

string const ver(reinterpret_cast<const char*>(glGetString(GL_VERSION)));
string::size_type const pos(ver.find("."));

int majoy = ver[pos - 1] - '0';
int minor = ver[pos + 1] - '0';
glGetString(GL_VERSION)返回一个表示机器支持的OpenGL版本字符串。比如在我的机器上，它返回1.5.0。所以我们通过ver.find(".")搜索第一个'.'，它的前一个字符是主版本号，后一个字符是副版本号。得到版本号后，就可以根据版本号来载入小于等于那个版本的函数了。
GLX有自己的核心版本号，所以需要独立检测。GLX核心提供了一个简单的函数，可以直接返回版本号数字：

int major, minor;
glXQueryVersion(glXGetCurrentDisplay(), &major, &minor);
现在majoy和minor里就放置了主版本号和副版本号。
载入扩展
载入GL扩展
GL扩展指的是前缀为GL_的扩展。在所有平台上都有GL扩展的支持。它的载入要遵循
1. 检测是否支持该扩展
2. 载入
的步骤。
要获取机器支持的GL扩展字符串，可以调用glGetString(GL_EXTENSIONS)。它返回一个字符串，里面包含了所有支持的GL扩展的名字，之间以空格隔开。可以写一段这样的代码来进行分割：

vector<string> Split(string const & str)
{
vector<string> ret;

for (string::size_type offset = 0; offset != str.length();)
{
string::size_type const pos = str.find(' ', offset);
ret.push_back(str.substr(offset, pos - offset));

offset = pos + 1;
}

return ret;
}
经过分割，每一个扩展名称都作为单独的项存放在一个vector<string>中。所以，可以通过对它的查找来知道一个扩展的支持情况。当发现一个扩展被支持时，就可以载入属于那个扩展的函数。
载入WGL扩展
WGL扩展的检测比较特殊，因为获取WGL扩展字符串不是通过glGetString(GL_EXTENSIONS)，而是通过WGL_ARB_extensions_string扩展提供的wglGetExtensionsStringARB函数或WGL_EXT_extensions_string提供的wglGetExtensionsStringEXT函数来获得。这里就出现一个悖论：我们要通过检测扩展字符串才能知道是否支持一个扩展，而又需要一个扩展才能获得扩展字符串。所以这里我们只能利用wglGetProcAddress保证试图载入一个不存在的函数时返回NULL的特性来强制载入获取扩展字符串的函数：

typedef const char* (APIENTRY *wglGetExtensionsStringARBFUNC)(HDC hdc);
typedef const char* (APIENTRY *wglGetExtensionsStringEXTFUNC)(void);

wglGetExtensionsStringARBFUNC wglGetExtensionsStringARB
= (wglGetExtensionsStringARBFUNC)GLLoader_GetGLProcAddress("wglGetExtensionsStringARB");
if (wglGetExtensionsStringARB != NULL)
{
// 用wglGetExtensionsStringARB(wglGetCurrentDC())获得扩展字符串
}
else
{
wglGetExtensionsStringEXTFUNC wglGetExtensionsStringEXT = (wglGetExtensionsStringEXTFUNC)GLLoader_GetGLProcAddress("wglGetExtensionsStringEXT");
if (wglGetExtensionsStringEXT != NULL)
{
// 用wglGetExtensionsStringEXT()获得扩展字符串
}
}
返回了扩展字符串后，处理方法和GL扩展一样。
载入GLX扩展
GLX的扩展字符串是通过glXGetClientString(glXGetCurrentDisplay(), GLX_EXTENSIONS)得到。这个函数是GLX核心提供的，可以直接使用。
封装
从这里可以看出，动态载入的代码具有很强的代码重复性和复用性。如果把它们封装成一个库，就可以减少重复劳动，提高后续开发的效率。同时，一个封装后的库在稳定性和可靠性方便也更有优势。因此，我开发了一个开放源代码的载入库——GLLoader（