Die dritte Dimension

3D-Grafik – Die Grundlagen

01.06.2001
Das Genre der 3D-Spiele boomt in der Windows-Welt in letzter Zeit gewaltig. Damit auch unter Linux die 3D-Frame-Raten in die Höhe schnellen, benötigt man spezielle 3D-Treiber, die das Optimum aus der eingebauten Grafikkarte herausholen.

Seit einigen Monaten gibt es für die meisten auf dem Markt erhältlichen 3D-Grafikkarten "Linux-Treiber", die sich hinsichtlich 3D-Performance und Stabilität in aller Regel nicht mehr hinter ihren Windows-Kollegen zu verstecken brauchen. Damit entfällt einer der bislang größten Hürden für die Etablierung von Linux als gleichberechtigte Plattform für 3D-Anwendungen. In diesem Artikel möchten wir Ihnen etwas Hintergrundwissen zum spannenden Thema Linux und 3D-Grafik vermitteln.

Kommunikation mit der Hardware

Heutzutage sitzt auf praktisch jeder Grafikkarte ein komplexer Grafik-Chip, der spezielle Funktionen bereitstellt, mit denen die Aufbaugeschwindigkeit von 2D- und 3D-Objekten auf dem Bildschirm deutlich beschleunigt werden kann. Die Betonung liegt auf "kann", denn ob das auch tatsächlich geschieht, hängt ganz entscheidend von der Qualität der auf dem jeweiligen Betriebssystem installierten Treiber-Software ab.

Unter Linux und anderen Unix-Derivaten übernimmt traditionsgemäß der X-Server, eine ganz normale Anwendung im User-Space, die Aufgabe, die Darstellungswünsche von hochauflösenden Anwendungen an die Grafik-Hardware zu übermitteln. Sieht man einmal von einigen kommerziellen X-Servern wie z. B. Xi Graphics (http://www.xig.com) ab, dann läuft heutzutage auf den meisten Linux-Rechnern ein X-Server des Open-Source-Projekts XFree86 (http://www.xfree86.org).

Es ist noch gar nicht so lange her, dass man für jeden Grafik-Chip-Typ einen eigenen X-Server schreiben musste. Angesichts der Tatsache, dass der Quelltext der XFree86-Server für jedermann (und damit auch potentiell für die jeweilige Konkurrenz des Grafik-Chip-Herstellers) offen zugänglich war, sperrten sich viele Chip-Hersteller dagegen, die für die Entwicklung von optimalen X-Servern notwendigen Hardware-Spezifikationen an die XFree86-Entwickler weiterzugeben.

Seit XFree86 Version 4 haben Chip-Hersteller die Möglichkeit, auch für Linux performante Grafikkartentreiber bereitzustellen, ohne den Quellcode offenlegen zu müssen. Doch dazu weiter unten mehr.

Direct3D vs. OpenGL

Wer heutzutage ein kommerzielles Spiel entwickelt, hat angesichts der Umständlichkeit und der mit dem Spielumfang stark ansteigenden Komplexität keine Lust, jede von der Grafikkarte hardware-mäßig unterstützte Funktion mit Maschinencode-Befehlen (Assembler) anzusteuern, zumal in einem solchen Fall ein Spiel nur auf der Grafikkarte funktionieren würde, auf der es geschrieben wurde.

Um dieses Bedürfnis der Entwickler nach weitestgehender Hardware-Unabhängigkeit zu befriedigen, entstanden einige Schnittstellen-Bibliotheken, die weitestgehend unabhängig von der zugrundeliegenden Grafikkarte rudimentäre Funktionen zum Zeichnen von 2D- bzw. 3D-Gebilden bereitstellen sollten.

Heutzutage konkurrieren vor allem noch Direct3D von Microsoft und OpenGL von SGI (http://www.sgi.com) um die Gunst der Entwickler. Direct3D ist – wer hätte es anders gedacht – nur für Microsoft-Betriebssysteme verfügbar. OpenGL-Implementationen gibt es dagegen auf nahezu allen Plattformen.

Unter Linux hat sich insbesondere die freie OpenGL-verwandte 3D-Grafikbibliothek Mesa (http://www.mesa3d.org/) einen Namen gemacht. Damit sich komplexe Spiel-Grafiken noch schneller erstellen lassen, setzen die meisten Hersteller heute in aller Regel eigenkreierte Baukasten-Bibliotheken (z. B. http://www.libsdl.org) oder gar vorgefertigte Spiele-Engines (z. B. http://crystal.linuxgames.com/) ein. Diese setzen aber im Prinzip alle (auch) auf den basalen Befehlssätzen von Direct3D oder OpenGL auf.

GLX vs. DRI

Abbildung 1: Wie kommen 3D-Anweisungen von der Applikation auf den Bildschirm? Netzwerktransparent mit GLX oder performant mit DRI. (Bild: Bernhard Kuhn)

Als Mitte der 90er Jahre die ersten Grafikkarten mit speziellen 3D-Hardware-Beschleunigungs-Funktionen zu einem erschwinglichen Preis auf den Consumer-Markt kamen, waren Software-basierte 3D-Render-Lösungen noch an der Tagesordnung: Anwendungen, in denen 3D-Objekte gezeichnet werden sollten, mussten einen Software-Renderer damit beauftragen, eine Lösung zu berechnen, wie sich die 3D-Objekte mit den auf der Grafikkarte vorhandenen 2D-Funktionen möglichst gut darstellen lassen.

Kein Wunder, dass damit bei 3D-Grafiken nur äußerst geringe Frame-Raten möglich waren. Die 3D-Hardware-Unterstützung kam unter Linux nur langsam in Schwung, unter anderem weil zunächst ein Modul fehlte, welches eine Verbindung zwischen der OpenGL-Schnittstelle und den freien XFree86-Servern herstellen konnte: GLX.

