OpenGL, SFML ve SDL’nin yazılıma göre avantajı nedir?

Casey Muratori'nin çerçeveleri kullanmadan bir oyun motoru yarattığı Handmade Hero akışını izlemeye başladım . Dün, bir görüntünün ekrana nasıl çekildiğini gösterdiği kısma geldim. Anladığım kadarıyla, çizmek istediği ekranın büyüklüğü kadar büyük bir hafıza ayırdı. Sonra ayırdığı tampon belleğe geçtiği bir bitmap yarattı ve os'a özgü bir işlev kullanarak ekrana çizdi.

Bu oldukça yalındır görünüyor. GameMaker'ı kullandım, Love2D'ye değiştirdim, Sprite Kit ile biraz çalıştım ama bu kafa karıştırıcı katmanların altında gerçekte neler olup bittiğini merak ediyordum.

Buna göre, yapmanız gereken tek şey bir tampon ayırmak, bir bitmap geçmek ve ekrana çizmek iken neden grafik kütüphanelerini (OpenGL, SFML, SDL,…) kullanmaktan rahatsız olmalısınız?

Eğer ekranınıza farklı şeyler çizmek istiyorsanız, onları sadece bitmap'inize yazıp ara belleğe geçirin. Programlama konusunda oldukça yeniyim, ama bu benim için oldukça basit görünüyor. Yanılıyorsam lütfen beni düzeltin.

Bu sadece uygulama hızı ile ilgili değil, aynı zamanda basitlikle de ilgilidir. Bu örnekte kullanılan yazılım oluşturma, donanım ivmesini (GPU) kullanmaktan çok daha yavaş olsa da, ekrana birkaç bitmap çizmek, performans düşüşünü fark etmeyeceğiniz önemsiz bir iştir.

Bununla birlikte, üçgen rasterleştirme, derinlik sıralaması ve benzeri gibi düşük seviyeli aktivite, GPU'nun birkaç komutla dolaylı olarak ele alabileceği iyi anlaşılmış kavramlardır. Bunları yazılım kipinde yeniden uygulamak esasen tekerleği yeniden icat ediyor. Oluşturma işleminin nasıl yapıldığına dair düşük düzeyde bir anlayış kazanmak istiyorsanız, sorun değil, kendimi biraz keşfetmek için bir 3B yazılım oluşturucuyu yazdım, ancak çoğu durumda OpenGL'in daha hızlı yapabileceği zaman kaybı kutu.

Verdiğiniz örnek son derece basit, ekranda sadece tek bir görüntü çiziyor, bu nedenle uygulama kolaydır. Yine de karmaşıklığı katmanlaştırmaya başladığınızda, her şeyin doğru şekilde oluşturulmasını sağlamak için giderek daha karmaşık hale geldiğini göreceksiniz. İnsanların, Quake 3B yazılım oluşturma günlerinde geri yapmak zorunda oldukları şeyler delilikteydi, yine de çok fazla gitmediğinizi takdir ediyorum.

Benim sorum şudur: Yapmanız gereken tek şey bir tampon ayırmak, bir bitmap geçmek ve ekrana çizmek iken neden açık gl, sfml, sdl gibi bir şey kullanmaktan rahatsız olmalısınız?

Kısa: Çünkü hızlı (OpenGL, DirectX).

Uzun:

Bunu kendin yapabileceğini düşünebilirsin. Ekrana piksel çizin. Dörtlü veya üçgen gibi şekiller çizmek için küçük bir kütüphane yazabilirsiniz. Bu elbette işe yarayacak. Tam olarak bunu yapmak için bir sürü kütüphane var. Hatta bazıları, Casey Muratori'nin yaptığı şeyi yapacak olan OpenGL-spesifikasyonunu (opengl için bir yazılım tarafı gibi) uygularlar. Her şeyi yazılım tarafında hesaplarlar, pikselleri yazılım tarafında ayarlarlar ve sonucu ekrana yazarlar.

