Die dritte Dimension

3D-Grafik unter X: Die Grundlagen

01.12.2001
Langsam etabliert sich Linux auch im Heimbereich. Dort darf eine Unterstützung von 3D-Grafikkarten selbstverständlich nicht fehlen. Wir zeigen, wie unter Linux die virtuellen Welten auf den Bildschirm gelangen.

Realistische Spielewelten, die plastische Planung von Häusern oder ein virtueller Spaziergang durch ein Museum sind heute Anwendungsgebiete für dreidimensionale Grafik. Die Berechnung dieser meist aufwendigen Szenarien übernehmen hochentwickelte Chips, die mittlerweile auf jeder handelsüblichen Grafikkarte vorhanden sind.

Ärgerlich war für Linux-Anwender, die ein teures High-End-Modell ihr eigenen nennen, das die Fähigkeiten bisher nicht immer voll unterstützt wurden. Mit XFree86 in der neuen Version 4 und der Einführung des Direct Rendering Interface hat sich dies drastisch geändert. Im Folgenden wollen wir Ihnen zeigen, was sich hinter diesen Begriffen verbirgt und wie ein Programm die 3D-Grafik auf den Bildschirm zaubert.Ergänzend zeigt Ihnen der nachfolgende Artikel Treibersafari, wie Sie die 3D-Unterstützung Ihrer Grafikkarte aktivieren.

Grundlagen

Der Startvorgang eines Linux-Systems setzt sich aus mehreren Stufen zusammen. Zunächst wird der Betriebssystem-Kern, der Kernel, in den Speicher des Computers geladen. Dieser Kernel ist das eigentliche Linux. Neben der Bereitstellung von Grundfunktionen, kommen ihm verschiedene Verwaltungsaufgaben zu. Ist der Kernel geladen werden die Systemdienste gestartet. Danach wird der Start der grafischen Oberfläche eingeleitet. Unter Linux kommt das X-Window-System, kurz X11 genannt, zum Einsatz (http://www.x.org>). Dies ist ein Standard für grafische Oberflächen, der hauptsächlich unter Unix-ähnlichen Betriebssystemen Verwendung findet (vgl. Artikel "Das Kreuz mit dem X", S. 28).

Abbildung 1: Der grobe Startvorgang eines Linux-Systems: nachdem der Kernel geladen wurde, wird der X-Server und zum Abschluss ein Desktopmanager gestartet.

In der Vergangenheit errang dieses Konzept nicht gerade einen Geschwindigkeitspreis: möchte ein Programm ein Rechteck auf den Bildschirm zeichnen, so sendet es diesen Wunsch an den X-Server. Dieser weiß, wie er die Grafikkarte ansprechen muss, damit das gewünschte Rechteck auf dem Bildschirm erscheint. Aus Sicherheitsgründen darf der X-Server jedoch nur über den Kernel auf die Grafikkarte zugreifen (vgl. Abbildung 1). Insgesamt ein weiter Weg für das Rechteck. Ein direkter Zugriff auf die Hardware der Grafikkarte ist unter Linux nicht gestattet - schließlich könnte ein Programm auf diese Weise einen (wichtigen) Computer komplett lahmlegen. Microsoft Windows-Anwender kennen diese Problematik zur genüge. Heutzutage hat man für den so entstehenden Flaschenhals eine Lösung gefunden. Hierzu müssen wir das X Window System etwas genauer unter die Lupe nehmen.

XFree86

Unter Linux dominiert in der Regel der X-Server des XFree86-Projektes (http://www.xfree86.org).Hierbei handelt es sich um eine Organisation, die eine freie Version des X Window Systems mit dem Namen XFree86 entwickelt und diese allen Interessenten kostenlos zur Verfügung stellt. Bis zur Version 3.3.6 bestand der X-Server aus einem großen Block Software. Für jede Grafikkarte benötigte man eine entsprechend angepasste Version dieses Programms. Zwar existieren Erweiterungen für eine beschleunigte 3D-Darstellung, diese sind aber nie über ein experimentelles Stadium hinaus gekommen.

Mit der neuen Version 4 hat das XFree86-Team mit den alten, starren Gegebenheiten aufgeräumt und ein modulares Konzept eingeführt. Der X-Server ist nun leicht und schlank und lädt alle benötigten Funktionen, wie Treiber für Grafikkarten, in Form eines Moduls nach.

Der X-Server kann sehr einfach um viele weitere Grafikkartentreiber und zusätzliche Funktionen - wie auch eine Unterstützung für unsere 3D-Beschleunigung - erweitert werden. Dieser Aufbau kommt zusätzlich den Herstellern von Grafikkarten zu gute. In der Vergangenheit scheuten diese oft den großen Aufwand einen X-Server selbst zu programmieren. Heute genügt ein kleines Treibermodul, das die Anwender direkt in ihr Systeme integrieren.

