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圖形世界分裂的兩派——理清D3D和OpenGL的脈絡(上)

圖形世界分裂的兩派——理清D3D和OpenGL的脈絡(上)

[圖形世界分裂的兩派]

計算機三維圖形是指將用數(shù)據(jù)描述的三維空間通過計算轉(zhuǎn)換成二維圖像并顯示或打印出來的技術(shù)，API(Application Programming Interface)即“應用程序接口”是連接應用程序與操作系統(tǒng)、實現(xiàn)對計算機硬件控制的紐帶，Direct3D和OpenGL是目前的兩大3D圖形 API，要在你的3D顯卡上進行3D特效的制作、實現(xiàn)都必須通過它們（Vooodoo迷們肯定對Glide接口記憶尤深，可惜已隨著3dfx的倒閉而作古，其它還有Heidi等接口）。關于D3D和OpenGL的理論知識可以寫一大堆厚厚的書，在這里我只為大家簡單介紹一下基礎知識，有興趣深入研究的朋友可以自己上網(wǎng)查詢相關資料。

Direct3D（D3D）

Direct 3D是基于微軟的通用對象模式COM（Common Object Mode）的3D圖形API。它是由微軟（Microsoft）一手樹立的3D API規(guī)范，微軟公司擁有該庫版權(quán)，它所有的語法定義包含在微軟提供的程序開發(fā)組件的幫助文件、源代碼中。Direct3D是微軟公司DirectX SDK集成開發(fā)包中的重要部分，適合多媒體、娛樂、即時3D動畫等廣泛和實用的3D圖形計算。自1996年發(fā)布以來，Direct3D以其良好的硬件兼容性和友好的編程方式很快得到了廣泛的認可，現(xiàn)在幾乎所有的具有3D圖形加速的主流顯示卡都對Direct3D提供良好的支持。但它也有缺陷，由于是以 COM接口形式提供的，所以較為復雜，穩(wěn)定性差，另外，目前只在Windows平臺上可用。

作為微軟DirectX技術(shù)的組件之一，Direct 3D也隨著DirectX的升級而不斷更新，同時在微軟的全力扶植下，Direct 3D技術(shù)的發(fā)展速度極快，DirectX 7：正式支持硬件T&L（光影變換）、DirectX 8：對Pixel Shader（像素著色器）Vertex Shader（頂點著色器）的支持、DirectX 9：提供2.0版本的可編程頂點和像素著色模式，顯卡硬件廠商也紛紛以對最新的D3D特效的硬件支持為賣點。遺憾的是，由于平臺的局限性等原因，D3D應用至今仍主要集中于游戲和多媒體方面，專業(yè)高端繪圖應用方面，老牌的3D API---OpenGL仍是主角。

OpenGL

OpenGL的英文全稱是“Open Graphics Library”即“開放的圖形程序接口”，它是計算機工業(yè)標準應用程序接口，主要用于定義二維三維圖形。

OpenGL是一套底層三維圖形API，之所以稱之為底層API，是因為它沒有提供幾何實體圖元，不能直接用以描述場景。但通過一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便的將AutoCAD、3DS等圖形設計軟件制作的DFX和3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點數(shù)據(jù)。

OpenGL是與硬件無關的軟件接口，使用它圖形軟件生產(chǎn)廠商再不用為各種不同的機型開發(fā)設計不同的軟件，只要操作系統(tǒng)使用了OpenGL適配器就可以達到相同的效果，它是一個開放圖形庫，目前在Windows、MacOS、OS/2、Unix/X-Windows等系統(tǒng)下均可使用，且僅在窗口相關部分（系統(tǒng)相關）略有差異，因此具有良好的可移植性，同時調(diào)用方法簡潔明了，深受好評，應用廣泛。OpenGL能在網(wǎng)絡環(huán)境下以客戶機/服務器模式工作，充分發(fā)揮集群運算的威力，是專業(yè)圖形處理、科學計算等高端應用領域的標準圖形庫。