Ancak bu yavaş . Sonunda tüm bunları yürütecek olan CPU bu senaryo için yapılmamıştır. GPU'lar bunun için var. OpenGL’in yaptığı (elbette bir yazılım uygulaması olmadığı sürece), yapmanız gereken her şeyi almak ve tüm verileri, tüm aramaları, neredeyse her şeyi grafik kartına itmek ve GPU’ya işi yapmasını söylemektir . GPU, bu tür işler için özel olarak hazırlanmıştır. Kayan noktalı sayıları çarpma ( 3B sahne çekerken çok şey yaptığınız şey ) ve gölgelendiricileri çalıştırma. Ve buna paralel olarak. GPU'nun ne kadar hızlı olduğu hakkında bir fikir sahibi olmak için 1920x1080 piksel çözünürlükte 3D olarak basit bir sahne düşünün. Bunlar, çarpılmak üzere 2.073.600 pikseldir. İçin her piksel, grafik işlemcisi fragmanı tarayıcılı çalışacaktıren az bir kez , çoğu zaman bir defadan fazla. Şimdi, saniyede 60 kare hızında çalıştığımızı varsayalım. Bu, GPU’nun parça gölgelendiriciyi saniyede 2,073,600 * 60 = 124,416,000 kez çalıştırdığı anlamına gelir . İşlemcinizde böyle bir şey yapabileceğinizi düşünüyor musunuz? (Bu oldukça basitleştirilmiş bir açıklama, daha yakın nesnelerle ne kadar piksel çektiğiniz , ne kadar MSAA kullandığınız vb. Gibi göz önünde bulundurulacak çok daha fazla şey var, ancak saniyede 124.416.000 kez muhtemelen alabileceğiniz en düşük değer ve Basit bir sahne ile kolayca 60fps'den daha fazlasını elde edersiniz)

OpenGL ve Direct3D'nin yaptıkları şey, @Uri Popov'un cevap verdiğini gördüğümüz motorlar için.

Yaptığı işe yazılım oluşturma , OpenGL'e yaptığı işlemleri GPU oluşturma denir.

Aralarındaki fark nedir? Hız ve hafıza.

Rasterleştirme (ekrandaki üçgenleri doldurma) biraz zaman alır. Eğer CPU üzerinde yaparsanız, özellikle de iyi bir şekilde optimize edilmemişse, esasen o zamanı oyun mantığından uzaklaştırırsınız.

Ve görüntünün ne kadar küçük olduğu önemli değil, bunun için belirli miktarda bellek ayırması gerekiyor. GPU'ların bunun için bir video belleği var.

Diğerlerinden gelen cevaplar, verebileceğim herhangi bir cevaptan daha doğru olsa da, sorunuzun temelini oluşturduğunu düşündüğüm yazılım geliştirmenin nasıl çalıştığı ile ilgili temel yanlış anlamalara dikkat çekmek istiyorum. Her şeyi bir çerçeve olmadan "kendi başınıza" yapmak her zaman mümkün olsa da ve bunu yapmanın büyük bir eğitim yararı olsa da, gerçek şu ki modern yazılım böyle yaratılmaz.

Birisi donanım ve üzerinde çalışan makine dillerini yarattı. Başka biri daha yüksek seviyeli diller ve derleyiciler, sürücüler ve işletim sistemleri, grafik kütüphaneleri ve daha fazlasını oluşturur. Her birimiz öncekilerimizin çalışmaları üzerine inşa ediyoruz. Bu sadece "tamam" değil, bir gerekliliktir.

Takım zincirinde keyfi bir noktada “kabul edilebilir” olan veya olmayan bir çizgiyi çiziyorsunuz. "Montajda aynı şeyi yaparken neden C ++ kullanmalısınız?" Veya "kablolarından çıkan gerilimleri kolayca okuyabilmeniz ve bunları kendiniz hesaplayabilmeniz için neden klavye sürücülerine güvenebilirsiniz?" Herkesin her şeyi kendi başına yapması için gün içinde saatler veya yaşam boyu yıllar yoktur.

Bu sadece yazılım geliştirme için değil, genel olarak modern yaşam için de geçerlidir. Hiç tost makinesi yapan kişiyi sıfırdan hiç duydunuz mu? http://www.thomasthwaites.com/the-toaster-project/ . Çok uzun zaman aldı ve çok çaba sarf etti. Bir ekmek kızartma makinesi için. Eterden bir video oyunu gerçekleştirmek için gereken her şeyi kendi başınıza yapmayı deneyin !

Motorlar, sadece ekrana bir resim çekmek için çok daha fazlasını yapar. Aydınlatmayı, gölgeleri, girişi, çarpışma algılamayı idare ederler. Sadece görüntü oluşturma kısmı bile ekrana bir tampon bastırmaktan çok daha karmaşıktır. Özellikle 3 boyutlu sahneler için, bir bitmap'ten çok daha karmaşık veriler üzerinde çok fazla hesaplama yapmanız gerekir. Size araba ile bir benzetme vereyim: Basit olarak tanımladığınız şey aracın egzozudur. Sadece doğru ölçülere sahip bir boru üretiyorsunuz ve sonra gazı bir uçtan diğerine itiyorsunuz. Ancak bu arabanın mekanizmasında meydana gelen tek şeyden uzak.

