Языки программирования трехмерной графики

Сравнительный анализ библиотек компьютерной трехмерной графики

Какие на сегодняшний день существуют аппаратно-ускоряемые библиотеки для создания компьютерной трехмерной графики? Конечно, любой специалист в области техники назовет DirectX и OpenGL. Проведем сравнительный анализ данных библиотек.

OpenGL и DirectX – основная информация

Во-первых, необходимо отметить, что все современные видеокарты имеют аппаратную поддержку возможностей и DirectX, и OpenGL последних версий, причем для совместимости с различными программными средствами (использующими ту или иную версию) производители встраивают в чипы реализацию сразу обеих библиотек. Причем можно с высокой степенью уверенности утверждать, что на аппаратном уровне реализация обеих библиотек выполнена настолько качественно, что ни одна из них не имеет значительно преимущества над другой. Различия между DirectX и OpenGL состоят в способе обработки графической информации, причем от версии к версии добавляются новые функции и возможности, позволяющие создавать более реалистичную графику.

Что же все-таки скрывается за словами OpenGL и DirectX? Слова эти именуют те самые Application Programming Interface (API — Интерфейс Прикладного Программирования), библиотеки для обработки графической информации и прямого доступа к железу («software interface to graphics hardware», как обозначаются они в спецификации). Из вышесказанного становится ясным, что данные библиотеки содержат набор уже однажды написанных функций, от самых простых (вывод точки на экран) до довольно сложных (построение готовых примитивов, например, пирамиды), которые применяются практически в каждой программе. Базовые функции реализованы аппаратно, в виде части графического процессора (Graphical Processing Unit, далее – GPU), а более сложные представляют собой программные модули, построенные на базовых командах. Видеокарта не всегда аппаратно поддерживает нужные для работы приложения функции, и в этом случае библиотека использует программные модули, эмулирующие требующиеся возможности. Однако необходимо отметить, что в контексте задачи, решаемой в настоящей работы, выполняемые операции относительно просты – например, не потребуется применения шейдерной графики – и, таким образом, можно сделать обоснованное предположение, что любая из доступных видеокарт будет аппаратно поддерживать все необходимые для работы приложения возможности.

Если попытаться объяснить понятным языком общую схему работы любой из библиотек, то она выглядит примерно так: предположим, требуется выполнить команду трилинейной фильтрации (Tri-linear Filtering – уменьшение искажения в картах текстур). Программа вызывает графическую часть DirectX (Direct3D или сокращенно D3D) и предает библиотечной функции данные и инструкции, в которых указывается, что нужно сделать с упомянутыми данными. Модуль библиотеки, отвечающий за работу с драйвером видеокарты, в свою очередь, передает ему необходимые данные и определяет, аппаратно или программно будет происходить требуемая обработка. Драйвер детектирует, что D3D данной версии полностью поддерживается на аппаратном уровне и передает на верхний уровень библиотеки ответ, что наличествует аппаратная поддержка. Дополнительно драйвер перенаправляет команды и информацию, полученную с программного уровня дальше вниз по так называемому «стеку обработки» – видеоадаптеру. Но на этой стадии разработчики видеокарты и драйвера могут внести в процесс свои коррективы. Например, Tri-linear Filtering – очень ресурсоемкая операция, поэтому на уровне драйверов она заменяется менее точной, но более быстрой Bri-linear Filtering (брилинейная фильтрация, реализована на картах фирмы ATi). Наконец, драйвер записывает в необходимые регистры GPU все данные, которые обрабатываются в соответствии с запросом, после чего в буфер отображаемого кадра (framebuffer) поступает двумерный кадр, который и выводится на монитор.

Конечно, такая схема работы довольно сложна, и теоретически прямое обращение к видеокарте могло бы иметь более простые интерфейсы при более высоком быстродействии, однако современные ОС полностью исключают прямой доступ к аппаратным частям компьютера. К тому же при прямом доступе к железу все операции по обработке графики проходят в разы быстрее, поскольку просчет производится непосредственно адаптером. Поэтому для работы с графической информацией и были написаны данные библиотеки, причем в разработке принимали участие многие крупные компании. Очевидно, что все – и производители, и разработчики, и потребители – были заинтересованы в стандартизации, другое дело, что исторически сложились два основных несовместимых друг с другом стандарта.

Основу обоих API составляют несколько файлов, в которых содержатся как низкоуровневые функции (типа вывода пикселя на экран), так и более сложные модули (типа рисования линии, состоящей из множества пикселей). Несмотря на то, что теоретически сложность примитивов, создаваемых библиотекой, не ограничена, было бы нелогичным включать в состав библиотеки средства для создания объектов, которые не нашли бы широкого употребления.

Источник

Языки программирования трехмерной графики

Хотя появилось множество новых языков, промышленные движки для 3D-игр по-прежнему пишутся по большой части на C++. Этот язык сочетает принципы объектно-ориентированного программирования с низкоуровневыми функциями языка C. C++ позволяет создавать программы с высоким уровнем абстракции без больших потерь в производительности.

