Aus LinuxUser 12/2001

3D-Grafik unter X: Die Grundlagen

Die dritte Dimension

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.
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.

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