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日志

 
 

Linux 下的开源图形库  

2013-10-02 12:40:25|  分类: linux系统级工具 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在进行Linux下的图形系统编程时,我们常常会遇到以下这些概念:Framebuffer, X11, SDLDFB, miniGUI, OpenGLQT, GTKKDE, GNOME等等。

一、Linux 图形领域的基础设施

1.1 X Window

X Window从逻辑上分为三层:X ServerX ClientX协议。

最底层的X ServerX服务器)主要处理输入/输出信息并维护相关资源,它接受来自键盘、鼠标的操作并将它交给X ClientX客户端)作出反馈,而由X Client传来的输出信息也由它来负责输出;

层的X Client则提供一个完整的GUI界面,负责与用户的直接交互(KDEGNOME都是一个X Client

X协议则是衔接X ServerX Client的通讯协议它的任务是充当这两者的沟通管道。尽管UNIX厂商采用相同的X Window,但终端的X Client并不相同。

XFree86X Window系统的一个开源的实现。它主要运行于Unix以及类Unix操作系统上。XFree86在显示硬件(鼠标、键盘以及显卡)与桌面环境(也就是窗口管理器)之间提供了一个Client/Server接口。

1.2 SVGALib
SVGALib
Linux下的底层图形库,也是Linux系统中最早出现的非X图形支持库,它支持标准的VGA图形模式和一些其他的模式,SVGALib的缺点是程序必须以root权限登录,并且它是基于图形卡的,所以不是所有的硬件都支持它。
自从framebuffer这个孪生姐妹诞生后,许多软件由只支持SVGALib变为同时支持两者,甚至一些流行的高层函数库如QT GTK只支持Framebuffer,作为一个老的图形支持库,SVGALib目前的应用范围越来越小,尤其是在 Linux 内核增加了FrameBuffer驱动支持之后。


1.3 FrameBuffer
FrameBuffer
是出现在Linux 2.2.xx内核当中的一种驱动程序接口。这种接口将显示设备抽象为帧缓冲区。用户可以将它看成是显示内存的一个映像,将其映射到进程地址空间之后,就可以直接对显存进行读写操作,而写操作可以立即反映在屏幕上。该驱动程序的设备文件一般是/dev/fb0/dev/fb1 等等。
在应用程序中,一般通过将FrameBuffer设备映射到进程地址空间的方式
来使用,比如下面的程序就打开/dev/fb0设备,并通过mmap系统调用进行地址映射,随后用memset将屏幕清空(这里假设显示模式是1024x766-8位色模式线性内存模式):

FrameBuffer
设备还提供了若干ioctl命令,通过这些命令,可以获得显示设备的一些固定信息(比如显示内存大小)、与显示模式相关的可变信息(比如分辨率、象素结构、每扫描线的字节宽度),以及伪彩色模式下的调色板信息等等。
FrameBuffer
实际上只是一个提供显示内存和显示芯片寄存器从物理内存映射到进程地址空间中的设备。所以,对于应用程序而言,如果希望在 FrameBuffer之上进行图形编程,还需要完成其他许多工作。FrameBuffer 就像一张画布用什么样子的画笔,如何画画,还需要你自己动手完成。


1.4 LibGGI
LibGGI
试图建立一个一般性的图形接口,而这个抽象接口连同相关的输入(鼠标、键盘、游戏杆等)抽象接口一起,可以方便地运行在X WindowSVGALibFrameBuffer等等之上。建立在LibGGI之上的应用程序,不重新编译,就可以在上述这些底层图形接口上运行。但不知何故,LibGGI的发展几乎停滞。


二、Linux 图形领域的高级函数库

2.1 Xlib
及其他相关函数库
  在X Window系统中进行图形编程时,可以选择直接使用XlibXlib实际是对底层X协议的封装,可通过该函数库进行一般的图形输出。如果你的X Server支持DGA,则可以通过DGA扩展直接访问显示设备,从而获得加速支持。对一般用户而言,由于Xlib的接口太原始而且复杂,因此一般的图形程序选择其他高级一些的图形库作为基础。比如GTKQT 等等。这两个函数同时还是一些高级的图形用户界面支持函数库。由于种种原因,GTKQT等函数库存在庞大、占用系统资源多的问题,不太适合在嵌入式系统中使用。这时,你可以选择使用 FLTK,这是一个轻量级的图形函数库,但它的主要功能集中在用户界面上,提供了较为丰富的控件集。

