Введение

По мере знакомства с использованием OpenGL в Delphi у меня появился ряд проектов, иллюстрирующих различные аспекты этого вопроса. Проекты начинаются с самых минимальных программ, в которых просто окрашивается окно или выводится прямоугольник с использованием функций OpenGL и заканчиваются масштабными проектами из тысяч строк кода. Эти работы позволяют проследить мой путь и могут служить подмогой для тех, кто только начинает разбираться в этих вопросах.

Когда я начинал изучение этого, у меня не было ни одного примера использования OpenGL в Delphi, только ворох программ на C и C++, поэтому пришлось начинать с того, чтобы перекладывать эти программы на Delphi. Затем появились и полностью собственные проекты. Моя основная работа связана с преподаванием в вузе, после того, как я включил в учебные курсы изучение основ OpenGL, студенты с моей помощью смогли создать ряд интересных проектов.

Я решил опубликовать некоторые из проектов моей коллекции, озаглавил набор "ЖиЛистая Delphi" и предложил сайту "Королевство Delphi". На сайте мне предложили дополнить эти проекты серией статей по вопросам использования OpenGL в Delphi. Данная статья является первой статьей этого цикла.

Статьи я предполагаю писать на уровне, доступном для самой широкой аудитории - от новичков в программировании для Windows до умудренных профессионалов. Я постараюсь придерживаться краткости в своих рассуждениях, освещая только суть рассматриваемых вопросов. Многие вопросы, освещаемые здесь, ясно проиллюстрированы в проектах "ЖиЛистой Delphi".

OpenGL - стандартный для большинства платформ и операционных систем набор низкоуровневых функций двумерной и трехмерной графики, библиотека, широко используемая в промышленных CAD-системах и играх.

Поставляется в составе операционной системы Windows, начиная с версии OSR2 в виде двух DLL-файлов - opengl32.dll и glu32.dll. Первая из этих библиотек и есть собственно набор функций OpenGL, вторая содержит дополнительный набор функций, упрощающих кодирование, но построенных и выполняемых с подключением opengl32.dll и являющаяся надстройкой.

То, что эти библиотеки поставляются в составе операционной системы, значительно упрощает распространение разработанных приложений. То, что OpenGL распространяется в виде динамических библиотек, упрощает доступ к его функциям.

При выборе базы для построения приложений графики несомненными достоинствами OpenGL являются его простота и стандартность - код в случае необходимости можно легко перенести на другую платформу или под другую операционную систему.

Для более подробной информации о OpenGL Вы можете обратиться на сайт http://www.opengl.org

Вместе с Delphi, начиная с третьей версии, поставляется файл помощи по OpenGL фирмы MicroSoft и заголовочный файл opengl.pas, позволяющий использовать эту графическую библиотеку в приложениях, написанных на Delphi.

Есть также альтернативные версии заголовочных файлов независимых разработчиков и компоненты, использующие OpenGL, упрощающие доступ к его функциям и использующие ООП подход. Некоторые из этих файлов и компонентов могут использовать версию OpenGL для Windows фирмы SGI, имеющую собственное расширение функций и имеющую более высокие скоростные показатели. Одна из самых полных систем, реализующая набор функций всех версий OpenGL - это библиотека разработчика MGL фирмы SciTechSoft.

Мы в своих примерах будем опираться только на стандартные файлы и компоненты Delphi, так что Вам не придется искать и приобретать дополнительные файлы и компоненты. Умея самостоятельно использовать OpenGL, Вы легко сможете использовать готовые компоненты, скрывающие черновую работу подключения и использования функций OpenGL. Тем более, что многие из этих компонентов отличаются неустойчивой работой.

Итак, Delphi в стандартной поставке позволяет использовать OpenGL в разрабатываемых приложениях, но как это сделать, плохо понятно из файла помощи, а готовыми примерами использования OpenGL Delphi не сопровождается (по крайней мере, на сегодня). Поэтому начинающим часто тяжело самостоятельно разобраться, как же работать с OpenGL в Delphi. Рассмотрению вопросов использования OpenGL вообще и использованию в Delphi и будет посвящен данный курс статей.

К сожалению, эта тема осложнена тем обстоятельством, что для построения самой минимальной программы OpenGL требуется выполнить ряд обязательных действий, код реализации которых может напугать начинающих своей обширностью.

Для понимания смысла этих действий желательно понимать смысл основных понятий операционной системы Windows - ссылка, контекст, сообщение, в проектах Delphi не всегда активно используемых программистами. Желательно иметь хотя бы минимальные знания о роли динамических библиотек в этой операционной системе. Хотя, конечно, можно успешно использовать OpenGL и без глубоких знаний в этой области, используя готовые шаблоны приложений и сосредоточившись собственно на функциях OpenGL.

Важно также отметить то, что чаще всего приложения, активно использующие графику, нуждаются от Delphi только в создании окна приложения, таймере и обработчике манипуляций с клавиатурой и мышью. Для таких приложений чаще всего и не требуется богатство библиотеки VCL. и крайне важны скорость работы и "профессиональная" миниатюрность откомпилированного модуля. Поскольку мы вынуждены с самого начала рассматривать и разбирать темы уровнем ниже RAD-технологий, то нам становится по силам и написание программ без визуальных средств вообще, программ, использующих только функции Windows API, стремительно компилируемых и занимающих после компиляции миниатюрные размеры (порядка двух десятков килобайт).