將OpenGL稱之為SGI的OpenGL毫不為過，它源于SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRIS GL，在跨平臺移植過程中發(fā)展成為OpenGL。SGI在1992年7月發(fā)布1.0版，后成為工業(yè)標準，由成立于1992年的獨立財團OpenGL Architecture Review Board (ARB)控制。SGI等ARB成員以投票方式產(chǎn)生標準，并制成規(guī)范文檔(Specification)公布，各軟硬件廠商據(jù)此開發(fā)自己系統(tǒng)上的實現(xiàn)。只有通過了ARB規(guī)范全部測試的實現(xiàn)才能稱為OpenGL，現(xiàn)在的ARB投票成員包括SGI、Intel、IBM、nVIDIA、ATi、 Microsoft、Apple等業(yè)界群英。2001年8月ARB批準了1.1版本，最新版規(guī)范是2002年7月24日通過的1.4版本。

看完了上面關于D3D和OpenGL的介紹，可能會給人這樣一種印象：D3D和OpenGL井水不犯河水，一個定位于高端工業(yè)標準，一個定位于低端娛樂，互不相干，但其實它們暗底下早就已經(jīng)開始在較勁了。

雖然早在WinNT 3.51 時代，Microsoft就已經(jīng)實現(xiàn)了它的OpenGL 版本，但卻不肯隨其Windows95 提供，稱該API 只適合高端應用，而Win95面向一般消費者，用不到。但后來大名鼎鼎的ID Software 的高手，DOOM、Quake之父John Carmack在開發(fā)下一代三維圖形引擎時戲稱Direct 3D為可怕的、支離破碎的API，并極力建議采用OpenGL，此后以他為代表的一大批游戲開發(fā)人員開始多方呼吁MS積極支持OpenGL。 Microsoft終于在Win95的OSR2版本里集成了OpenGL。

1999年SGI宣布與Microsoft合作開發(fā)Ferihant，即Windows的下一代圖形處理體系，包括DirectX與OpenGL的低級圖形處理接口和以場景圖支持為特點的高級接口，并且就此停止對其在Windows下的OpenGL實現(xiàn)的支持以示決心。此舉舉世矚目，大家都以為 Windows圖形處理快要過上幸福生活了，然而，不久，SGI宣布中止合作，并撤回派出的科學家，F(xiàn)erihant基本上夭折。SGI 稱終止合作的原因是Microsoft不肯積極合作，光想把SGI 的技術(shù)合并進DirectX，真正內(nèi)幕不詳。不過以SGI在圖形處理界的老大地位來說，還是有幾分可信度的，因為Microsoft最初支持OpenGL 就不積極。

由于要考慮到團隊中大多數(shù)人的利益，由ARB架構(gòu)檢查委員會維護的OpenGL總是停滯不前，唯一的進展僅是OpenGL擴展指令的推出。這些擴展指令是一些繪圖功能，像是ClearCoat、Multisample、視頻及繪圖的整合工具（某些是通過OpenML的努力而開發(fā)出來的，它本身屬于 OpenGL ARB擴展指令之一）。這正好給也是ARB成員之一的Microsoft找到了借口，他抱怨ARB對市場的反映極為遲鈍，因而拋開OpenGL，頃其所有的開發(fā)資源，獨自全力投入使DirectX成為高端繪圖、與游戲開發(fā)API的工作上。

D3D和OpenGL的互相滲透也早已初露端倪，你可以在市面上看到不少采用OpenGL的游戲如QuakeIII、重返德軍總部等等，也可以看到Direct 3D憑著自身的優(yōu)勢，在3DS Max上漸漸超越OpenGL，關于這方面具體的介紹會在文章后面部分講到。

OpenGL與DirectX代表著繪圖世界分裂的兩派。
[它們?nèi)绾喂ぷ鳎縘

前面我們已經(jīng)看到，由于種種原因，我們不得不接受兩個3D API的現(xiàn)實。雖然如此，顯卡對D3D和OpenGL的支持卻不是分裂的，聰明的硬件廠商有辦法讓它的顯示芯片很完美的同時提供對D3D和OpenGL的硬件支持。說到這里，我們不得不感謝nVIDIA，除了對D3D的支持，從它的Riva128芯片組開始，nVIDIA就提供對OpenGL的極佳的支持。現(xiàn)在，我們的主板上不必插上Direct3D和OpenGL兩塊顯卡，也不必不時把VGA接口從一塊顯卡換到另一塊顯卡，能夠避免這樣恐怖的情景，這真是值得欣慰的。還記得嗎？Voodoo讓2D和Glide統(tǒng)一的方式是插兩塊顯卡再用一根信號連接線將它們連起來。