An der University of Utah wurde eine freie GLX-Implementierung (http://utah-glx.sourceforge.net/) vorangebracht, allerdings beschränkt auf einige wenige unterstützte Grafikkarten. Der Durchbruch gelang unter Linux erst, nachdem SGI sein vormals kommerzielles GLX-Modul unter eine Open-Source-Lizenz gestellt hatte und die Firma Precision Insight damit beauftragte, an einer neuen Infrastruktur für das XFree86-Projekt zu arbeiten, mit der nicht nur ein indirekter (über den X-Server und das GLX-Protokoll vermittelter Zugriff), sondern (mittels eines ausgelagerten 3D-DRI-Treibers) ein direkter Zugriff auf die 3D-Hardware-Funktionen möglich sein sollte.

Diese Treiber-Infrastruktur trägt den Namen "Direct Rendering Infrastructure" (http://dri.sourceforge.net/) und erlaubt seit dem Erscheinen von XFree86 4.0 einen direkten (nur noch über einen Kernel-Treiber vermittelten) Zugriff auf die 3D-Hardware-Register von neueren Grafikkarten möglich. Eine Auswahl der DRI-Treiber für Kernel 2.4 finden Sie auf der Heft-CD.

Direkt oder indirekt?

Der größte Vorteil der Direct Rendering Infrastructure liegt für Grafik-Chip-Hersteller darin, dass sie dank der aus dem XFree86-Server ausgelagerten 3D-Treiberarchitektur auch proprietäre Treiber-Software beisteuern können, ohne damit die GPL-Lizenzbedingungen zu verletzen. Der 3D-Anwender profitiert dadurch theoretisch auch unter Linux in vollem Umfang von den 3D-Fähigkeiten seiner Grafikkarte.

Allerdings erkauft man sich diese direkte 3D-Unterstützung als Anwender mit der größeren Gefahr von Systemtotalabstürzen und dem Verlust der sogenannten Netzwerktransparenz. Dadurch, dass die 3D-Grafikbefehle nämlich nicht mehr über das X11-Netzwerkprotokoll an die Grafik-Hardware übertragen, sondern (über den DRI-Kernel-Treiber) auf direktem Wege übermittelt werden, bleibt im Falle eines Programmfehlers nicht nur der X-Server hängen, sondern im schlimmsten Fall das gesamte Betriebssystem.

Im klassischen Falle einer über den X-Server vermittelten Kommunikation mit der Grafik-Hardware besteht jederzeit die Möglichkeit, eine Anwendung auf einem anderen Rechner darzustellen, als auf demjenigen, von dem sie gestartet wurde. Dies ist auf der DRI-Architektur (momentan) nicht möglich, da die 3D-Befehle an die Grafikkarte nicht mehr über das X11-Netzwerkprotokoll vermittelt werden können.

Momentan hat man als 3D-Anwender also die Wahl zwischen direktem, aber zum Teil noch etwas instabilen 3D-Hardware-Rendering über die DRI-Treiber einerseits und indirektem (netzwerktransparent vermittelten) 3D-Software-Rendering (Mesa) andererseits. Für 3D-Spiele, die auf einem Einzelplatzrechner laufen, empfiehlt sich demnach der Einsatz von DRI-Treibern, während der Einsatz des Mesa-Renderers überall da sinnvoll erscheint, wo es auf größtmögliche Stabilität und Netzwerktransparenz ankommt. Das DRI-Projekt hat aber die Absicht bekundet, Mesa durch eine andere Lösung zu ersetzen, mit der dann auch indirektes 3D-Hardware-Rendering möglich sein soll.

Grafik-Chips und die Verfügbarkeit von Hardware-beschleunigten 3D-Treibern unter Linux

Grafikkarten, die auf folgenden Grafik-Chips basieren, profitieren unter Linux momentan dank des DRI-Projekts von direkter 3D-Hardware-Beschleunigung (Neuerungen siehe http://dri.sourceforge.net/status.phtml):
Chip-Hersteller Chipsätze
ATI Rage 128 (Pro), Radeon
Intel i810, i810-dc100, i810e, i815, i815e
Matrox G200, G400, G450
3dfx Banshee, Voodoo 3, Voodoo 4, Voodoo 5
3DLabs MX/Gamma
Chip-Hersteller nVidia gibt für seine aktuellen Grafikkarten (Geforce-Serie) keine Hardware-Spezifikationen an das DRI-Projekt heraus, bietet jedoch unter http://www.nvidia.com/Products/Drivers.nsf/Linux.html eigene proprietäre 3D-Treiber.
Chip-Hersteller PowerVR, derzeit neben ATI (Radeon) nVidia's größter Konkurrent, verzichtet bislang auf die Bereitstellung von Linux-3D-Treibern für seine Kyro(II)-Chipsätze (siehe http://www.powervr.com/downloads/Drivers.htm). Grafikkarten, die auf einem dieser Chipsätze basieren (z. B. Hercules 3D PROPHET 4500 oder Videologic Vivid!XS), sind für Linux-3D-Spieler also derzeit noch wenig attraktiv.
Für folgende ältere Grafik-Chips existieren unter Linux noch 3D-Treiber des Utah-GLX-Projekts, die jedoch nur unter XFree86 3.3.5 / 3.3.6 lauffähig sind:
Chip-Hersteller Chipsätze
Matrox G200, G400
ATI RagePro
Intel i810
nVidia Riva 128, TNT, TNT2, Geforce SiS 6326
S3 Virge, Savage3D

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