Durch den Einsatz von XFree86 in der neuesten Version, sowie einem passenden Treiber kann die grafische Ausgabe bereits optimiert werden. Es bleibt noch der Kernel übrig, durch den alle 3D-Daten zur Grafikkarte hindurch müssen. Für dieses Problem hat die Firma VA-Linux (http://www.valinux.com) eine Lösung gefunden: das Direkt Rendering Interface (DRI.

Damit wurde in Linux ein Mechanismus verankert, mit dem 3D-Anweisungen direkt an die Grafikkarte geschickt werden. Um also ohne Umweg auf die Grafikkarte zugreifen zu können, benötigen wir zusätzlich zum X-Server nebst zugehörigem Treiber noch ein passendes DRI-Linux-Kernel-Modul. Leider reicht dies immer noch nicht aus: Wir benötigen außerdem eine OpenGL-Bibliothek.

OpenGL

Einzelnen Karten weisen unterschiedliche Funktionen auf und sind zudem vollkommen verschieden aufgebaut. Ein Programmierer muss deshalb jede einzelne Grafikkarte kennen, wenn er ein Programm mit 3D-Grafik schreiben möchte. Um dieses Problem zu umgehen, presst man einen Satz von Funktionen in eine Bibliothek. Eine dieser Funktionen könnte z. B. "male einen Quader" oder "zeichne eine Kugel" lauten. Die Entwickler können die Bibliothek innerhalb ihrer eigenen Programme verwenden und ersparen sich so zusätzliche Arbeit.

Aufgrund der Standardisierung kann die Bibliothek auf jedem Computer durch ein, speziell auf das eingesetzte Grafikkartenmodell zugeschnittenes Pendant ausgetauscht werden. Das eigentliche Programm muss hierbei nicht geändert werden. Eine solche Standardisierung für den Bereich der 3D-Grafik hat die Firma Silicon Graphics vorgenommen und das Ergebnis unter der Bezeichnung OpenGL veröffentlicht (http://www.opengl.org). Ein klassisches Beispiel für eine solche Bibliothek ist das freie und kostenlose Mesa (http://www.mesa3D.org). Sie entspricht fast den Forderungen des OpenGL-Standards. In der Praxis dient Mesa häufig Hardware-Herstellern als Basis für ihre eigenen OpenGL-Bibliotheken.

Unter Linux verwenden nahezu alle Programme mit einer dreidimensionalen Grafikausgabe die OpenGL-Bibliothek. Dies hat den angenehmen Seiteneffekt, dass alle OpenGL-basierten Programme automatisch von dem Einsatz einer optimierten OpenGL-Bibliothek profitieren.

Die Funktionen der OpenGL-Bibliothek möchte man auch unter der grafischen Oberfläche und dort insbesondere innerhalb der einzelnen Fenstern nutzen. Damit dies reibungslos klappt, wird ein Erweiterungsmodul für den X-Server benötigt, das als GLX-Modul oder GLX-Treiber bezeichnet wird.

Alles zusammen

Damit haben wir alles zusammen, was wir für eine schnelle Grafikausgabe benötigen (vgl. Abbildung 2).

Abbildung 2: Der weite Weg der 3D-Daten vom Programm bis auf den Bildschirm unter Ausnutzung der OpenGL-Bibliothek und des Direct Rendering Interface

Die Funktionen der aufgerufenen OpenGL-Bibliothek greifen über das DRI-Kernel-Modul direkt auf die Grafikkarte zu. Innerhalb des X-Servers hilft das GLX-Modul, die 3D-Bilder in den zugehörigen, korrekten Fenstern anzuzeigen. Der Kartentreiber des X-Servers sorgt für die schnelle Darstellung des gesamten Desktops auf dem Monitor. Durch das perfekte Zusammenspiel wird jede Sekunde Rechenzeit perfekt ausgenutzt.

Sie brauchen nach den Komponenten jedoch nicht in den Tiefen des Internets zu suchen. In einer neuen Distribution mit XFree 4.x und der Kernel-Version 2.4.x ist alles vorhanden. Der Kernel bringt seine DRI-Treiber selbst mit und das XFree 4.x -Paket enthält standardmäßig alle Erweiterungsmodule.

Ausnahmen bestätigen die Regel

Es gibt jedoch drei Ausnahmen. Betroffen sind alle Besitzer einer Voodoo-, NVIDIA-, oder Kryo-Karte.