Итак, наш разговор приходится начинать с вопросов, напрямую вроде бы не связанных с OpenGL.

Постараемся ограничить рассмотрение этих тем самым минимальным объемом, поскольку Вы легко можете найти другие, более богатые источники по этим вопросам.

Событие. Сообщение. Контекст.

Начнем наш разговор с понятий "событие" и "сообщение".

Очень часто это синонимы одного и того же термина операционной системы, общающейся с приложениями посредством посылки сообщений. Код, написанный в проекте Delphi как обработчик события OnCreate, выполняется при получении приложением сообщения WM_CREATE, сообщению WM_PAINT соответствует событие OnPaint, и т.д..Такие события использует мнемонику, сходную с мнемоникой сообщений.

Как операционная система различает окна для осуществления диалога с ними? Все окна при своем создании регистрируются в операционной системе и получают уникальный идентификатор, называемый "ссылка на окно". Тип этой величины в Delphi - HWND (WiNDow Handle, ссылка на окно).

Ссылка на окно может использоваться не только операционной системой, но и приложениями для идентификации окна, с которым необходимо производить манипуляции.

Попробуем проиллюстрировать смысл ссылки на окно на несложном примере.

Откомпилируйте минимальное приложение Delphi и начните новый проект. Форму назовите Form2, разместите на форме кнопку, обработчик события OnClick кнопки приведите к следующему виду:

procedure TForm2.Button1Click(Sender: TObject);
var
  H: HWND;
begin
  H := FindWindow ('TForm1', 'Form1');
  if H <> 0 then
    ShowMessage ('Есть Form1!')
  else
    ShowMessage ('Нет Form1!')
end;

Теперь при щелчке на кнопке выдается сообщение, есть ли запущенное приложение, класс окна которого зарегистрирован в операционной системе как 'TForm1', в заголовке которого записано 'Form1'. То есть если одновременно запустить обе наши программы, при нажатии на кнопку выдается одно сообщение, если окно с заголовком 'Form1' закрыть, при щелчке на кнопку выдается другое сообщение.

Здесь мы используем функцию API FindWindow, возвращающую величину типа HWND - ссылку на найденное окно либо ноль, если такое окно не найдено.

Итак, ссылка на окно однозначно определяет окно. Свойство Handle формы и есть эта ссылка, значение которой форма получает при выполнении функции API CreateWindow - создании окна. Имея ссылку на окно, операционная система общается с окном путем посылки сообщений-сигналов о том, что произошло какое-либо событие, имеющее отношение именно к этому окну. Если окно имеет намерение отреагировать на это событие, операционная система имеет это в виду и вместе с окном осуществляет эту реакцию. Окно может и не имея фокус получать сообщения и реагировать на них.

Проиллюстрируем это на примере.

Обработчик события OnMouseMove формы приведите к виду:

procedure TForm2.FormMouseMove(Sender: TObject;
Shift: TShiftState; X, Y: Integer);
begin
  Caption := 'x=' + IntToStr (X) + ', y=' + IntToStr (Y);
end;

В заголовок формы выводятся координаты указателя мыши.

Запустите два экземпляра программы и обратите внимание, что окно, не имеющее фокус ("неактивное"), тоже реагирует на перемещение указателя по его поверхности.

Имея ссылку на окно, приложение может производить с ним любые действия, путем посылки ему сообщений.

Изменим код обработки щелчка кнопки:

procedure TForm2.Button1Click(Sender: TObject);
var
  H: HWND;
begin
  H := FindWindow ('TForm1', 'Form1');
  if H <> 0 then
    SendMessage(H, WM_CLOSE, 0, 0);
end;

Если имеется окно класса 'TForm1' с заголовком 'Form1', наше приложение посылает ему сообщение WM_CLOSE - пытается закрыть окно.

Точно также, если необходимо нарисовать что-либо на поверхности чужого окна, необходимо получить ссылку на это окно.

Для начала попробуем рисовать на поверхности родного окна.

Разместите еще одну кнопку, обработку щелчка которой приведите к виду:

procedure TForm2.Button2Click(Sender: TObject);
var
  dc: HDC;
begin
  dc := GetDC (Handle);
  Rectangle (dc, 10, 10, 110, 110);
  ReleaseDC (Handle, dc);
end;

Запустите приложение. При щелчке на добавленной кнопке на поверхности окна рисуется квадрат. Для рисования используем низкоуровневые функции Windows.