游戲程序員們曾經(jīng)對OpenGL的技術(shù)和畫質(zhì)推崇倍至，以至于微軟被迫在Windows系統(tǒng)中引入OpenGL，并且在Windows平臺上出現(xiàn)了 Quake II、QuakeIII、重返德軍總部等一批優(yōu)秀的基于OpenGL API的游戲，而同時期的D3D游戲沒有哪一款能在畫質(zhì)上超越這些OpenGL游戲的，一直到微軟發(fā)布DirectX 7，這種情況還是沒有發(fā)生多大的改變，DirectX只是作為一個能用于快速開發(fā)游戲的API而存在著，但是當微軟在2001年發(fā)布了DirectX 8以后，局面終于被扭轉(zhuǎn)了，DirectX 8是DirectX發(fā)展史上一個里程碑式的產(chǎn)品，它在2D、3D、視頻、音頻以及交互式輸入設備接口方面進行了許多重要的改進，其中，在3D圖形處理方面尤其做了劃時代的改進，可以說，作為一個游戲API，D3D 8已經(jīng)超越了OpenGL。出現(xiàn)這樣的情況決非偶然：OpenGL是由ARB這一官僚機構(gòu)管理的，官僚主義帶來的自然是OpenGL發(fā)展的停滯不前，以至于在OpenGL 1.0推出后的相當長的一段時間里，OpenGL唯一做的只是增加了一些擴展指令集，可笑的是最新的OpenGL 1.4中的一項Vertex編程框架技術(shù)還被同為ARB成員之一的微軟指控侵犯了DirectX 8的專利；而Direct3D這邊卻得到了微軟傾盡全力支持，技術(shù)更新極快。不超越OpenGL才怪呢。

DirectX 7在處理3D的時候是遵循一種傳統(tǒng)的方式：

CPU頂點數(shù)據(jù)---〉 T&L引擎---〉裁減/三角形設置/光柵化---〉多紋理混合處理---〉霧混合---〉透明度/模板和深度測試---〉幀緩沖

上面是傳統(tǒng)（如DirectX 7和OpenGL 1.2）3D圖形處理流水線的情況，雖然這種架構(gòu)在多年的實踐中被證明是一種高效率的3D圖形處理方式，在硬件上容易實現(xiàn)，編程也相對簡單。但是采用這種方式，軟件開發(fā)人員不可能干預3D圖形處理的過程，他們惟一要做的工作就是將硬件支持的各種效果事先規(guī)劃好，再送入3D流水線進行處理。3D圖形處理器所能完成的工作在硬件設計好以后就不能被改變了。可以說這種結(jié)構(gòu)在很大程度上制約了軟件開發(fā)者的想象力和創(chuàng)造力。而DirectX 8在傳統(tǒng)3D圖形處理流水線中的兩個地方進行了改進，增加了“可編程”特性：

CPU頂點數(shù)據(jù)---〉 Vertex Shader、T&L引擎---〉裁減/三角形設置/光柵化---〉Pixel Shader、多紋理混合處理---〉霧混合---〉透明度/模板和深度測試---〉幀緩沖

上面就是DirectX 8可編程3D圖形處理流水線的示意圖。與過去的處理方式相比，DirectX 8對兩個部分進行了改進：一個可編程的Vertex Shader（頂點著色引擎）代替了過去的幾何變換和光源處理（T&L）引擎；而可編程的Pixel Shader（像素著色引擎）則加入了過去的紋理處理流水線。

當然未來的走向還有可能變化。采用像素著色與頂點著色的缺點，在于并無標準的可編程能力供繪圖硬件之用，以至于DirectX 9未正式出現(xiàn)之前，兩大GPU制造商Nvidia與ATI在DirectX的運用上已經(jīng)分道揚鑣了，這可能會對Direct3D產(chǎn)生不利的局面。 OpenGL則不甘示弱，即將出臺的OpenGL 2.0會試圖將穩(wěn)定性及開放標準，帶至可編程繪圖及GPU上，很可能再次全面超越DirectX。一些人懷疑Microsoft聲稱擁有OpenGL 2.0部分功能專利權(quán)，OpenGL 2.0將是OpenGL下一個重要修正版。