2.2 SDL
  SDLSimple DirectMedia Layer)是一个跨平台的多媒体游戏支持库。其中包含了对图形、声音、游戏杆、线程等等的支持,目前可以运行在许多平台上,其中包括 X WindowX Window with DGALinux FrameBuffer控制台、Linux SVGALib,以及Windows DirectXBeOS 等等。
  因为SDL专门为游戏和多媒体应用而设计开发,所以它对图形的支持非常优秀,尤其是高级图形能力,比如Alpha混和、透明处理、YUV覆盖、Gamma 校正等等。而且在SDL环境中能够非常方便地加载支持OpenGLMesa库,从而提供对二维和三维图形的支持。
  可以说,SDL是编写跨平台游戏和多媒体应用的最佳平台,也的确得到了广泛应用。相关信息,可参阅 http://www.libsdl.org/

2.3 Allegro
  Allegro是一个专门为x86平台设计的游戏图形库。最初的Allegro运行在 DOS环境下,而目前可运行在Linux FrameBuffer控制台、Linux SVGALibX Window等系统上。Allegro提供了一些丰富的图形功能,包括矩形填充和样条曲线生成等等,而且具有较好的三维图形显示能力。由于Allegro的许多关键代码是采用汇编编写的,所以该函数库具有运行速度快、资源占用少的特点。然而,Allegro也存在如下缺点:
1
)对线程的支持较差。Allegro的许多函数是非线程安全的,不能同时在两个以上的线程中使用。
2
)对硬件加速能力的支持不足,在设计上没有为硬件加速提供接口。
有关 Allegro 的进一步信息,可参阅http://www.allegro.cc/

2.4 Mesa3D
  Mesa3D是一个兼容OpenGL规范的开放源码函数库,是目前Linux上提供专业三维图形支持的惟一选择。Mesa3D同时也是一个跨平台的函数库,能够运行在X WindowX Window with DGABeOSLinux SVGALib 等平台上。
有关 Mesa3D 的进一步信息,可参阅 http://www.mesa3d.org/

2.5 DirectFB
  DirectFB是专注于Linux FrameBuffer硬件加速的一个图形库,并试图建立一个兼容GTK的嵌入式GUI系统。它以可装载函数库的形式提供对加速 FrameBuffer驱动程序的支持。目前,该函数库正在开发之中(最新版本 0.9.97),详情可见 http://www.directfb.org/

三、面向嵌入式Linux系统的图形用户界面
3.1 MicoroWindows/NanoX
  MicroWindowshttp://microwindows.censoft.com/)是一个开放源码的项目,目前由美国Century Software公司主持开发。该项目的开发一度非常活跃,国内也有人参与了其中的开发,并编写了GB2312等字符集的支持。但在 Qt/Embedded发布以来,该项目变得不太活跃,并长时间停留在0.89Pre7版本。可以说,以开放源码形势发展的MicroWindows项目,基本停滞。
  MicroWindows是一个典型基于客户/服务器体系结构的GUI系统,基本分为三层。最底层是面向图形输出和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序;中间层提供底层硬件的抽象接口,并进行窗口管理;最高层分别提供兼容于X WindowWindows CEWin32 子集)的API
  该项目的主要特色在于提供了类似X的客户/服务器体系结构,并提供了相对完善的图形功能,包括一些高级的功能,比如Alpha混合,三维支持,TrueType 字体支持等。但需要注意的是,MicroWindows的图形引擎存在许多问题,可以归纳如下:
1
)无任何硬件加速能力。
2
)图形引擎中存在许多低效算法,同时未经任何优化。比如在直线或者圆弧绘图函数中,存在低效的逐点判断剪切的问题。
3
)代码质量较差。由于该项目缺少一个强有力的核心代码维护人员,因此代码质量参差不齐,影响整体系统稳定性。这也是MicroWindows长时间停留在 0.89Pre7 版本上的原因。
  MicroWindows 采用MPL条款发布(该条款基本类似 LGPL 条款)。