Die Firma 3dfx, heute NVidia, entwickelte für die Voodoo-Karten eine eigene Bibliothek. Die Glide-Schnittstelle enthält Funktionen, die ausschließlich auf die Voodoo-Karten zugeschnitten sind. Somit ist Glide nicht kompatibel zum OpenGL-Standard. Falls Sie unter Linux 3D-Unterstützung für Ihre Voodoo-Karte aktivieren möchten, müssen Sie sich aus dem Internet unter http://dri.sourceforge.net im Abschnitt Resources passende Glide-Bibliothek herunter laden. Bei den Dateien handelt es sich um speziell für DRI angepasste (und somit beschleunigte) Glide-Bibliotheken.

Wer eine der großen aktuellen Distributionen besitzt, sollte die passenden Glide-Bibliotheken wiederfinden. SuSE ist hier mit den Paketen aus der Serie x3d seit langer Zeit vorbildlich bestückt.

Darüber hinaus existieren Glide-Bibliotheken für Linux, die direkt von 3dfx stammen. Benutzer der ersten Voodoo-Karten (Voodoo 1, bzw. Voodoo Graphics, Voodoo 2 und Voodoo Rush), die unter der oben genannten DRI-Seite nicht fündig werden, müssen auf diese Bibliotheken ohne DRI-Unterstützung ausweichen.

Sonderfall NVIDIA und Kryo

Grafikkarten mit NVIDIA-Chipssatz benötigten Linux-Treiber, der gleichnamigen Herstellerfirma. Diese sind ausschließlich auf der Internet-Seite (http://www.nvidia.com) verfügbar. Betroffen sind alle Karten der TNT-, GeForce- und Quanta-Reihen. Eine Verbreitung innerhalb von Distributionen oder auf Heft-CDs gestattet der Hersteller nicht. Der Grund liegt in der Firmenpolitik: Mitbewerbern sollen keine Einblicke in die Treiber oder den Aufbau der Hardware habeen. Daher stellt NVIDIA lediglich fertig geschnürte Pakete zur Verfügung. Die neueren SuSE-Linux-Distributionen installeren Dummys bis zum Einsatz der richtigen Treiber. Hierbei handelt es sich um langsamere Platzhalter, die dem Hauptprozessor die gesamte Rechenarbeit zuschieben. Als eine weitere Folge dieser Politik existieren bislang nur Treiber-Pakete für Intel und kompatible Prozessoren. "Exotische" Computer, wie Alpha oder PowerPC-Rechner bleiben somit außen vor.

Die Firma PowerVR, die sich für die Entwicklung des GeForce-Konkurrenten Kryo verantwortlicht zeigt, hat bis zum Redaktionsschluss noch keinen Treiber für Linux vorlegen können. Auch die Internetseite http://www.powervr.com schweigt sich über die Zukunft von Linux-Treibern aus. Internet-Foren zufolge sollen diese aber bereits in der Entwicklung sein.

GLU und GLUT-Bibliothek

Zwei zusätzliche Bibliotheken werden von einigen OpenGL-basierenden Programmen benötigt und sollten daher auf keinem System fehlen. Es handelt sich hierbei um die GLU und die GLUT-Bibliothek.

In ihnen befinden sich einige zusätzliche Funktionen, die wiederum selbst Funktionen aus der OpenGL-Bibliothek verwenden. Unter SuSE-Linux finden Sie zwei GLU-Bibliotheken in der Serie x3d: Zum einen die MESA-Version (Paket mesa-glut) und eine Version von Silicon Graphics (Paket xf86glu).

Wir raten zu einer Installation der Silicon-Graphics-Version, sowie der MESA-GLUT-Bibliothek (Paket mesaglut). Unter Mandrake finden Sie die Bibliotheken im Paket Mesa-common, RedHat installiert sie bereits standardmäßig. Sofern Ihre Distribution keine dieser Bibliotheken mitliefert, hilft ein Blick auf die Seite http://www.mesa3D.org oder http://dri.sourceforge.net im Abschnitt Resources weiter.

Klein aber fein

Eines der wohl berühmtesten Programme zum schnellen Testen der 3D-Grafikgeschwindigkeit ist Gears.

Abbildung 4: Das kleine Programm gears in Aktion. Im Terminalfenster werden alle fünf Sekunden die erreichten Bilder pro Sekunde ausgegeben.

Es gehört standardmäßig zum Lieferumfang. Unter SuSE-Linux finden Sie die Applikation zusammen mit der Dokumentation von Mesa im Paket mesa der Serie x3d. RedHat und Mandrake verstecken sie hingegen im Paket Mesa-demos.

Um Gears aufzurufen, öffnen Sie ein Terminal-Fenster und geben gears ein. Es öffnet sich bei korrekt konfigurierter Grafikkarte ein kleines Fenster, in dem sich drei Zahnräder drehen. Nach jeweils fünf Sekunden wird Startfenster eine Statistik ausgegeben. Die Zahl vor Frames per Second (FPS) gibt an, wie viele Bilder pro Sekunde dargestellt wurden.