毫無疑問，目前的市場上，娛樂級的3D顯卡競爭是最激烈的，目前能夠完全硬件支持DirectX 8的顯卡主要有：nVIDIA的Geforce3以上、ATi的Radeon8500以上級別的顯卡以及SiS的Xabre、Matrox Parhelia-512等其它廠商的顯卡。而考慮到性價比等因素，只有nVIDIA、ATi兩大顯卡領域的領頭羊是最佳選擇。要想發(fā)揮nVIDIA、 ATi的3D性能，用好它們的驅(qū)動程序也是極其重要的，關于nVIDIA、ATi驅(qū)動程序版本及D3D、OpenGL支持情況、設置界面我們會在后面的應用篇講到。
[細談D3D、OpenGL]

如果你對各顯卡硬件廠商系列顯卡的發(fā)展史知之甚少，識別一塊顯卡對D3D和OpenGL的支持情況，最直接的方法就是看它的規(guī)格說明。

以這塊麗臺Quadro4 550 XGL專業(yè)顯卡為例：

麗臺Quadro4 550 XGL

隨卡的說明書上標明“麗臺Quadro4 550 XGL的產(chǎn)品特性:硬體疊覆平面、硬體防鋸齒線條、雙面投影、全景防鋸齒、第二代閉塞選擇、第二代光速記憶體架構(gòu)、單一顯示器支援 2048x1536、第二代nfiniteFX引擎、硬體支援Microsoft? DirectX? 8 和 OpenGL? 1.3。”很清楚，這是一塊硬件支持DirectX 8和OpenGL 1.3的Quadro4核心的顯卡，千萬不要被JS的花言巧語蒙騙了。

讓我們先選擇一款現(xiàn)在最流行的《魔獸爭霸III》游戲來試試D3D和OpenGL吧。《魔獸爭霸III》是今年剛推出的全3D的游戲，《魔獸爭霸III》默認啟動DX8.1的D3D模式,但還有一種模式就是OpenGL的3D模式, 并不是暴雪公司不愿意設它為主要模式,而是OpenGL是屬于專業(yè)三維,有一部分游戲顯卡還不支持或不完全支持這個功能。要想打開OpenGL模式，我們需要編輯一下《魔獸爭霸III》的快捷方式，在exe文件后面加上-opengl參數(shù)，再運行快捷方式進入游戲即可。要想返回D3D模式，也只要把- opengl參數(shù)去掉即可。

D3D截圖

OpenGL截圖

OpenGL模式與D3D模式相比，唯一比較明顯的就是字體變得有些模糊。

D3D截圖

OpenGL截圖

從游戲截圖中我們可以看到D3D和OpenGL模式下，游戲畫面幾乎沒有任何區(qū)別。設計兩個API的作用在于，在你的顯卡運行某個API出現(xiàn)貼圖錯誤或者或者運行速度跟不上時可以試著切換另一個API來糾正，據(jù)說在OpenGL運行《魔獸爭霸III》并在控制面板中啟用OpenGL的"MIP線性過濾功能 "（MIP就是快速線性圖像處理）可以提升游戲速度10%。
[再聊專業(yè)應用]