3.2 OpenGUI
  OpenGUIhttp://www.tutok.sk/fastgl/)在Linux系统上存在已经很长时间了。最初的名字叫FastGL,只支持256色的线性显存模式,但目前也支持其他显示模式,并且支持多种操作系统平台,比如 MS-DOSQNX Linux等等,不过目前只支持x86硬件平台。OpenGUI也分为三层。最低层是由汇编编写的快速图形引擎;中间层提供了图形绘制API,包括线条、矩形、圆弧等,并且兼容于 BorlandBGI API。第三层用C++编写,提供了完整的GUI对象集。
  OpenGUI采用LGPL条款发布。OpenGUI比较适合于基于x86平台的实时系统,可移植性稍差,目前的发展也基本停滞。

3.3 Qt/Embedded
  Qt/Embedded是著名的Qt库开发商TrollTechhttp://www.trolltech.com/)发布的面向嵌入式系统的Qt版本。因为QtKDE等项目使用的GUI支持库,所以有许多基于Qt X Window程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded版本上。因此,自从Qt/EmbeddedGPL条款形势发布以来,就有大量的嵌入式Linux开发商转到了Qt/Embedded系统上。比如韩国的Miz 公司,台湾省的某些嵌入式Linux应用开发商等等。
  不过,在笔者看来,Qt/Embedded还有一些问题值得开发者注意:
1
)目前,该系统采用两种条款发布,其中包括GPL条款。对函数库使用GPL条款,意味着其上的应用需要遵循GPL条款。当然了,如果要开发商业程序,TrollTech也允许你采用另外一个授权条款,这时,就必须向TrollTech交纳授权费用了。
2
Qt/Embedded是一个C++函数库,尽管Qt/Embedded声称可以裁剪到最少 630K,但这时的Qt/Embedded库已经基本上失去了使用价值。低的程序效率、大的资源消耗也对运行Qt/Embedded的硬件提出了更高的要求。
3
Qt/Embedded库目前主要针对手持式信息终端,因为对硬件加速支持的匮乏,很难应用到对图形速度、功能和效率要求较高的嵌入式系统当中,比如机顶盒、游戏终端等等。
4
Qt/Embedded提供的控件集风格沿用了PC风格,并不太适合许多手持设备的操作要求。
5
Qt/Embedded的结构过于复杂,很难进行底层的扩充、定制和移植,尤其是那个用来实现signal/slot机制的著名的moc文件。
  因为上述这些原因,目前所见到的Qt/Embedded 的运行环境,几乎是清一色基于StrongARMiPAQ
注:目前,Qt/Embedded已经增加了对DirectFB驱动的支持,因此具有了图形加速能力,其性能也大大地得到提高。

3.4 MiniGUI
  MiniGUIhttp://www.minigui.org/)是由许多自由软件开发人员支持的一个自由软件项目(遵循 LGPL 条款发布),其目标是为基于Linux 的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。该项目自 1998 年底开始到现在,已历经3年多的开发过程。到目前为止,已经非常成熟和稳定。目前,已经正式发布了稳定版本 1.0.9,并且开始了新版本系列的开发,即 MiniGUI Version 1.1.x,该系列的正式版也即将发布。