Yukarıdaki cevaplar mükemmel, ancak hiçbiri OpenGL ve benzeri neden tercih edildiğine dair en önemli nedenden hiçbirini anlamadı. Ana sebep, özel donanımdan faydalanmaktır. ekran üzerinde milyonlarca piksel oluşturma gibi şeylerle çalışmak için tasarlanmış , GPU .

İşlemciyi kullanan, CPU kullanarak, görüntüleyici bir bitmap üzerindeki tüm pikseller üzerinde birer birer döngü oluşturacak ve her birini ekranda göstermek için siparişler verecek. Yani 1000x1000 boyutunda bir görüntü oluşturuyorsanız, CPU'nuzun geçmesi için bu 1.000.000 döngü. Sonuçta kontrol göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır; çok sayıda koşul varsa, bir talimat setinden diğerine atlayarak ve sıkı bir kontrol akışı yönü. Ancak, bir GPU yapacağını bilerek tasarlanmıştır ekrandaki pikseller üzerinde çok fazla benzer döngü .Bir GPU, 1000000 yinelemeli bir for döngüsü kullanacak ve işi her biri için ** paralel olarak ve birbirinden bağımsız olarak çalışacak şekilde devasa sayıdaki çekirdeğine bölecektir. Bu nedenle, CPU'dan farklı olarak, bir GPU bir if-else koşuluyla karşılaştığında, her iki kod dalını da iki çekirdeğe koyacaktır VE SONRA, en sonunda, koşulun neye göre değerlendirildiğine ve attığı şeye bakacaktır. Gereksiz dalın sonucu (bu nedenle GPU gölgelendiricilerindeki birçok başka koşulun üzerine kaşlarını çattığın; her zaman bir atıktan sorumlu oldukları).

Yani evet, GPU'lar paralellik etrafında inşa edilmiştir . Bu, CPU'lara kıyasla pikseller üzerinde çalışmayı çok daha hızlı hale getirir.

Bkz. Gerçekten bir grafik API kullanmam gerekiyor mu?

Elbette, bir tampon isteyebilir, içinde bir miktar bit ayarlayabilir ve ekrana yazabilirsiniz. Esasen PC’de grafik programlama yapmanın tek yolu buydu, 90’lı yılların ortalarında 3DFX’teki grafik hızlandırıcıların bulunması. Windows'da bile DirectX, video belleğine doğrudan erişim sağlamak için geliştirilmiştir.

Ancak PC dışı donanım ve özel oyun makinelerinde, işlemciyi işlemden boşaltarak grafikleri hızlandırmak için her zaman teknikler vardır. Atari 2600 bile “donanım sprite” a sahipti, çünkü kısmen bir çerçeve için yeterli RAM yoktu.

Daha sonra (80'lerin ortalarında) oyun konsolları platform oyunları için optimize edildi. Yine, hiçbir çerçeve yok; bunun yerine programcı karoların ızgaralarını belirleyebilir :

Genesis grafik donanımı 2 kaydırılabilir düzlemden oluşuyor. Her uçak karolardan oluşur. Her karo, piksel başına 4 bit içeren 8x8 piksel karedir. Böylece her piksel 16 renge sahip olabilir. Her döşeme 4 renk tablosundan birini kullanabilir, böylece ekranda bir kerede 64 renk elde edebilirsiniz, ancak belirli bir döşemede yalnızca 16 görüntü elde edebilirsiniz. Fayans 32 bayt gerektirir. 64K grafik belleği var. Başka bir şey için bellek kullanılmışsa, bu 2048 eşsiz döşemeye izin verecektir.

Modern CPU'lar yazılımdaki herhangi bir 2d oyunu yapacak kadar hızlıdır, bu nedenle 2d grafikler için OpenGL / DirectX, projenize bir başka bağımlılık ve karmaşıklık katmanı eklemenin yanı sıra, bir demet çizmek için bir 3d projeksiyon matrisi ayarlamak gibi hiçbir avantaj sunmaz sprite ve veriyi GPU'ya yükleme.

OpenGL ayrıca tüm sprite'larınızı 512x512 dokular (PSX gibi eski konsollardan oluşan bir eserdir), grafikleri video belleği sayfalarına yerleştirme, paketlemek için karmaşık bir sprite paketleme kodu yazmanızı gerektirir.

Öte yandan, 3B yapıyorsanız, karmaşık gölgelemeyle milyonlarca üçgen çiziyorsanız, GPU kaçınılmazdır. Uzun zaman önce, GPU'nun sprite çizimini hızlandırdığı DirectDraw adı verilen DirectDd'nin daha basit bir 2d sürümü vardı, ancak şimdi Microsoft artık desteklemiyor, çünkü CPU'lar enerji tasarrufu umursamamanız durumunda herhangi bir hızlanma olmadan 2d yapmak için yeterince hızlı oldukları için .