Игровые движки реализуют множество ресурсоемких процедур для моделирования графики и физики. Современные игры могут отображать реалистичные сцены в режиме реального времени с миллионами треугольников и детализированными текстурами с учетом светотени, атмосферы и т.д. Это было бы невозможно без контроля над железом, предоставляемым C и C++.

Большинство онлайн-игр относительно небольшие и написаны исключительно с использованием языков фронтенда, преимущественно JavaScript . В то время как HTML структурирует содержимое веб-страницы, а CSS описывает ее внешний вид, JavaScript вдыхает жизнь в игру, добавляя интерактивность. Используя специальные фреймворки, мы можем создавать сложные игры прямо в браузере.

Перечислим некоторые из этих библиотек: Phaser, GDevelop, ImpactJS и melonJS. Также можно использовать WebGL для добавления в игру сложной трехмерной графики.

Языки программирования для разработки мобильных игр

При создании мобильных игр выбор языка программирования во многом определяется целевой платформой. Android и iOS являются крупнейшими операционными системами для мобильных устройств, поэтому большинство разработчиков пишут приложения на совместимых с ними языках: Java, Kotlin, Objective-C или Swift.

• Java используется для разработки нативных приложений для Android. Программы обычно компилируются в байт-код, который может работать на любой виртуальной машине Java (JVM) независимо от архитектуры процессора. Эта почти универсальная совместимость является причиной того, что Java всегда входит в список лучших языков программирования. Синтаксис Java очень похож на синтаксис C/C++.
• Kotlin – сравнительно новый язык для разработки под Android, который является духовным преемником Java. Он проще, выразительнее и менее многословен по сравнению с предшественником. Программы на Kotlin можно скомпилировать в байт-код и запустить на JVM, что дает нам совместимость с библиотеками и фреймворками для Java. Kotlin стремительно развивается, и эксперты высоко оценивают его перспективы в будущем.
• Objective-C был создан как объектно-ориентированное расширение языка C. Начиная с 90-х он используется для написания программного обеспечения для устройств Apple. Разработчики приложений на Objective-C для мобильных устройств Apple имеют доступ к многочисленным фреймворкам для создания игр.
• Objective-C хорошо служил Apple на протяжении многих лет, но будучи строгим надмножеством C, он унаследовал многие его недостатки. Например, язык не поддерживает механизм пространства имен и перегрузку операторов. Кроме того, он синтаксически многословен и сложен по сравнению с современными языками. Эти проблемы вынудили Apple создать Swift, который используется для разработки приложений под iOS 7 и выше. Несмотря на короткое время существования на рынке, Swift уже обогнал Objective-C по популярности. Он отличается от предшественника безопасностью типов, автоматическим управлением памятью и безопасностью при использовании указателей.

Языки для программирования на коммерческих движках

Коммерческие движки, вроде Unreal и Unity, упростили процесс разработки и произвели революцию в игровой индустрии. Они позволили потенциальным инди-разработчикам создавать популярные игры. Благодаря независимости от крупных компаний инди-игры отличаются инновационными идеями, экспериментальным игровым процессом и креативными решениями.

Unity – мультиплатформенный игровой движок, который позволяет с легкостью создавать интерактивный контент. Его выбирают небольшие организации и инди-разработчики из-за отличной функциональности, дружелюбного сообщества и возможности использования для написания любых 2D- и 3D-игр.

Unity быстр, гибок, портативен и дружелюбен к новичкам. Персональная лицензия позволяет создавать коммерческие игры бесплатно до тех пор, пока они не принесут более 100000 долларов дохода. Хотя фреймворк Unity построен на языке C++, доступ к его коду не предоставляется. Это означает, что вы не можете изменить движок под свои нужды.

Разработка игр – нечто большее, чем просто программирование. В успешные команды также входят геймдизайнеры, художники, тестировщики, дизайнеры уровней, звукорежиссеры и композиторы. Вы можете построить карьеру в индустрии, изучив любую из этих дисциплин. Однако, если вы хотите стать именно программистом, потребуется сочетание практических знаний и понимания основ компьютерных наук.

Начните с изучения структур данных и алгоритмов, математики и архитектуры компьютерных систем. Выберите любую хорошую книгу по C++ и создавайте различные проекты. Когда вы овладеете языком и приобретете достаточно теоретических знаний, можно будет выбрать узкую специализацию.

• Игровая физика.
• Компьютерная графика.
• Искусственный интеллект.
• Интеграция звуков.
• Игровой процесс.
• Графический интерфейс.
• Написание сценариев.
• Сетевые соединения.

Независимо от того, какой путь вы выберете, рекомендуется создать несколько небольших игр на любом из популярных движков, чтобы познакомиться с процессом изнутри. Удачи!

Дополнительные материалы:

Источник