再來看看D3D和OpenGL在3DS MAX 5.0中的表現(xiàn)（使用顯卡：Geforce3 Ti500）。

3D Studio MAX 5.0是Discreet公司今年6月份發(fā)布的最新三維動畫創(chuàng)作軟件。3DS MAX在全球有數(shù)以百萬計的使用者，超過了其它幾種主要3D動畫軟件的用戶總數(shù)。同時，3DS MAX也是在專業(yè)軟件中為用戶考慮最多的軟件之一，在它支持的圖形標準上就可以看出這一點。3DS MAX共支持4種3D顯示接口，分別是Heidi、OpenGL、Direct3D和 Custom。其中Heidi是由AutoDesk公司自己開發(fā)的3D API，缺省情況下采用軟件方式進行3D模型的顯示，雖然能夠顯示的效果有限，不過由于Heidi的效率出奇的高，因此它對于顯卡硬件功能和性能較弱的用戶來說還是不錯的。OpenGL是目前主流的3D API，3DS MAX毫無保留的對此提供了支持。OpenGL效率很高，它可以很好的利用硬件性能（包括硬件T&L）來加速模型的顯示。在DirectX 8未推出以前，OpenGL也是能夠顯示最多效果的3D API。在3DS MAX中，Direct3D過去主要是為了使不支持OpenGL的低端顯卡能夠用來對動畫制作進行加速。不過，由于過去Direct3D的效率不高，功能有限，而且采用這種方案的用戶也不多，因此長期以來沒有得到足夠的重視。直到支持DirectX 8的3DS MAX 4和Geforce3顯卡的推出，才使這種情況發(fā)生了極大的變化。和之前的4.X系列不同的是，MAX 5.0已經(jīng)把一些基本的硬件Vertex、Pixel Shader Plug-in默認地加載了，當采用Direct 3D驅(qū)動模式的時候，我們就能應用上硬件Shader帶來的好處了。在3D Studio MAX 5.0目錄的scenes、Version5Features、DirectXFeatures文件夾下有兩個應用了DirectX 8特性的模型，它們利用了Pixel Shader的貼圖，表現(xiàn)出了極其逼真的環(huán)境反射效果等（詳見下圖）。這樣的實時渲染效果已經(jīng)極其接近于最終的渲染效果，這是目前的標準OpenGL接口所做不到的。

如果你使用的是nVIDIA Quadro系列的顯卡，也可以考慮用基于OpenGL的專業(yè)的MAXtreme來代替標準的OpenGL接口，與3DS MAX提供的標準OpenGL接口相比，MAXtreme能夠提供更多的效果和更好的性能，如高質(zhì)量透明度、真實感覺的霧化效果、各種紋理過濾方式等。另外，MAXtreme對于顯示的加速作用是十分明顯的，在MAXtreme中打開Triangle Strip選項可以使復雜線框模式下顯示性能提高50%以上。

3DS MAX共支持4種3D顯示接口，支持DirectX 8.1（配合Geforce3以上顯卡）

3DS MAX 5.0的D3D和OpenGL設置窗口

biplane.max模型的DirectX 8和標準OpenGL的實時顯示效果

TigerTank.max模型的DirectX 8實時顯示效果

TigerTank.max模型的標準OpenGL實時顯示效果

關于OpenGL和D3D的設置后的效果比較以及產(chǎn)生畫質(zhì)差異的原理分析：兩大API各有自己的特性，有相同又有不同之處，就好像子集與交集。比如 OpenGL 1.4的新功能包括深度紋理和陰影紋理，可以支持實時引擎和相關圖象渲染技術(shù)，一個Vertex編程框架，支持用戶定義幾何，光照和陰影程序的階段設置，支持高級一般應用Shading語言，支持自動紋理mipmap生成，同樣的增強功能還包括多繪圖陣列，Windows光柵定位，用戶定義霧表坐標軸和第二個顏色，點參數(shù)，LOD等等功能，而DirectX 8.1也包括Vertex編程。有興趣詳細比較的朋友可以訪問以下鏈接：

http://www.opengl.org/developers/documentation/OpenGL14.html

http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/nhp/Default.asp?contentid=28000410

目前的兩大主力娛樂級顯卡廠商：nVIDIA的顯示卡對兩大API的兼容性都極佳，由于對OpenGL的支持過于優(yōu)秀，nVIDIA甚至早就開始打入了專業(yè)顯卡領域。ATi在收購了FireGL以后也開始涉足專業(yè)顯卡。