Unter SuSE-Linux verstecken sich weitere Demos im Verzeichnis /usr/lib/mesa/bin, bei anderen Distributionen finden Sie das Verzeichnis in der Dateiliste des entsprechenden Pakets wieder. Die Beispiele richten sich in erster Linie an Programmierer, die auf Basis der OpenGL-Bibliothek eigene Programme entwickeln möchten. Insbesondere die animierten Demos im Unterverzeichnis demos sind jedoch für Anwender einen kleinen Blick wert.

Einige Bildschirmschoner, unter KDE an dem nachgestellten Kürzel (GL) zu erkennen, nutzen die OpenGL-Bibliotheken und profitieren von der 3D-Beschleunigung. Da die Standard-3D-Bildschirmschoner jedoch nur geringe Anforderungen an die Rechenleistung stellen, hält sich der Vorher-Nachher-Effekt für den Betrachter in Grenzen.

3D-Unterstützung steckt manchaml dort, wo man sie nicht vermuten würde: Ein prominentes Beispiel ist StarOffice 5.2, das an einigen Stellen auf die OpenGL-Bibliothek zurück greift. Wenn Sie im Modul StarOffice Draw einem dreidimensionalen Körper einen Effekt in Form einer Textur zuweisen, ist dies der Fall. An- und abschalten können Sie den Zugriff auf die OpenGL-Bibliothek im Optionsmenü (Extras/Optionen..., in der linken Liste Allgemein/Sonstiges markieren).

Auf ähnliche Weise kommen auch Nutzer des beliebten Musikabspielprogramms Xmms in den Genuss einer visuellen 3D-Beschleunigung. Dort nutzen einige Plugins, wie der mitgelieferte OpenGL Spekturm Analyzer oder Jakdaw (http://www.jakdaw.ucam.org/xmms/, unter SuSE-Linux im Paket xmms-plugins in der Serie snd) die OpenGL-Bibliothek, um während des Abspielvorgangs die Musik visuell zu untermalen.

Fast schon eine Killer-Applikation ist OpenUniverse. Sollte bei Ihnen die 3D-Beschleunigung nicht aktiviert sein, so rotieren die simulierten Sterne nur im Schneckentempo.

Abbildung 5: Das Simulationsprogramm OpenUniverse, gestartet im Benchmarkmodus.

Zusätzlich lässt sich OpenUniverse als Benchmark einsetzten. Starten Sie hierzu das Programm aus einem Terminalfenster durch die Eingabe des Befehls openuniverse -bench. Das Programm beendet sich dann nach einer Weile selbständig mit der Angabe der erreichten Anzahl Bilder pro Sekunde. Auf unserem beschleunigten TNT2-Beispielrechner erzielten wir einen Wert von rund 26 FPS.

Weitere interessante Programme finden sich im Internet, beispielsweise unter http://www.mesa3D.org, http://www.libsdl.org, oder http://glide.xxedgexx.com.

Infos

[1] http://www.x.org Informationen rund um das X Window System  

[2] http://www.xfree86.org Homepage des "The XFree86 Projekt", eine freie Implementierung des X Window Systems, das auf fast allen Linux-Systemen zum Einsatz kommt.  

[3] http://www.valinux.com Homepage der Firma VA-Linux, initiale Kraft des DRI-Projektes  

[4] http://dri.sourceforge.net Homepage des Direct Rendering Interface-Projektes  

[5] http://www.opengl.org Informationen rund um OpenGL  

[6] http://www.mesa3D.org Eine Bibliothek, die fast dem OpenGL-Standard entspricht

[7] http://www.3dfx.com Überreste der Homepage des Grafikkartenherstellers 3dfx

[8] http://www.nvidia.com Homepage des Grafikchipherstellers NVIDIA

[9] http://www.povervr.com Homepage des Kryo-Chip Herstellers

[10] http://www.ati.de Homepage des Grafikkartenherstellers ATI

[11] http://www.matrox.com Homapage des Grafikkartenherstellers Matrox

[12] http://www.linuxquake.com eine Seite, die sich hauptsächlich mit 3D-Actionspielen beschäftigt

[13] http://www.gamers.org/dEngine/xf3D/ eine Seite, die sich mit 3dfx-Karten unter Linux beschäftigt

[14] http://glide.xxedgexx.com/ eine Seite, die sich ganz dem Thema "3D unter Linux" verschrieben hat.

[15] http://www.libsdl.org Homepage der SDL (Simple Direct Media Layer) Bibliothek; beherbergt eine Liste mit interessanten 3D-Programmen und Spielen

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