Попробуем рисовать на поверхности чужого окна, для чего изменим только что написанный код:

procedure TForm2.Button2Click(Sender: TObject);
var
  dc: HDC;
  Window: HWND;
begin
  Window := FindWindow ('TForm1', 'Form1');
  if Window <> 0 then
  begin
    dc := GetDC (Window);
    Rectangle (dc, 10, 10, 110, 110);
    ReleaseDC (Handle, dc);
  end
end;

Теперь во время работы приложения, если в системе зарегистрировано окно класса 'TForm1' с заголовком 'Form1', вывод будет осуществляться на него. Запустите параллельно откомпилированные модули минимального и только что созданного приложений. При щелчке на кнопке прямоугольник рисуется на поверхности чужого окна.

Замечу, что если закрыть Project1.exe и загрузить в Delphi соответствующий ему проект, при щелчке на кнопке прямоугольник будет рисоваться на поверхности окна формы, что будет выглядеть необычно.

Функции Windows для воспроизведения нуждаются в специальной величине типа HDC (Handle Device Context, ссылка на контекст воспроизведения), для задания значения которой необходимо иметь величину типа HWND - ссылка на окно, уникальный идентификатор всех зарегистрированных в системе окон. В зависимости от версии Delphi ссылки имеют тип либо Integer, либо LongWord.

Графическая система OpenGL, как и любое другое приложение Windows, также нуждается в ссылке на окно, на котором будет осуществляться воспроизведение - специальной ссылке на контекст воспроизведения - величина типа HGLRC (Handle openGL Rendering Context, ссылка на контекст воспроизведения OpenGL). Для получения этого контекста OpenGL нуждается в величине типа HDC (контекст воспроизведения) окна, на который будет осуществляться вывод.

Поэтому наши примеры имеют следующие строки в разделе private описания формы:

DC: HDC;
hrc: HGLRC;

А обработчик события OnCreate формы начинается со следующих строк:

DC := GetDC(Handle);
SetDCPixelFormat;
hrc := wglCreateContext(DC);
wglMakeCurrent(DC, hrc);

То есть мы получаем контекст воспроизведения Windows, задаем желаемый формат пикселей, создаем контекст воспроизведения OpenGL и делаем его текущим, чтобы вызываемые функции OpenGL могли работать с этим окном.

По поводу формата пикселей мы поговорим подробнее чуть позже, а сейчас я хотел бы обратить внимание на два момента.

Во-первых, величину типа HDC мы получаем при создании окна, в обработчике события OnCreate, или, другими словами, в обработчике сообщения WM_CREATE. Это является обычным и традиционном для Windows-программ.

Некоторые программисты сделали мне замечание, что получение контекста воспроизведения при создании окна является несколько некорректным для Windows 9X и более правильным было бы получение контекста в обработчике событий OnShow или OnPaint. Возможно, это так и есть, и в некоторых ситуациях может сказаться на корректности работы приложения. Вы должны учитывать это при написании ответственных приложений.

Во-вторых, контекст воспроизведения Windows и контекст воспроизведения OpenGL обычно освобождаются приложением. То есть, команды вывода OpenGL обычно обрамляются следующими строками:

dc := BeginPaint(Window, ps);
wglMakeCurrent(DC, hrc);

wglMakeCurrent(0, 0);
EndPaint (Window,ps);
ReleaseDC (Window, dc);

Повторяю, это обычные последовательности действий для Windows-программ, контекст воспроизведения должен быть доступен системе и другим приложениям. Я же во многих примерах пренебрегаю этим правилом для сокращения кода. Вы можете убедиться, что программы работают в общем случае корректно, хотя мы отдаем себе отчет, что в некоторых ситуациях такой подход может привести к "глюковатости" работы приложения. Это также надо учесть при написании ответственных приложений.

В наших примерах контекст воспроизведения OpenGL мы занимаем сразу же при его получении, в обработчике события OnCreate, а освобождаем в конце работы приложения, в обработчике события OnDestroy.

Еще одно замечание - команды и функции OpenGL имеют префикс gl для размещенных в библиотеке opengl32.dll и glu для размещенных в библиотеке glu32.dll. Прототипы этих функций находятся в модуле opengl.pas. Функции OpenGL, имеющие отношение только к реализации OpenGL под Windows, имеют префикс wgl, как, например, wglCreateContext, а некоторые вообще не имеют префикса, например, SwapBuffers. Их прототипы описаны в модуле windows.pas.

Если понятия "сообщение" и "контекст" Вами поняты, сейчас Вы можете разобрать проекты WinMin.dpr и Paint.dpr в каталоге Beginer/0. В списке uses данных проектов перечислены всего два модуля - Windows и Messages (SysUtils в проекте Paint не используется). Это означает, что данные проекты не используют библиотеку VCL Delphi. После компиляции этих проектов Вы получите 16-ти килобайтные приложения. Приложения эти иллюстративные, умеют делать немногое, но для нас важен код проектов, возвращающий во времена старого доброго Borland Pascal-я, громоздкий, плохочитаемый, но эффективный для наших задач. Эти проекты помогают понять новичкам, какую каторожную работу выполняет за нас Delphi, и как в действительности работают Windows-приложения. Проекты я постарался хорошо откомментировать, чтобы Вам было легче разобраться.

Если Вы разберетесь, как рисовать функциями GDI на поверхности своего окна, Вы яснее сможете понять, как машина OpenGL рисует на поверхности чужого окна.