從Geforce256開始，nVIDIA每推出一款圖形芯片，都會針對主流市場和專業(yè)市場推出不同的產(chǎn)品： Geforce256/Geforce2/Geforce2 MX/Geforce2 Pro/Geforce3對應Quadro/Quadro2/Quadro2 MXR/Quadro2 Pro/Quadro DCC。以前nVIDIA的Quadro系列產(chǎn)品都是由德國的ELSA公司獨家推出的。包括象ELSA Gloria DCC(NV20 Quadro DCC)、ELSA Gloria4(NV25)等產(chǎn)品。Geforce與Quadro和核心十分相近，一些硬件發(fā)燒友成功的將普通的Geforce顯卡修改為昂貴的 Quadro專業(yè)顯卡。
但這并不意味著現(xiàn)在的專業(yè)三維圖形卡與娛樂級顯卡差別不大，它們還是有很大的區(qū)別的。

專業(yè)顯卡需要的不僅僅是貼圖和渲染速度，作為專業(yè)級的顯卡，它必須具備如下幾個特點：1、單位時間內(nèi)處理三角形的能力要高；2、完善支持OpenGL； 3、具備極高的穩(wěn)定性和兼容性；4、3D處理流程的全硬件化；5、顯寸盡可能大；6、價格較昂貴。在執(zhí)行工業(yè)級應用程序時，設計人員絕對無法忍受任何不穩(wěn) 定、缺乏效率的繪圖系統(tǒng)，在圖像準確度與品質(zhì)上也毫不妥協(xié)。專業(yè)圖形加速卡的賣點恰恰不在于多邊形產(chǎn)生速度或像素填圖率等指標上，而是在調(diào)整驅(qū)動程序以及提供繪圖的精確性方面。這也是為什么專業(yè)圖形卡，特別是高端圖形卡價位高得離譜的最主要原因。高檔專業(yè)顯卡的驅(qū)動程序往往都帶有對所有OpenGL函數(shù)提供完善支持的OpenGL客戶端驅(qū)動程序（ICD），這些優(yōu)化程序使用其專業(yè)的接口，通過與專業(yè)軟件的“無縫”結(jié)合，對提高機械CAD、建筑、動畫、模擬等領域的工程師們的工作效率可以起到非常大的幫助。

目前的專業(yè)顯卡市場上：3Dlabs WildCat系列、ATi FireGL4牢牢占領了高端圖形卡市場；Elsa Gloria系列、ATi FireGL2在中端市場上占半壁江山（包括最新的Quadro4、Radeon 8800、FireGL X1）；Elsa的Synergy系列以超低價格搶占了低端市場，與3Dlabs Oxygen VX1/GVX1打得不亦樂乎。

根據(jù)以上我們對各種3D API的了解，我們在進行電腦硬件系統(tǒng)配置時應該從應用重點出發(fā)選擇顯示卡。如果我們的電腦在PⅡ 233以上機型，平時又主要用于一般文字處理和游戲，或者也業(yè)余搞些3D圖形制作等，那么可以選擇支持Direct 3D和OpenGL兩種3D API的AGP顯示卡;如果你的電腦準備用于專業(yè)性的3D圖形制作，那你必須考慮選擇除了支持D3D和OpenGL外還支持MAXtreme、HeiDi 的專業(yè)圖形卡了。從實際應用情況看，對于大部分電腦業(yè)余愛好者只要選擇能支持最常用的DirectX（Direct 3D）和OpenGL的3D顯示卡就可以了。另外，我們在選擇3D顯示卡時，要注意對比新產(chǎn)品廣告宣傳中所列舉的支持不同的3D API時的測試數(shù)據(jù)，同時注意所能支持的3D API類型和數(shù)量，具體到Direct 3D測試數(shù)據(jù)時還可以注意它究竟能支持多少項（D3D可以支持12種以上3D圖形處理效果）D3D的功能。

當你看到一個陌生的3D游戲畫面時，你能立刻看出它是基于D3D還是OpenGL的嗎？或許John Carmack可以，但我想我們大多數(shù)人都不能。我們需要知道的是我的應用程序需要哪種3D API才能運行得更有效率，哪種3D API可以讓我的游戲跑得更快更靚。

posted on 2006-01-06 22:32 苦行僧閱讀(3858) 評論(1) 編輯收藏引用所屬分類: 轉(zhuǎn)載

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# re: 圖形世界分裂的兩派——理清D3D和OpenGL的脈絡(上) 2006-04-10 21:22 microsoftxiao

你好，我想文下在游戲中使用.x .3ds .max文件也可以實時渲染嗎？回復更多評論

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