  在MiniGUI几年的发展过程中,有许多值得一提的技术创新点,正是由于这些技术上的创新,才使得 MiniGUI 更加适合实时嵌入式系统;而且 MiniGUI 的灵活性非常好,可以应用在包括手持设备、机顶盒、游戏终端等等在内的各种高端或者低端的嵌入式系统当中。这些技术创新包括:
1
)图形抽象层。图形抽象层对顶层 API 基本没有影响,但大大方便了 MiniGUI 应用程序的移植、调试等工作。目前包含三个图形引擎,SVGALibLibGGI 以及直接基于 Linux FrameBuffer Native Engine,利用 LibGGI 时,可在 X Window 上运行 MiniGUI 应用程序,并可非常方便地进行调试。与图形抽象层相关的还有输入事件的抽象层。MiniGUI 现在已经被证明能够在基于 ARMMIPSStrongARM 以及 PowerPC 等的嵌入式系统上流畅运行。
2
)多字体和多字符集支持。这部分通过设备上下文(DC)的逻辑字体(LOGFONT)实现,不管是字体类型还是字符集,都可以非常方便地进行扩充。应用程序在启动时,可切换系统字符集,比如 GBBIG5EUCKRUJIS。利用 DrawText 等函数时,可通过指定字体而获得其他字符集支持。对于一个窗口来说,同时显示不同语种的文字是可能的。MiniGUI 的这种字符集支持不同于传统通过 UNICODE 实现的多字符集支持,这种实现更加适合于嵌入式系统。
3
)两个不同架构的版本。最初的 MiniGUI 运行在 PThread 库之上,这个版本适合于功能单一的嵌入式系统,但存在系统健壮性不够的缺点。在 0.9.98 版本中,我们引入了 MiniGUI-Lite 版本,这个版本在提高系统健壮性的同时,通过一系列创新途径,避免了传统 C/S 结构的弱点,为功能复杂的嵌入式系统提供了一个高效、稳定的 GUI 系统。
  在 MiniGUI 1.1.0 版本的开发中,我们参照 SDL Allegro 的图形部分,重新设计了图形抽象层,并增强了图形功能,同时增强了 MiniGUI-Lite 版本的某些特性。这些特性包括:
1
MiniGUI-Lite 支持层的概念。同一层可容纳多个能够同时显示的客户程序,并平铺在屏幕上显示。
2
)新的 GAL 能够支持硬件加速能力,并能够充分使用显示内存;新 GAL 之上的新 GDI 接口得到进一步增强。新的 GDI 接口可以支持 Alpha 混和、透明位块传输、光栅操作、YUV覆盖、Gamma 校正,以及高级图形功能(椭圆、多边形、样条曲线)等等。
  MiniGUI 新版本在图形方面的增强和提高,将大大扩展它的应用领域,希望能够对嵌入式 Linux 上的多媒体应用、游戏开发提供支持。
  纵观嵌入式 Linux 系统上的各种图形系统方案,我们发现,许多图形系统(如 Qt/Embedded MicoroWindows),只注重手持设备上的需求,却不太注重其他应用领域的需求,而其他许多需要图形支持的嵌入式 Linux 系统却需要许多独特的、高级的图形功能,而不仅仅是图形用户界面。为此,在接下来的开发中,我们还将在如下领域继续开发 MiniGUI
1
)提供运行在 MiniGUI上的 JAVA 虚拟机 AWT 组件的实现。
2
)提供 MiniGUI 上的OpenGL 实现。
3
)提供类QT 控件集的C++ 封装。
3
)提供窗口/控件风格主题支持。
4
)在 MiniGUI-Lite 当中增加对矢量字体的支持。

四、Linux/Unix系统图形界面原理简单介绍GTKQTGNOMEKDE的关系

最近IT新闻出现较多的就是诺基亚的新版手机操作系统Symbian 3。今天看到在cnbeta上看大家为这个系统争论不休,其焦点也逐渐转移到到塞班新系统的核心技术Qt 。评论区大家唇枪舌战,不过很多人连基本概念都没搞明白,今天正好无事可做,稍微整理下X11,GTK,QT,GNOMEKDE的区别与联系。

一、在这之前你必须要了解:

1.linux是基于Unix的;

2.塞班Symbian、苹果max os等系统的最底层也是unix;

3.linux本身没有图形界面,linux现在的图形界面的实现只是linux下的应用程序实现的;

4.XwindowXfree中的X是协议,不是具体的某个软件;

5.linux图形界面层次关系:linux本身-->X服务器<-[通过X协议交谈]->窗口管理器(综合桌面环境)-->X应用程序

二、linuxwindows下界面系统的区别:

图形界面并不是linux的一部分 ,linux只是一个基于命令行的操作系统,linuxXfree的关系就相当于当年的DOSWINDOWS3.0一样,windows3.0不是独立的操作系统,它只是DOS的扩充,DOS下的应用程序级别的系统,不是独立的操作系统,同样 XFree只是linux下的一个应用程序而已.不是系统的一部分,但是X的存在可以方便用户使用电脑.WINDOWS95及以后的版本就不一样了,他们 的图形界面是操作系统的一部分,图形界面在系统内核中就实现了,没有了图形界面windows就不成为windows,linux却不一样,没有图形界面linux还是linux,很多装linuxWEB服务器就根本不装X服务器这也WINDOWSlinux的重要区别之一。

三、关于linux两大图形界面KDEGnome

KDE早于Gnome出现,但是KDE基于的Qt是不遵循GPL开源协议的,Qt是一个跨平台的C++图形用户界面库 ,它是挪威TrollTech公司的产品(2008年底被NOKIA收购)Qt具有优良的跨平台特性(支持WindowsLinux、各种UNIXOS390QNX等)、面向对象机制以及丰富的API,同时也可支持2D/3D渲染和OpenGL API。在当时的同类图形用户界面库产品中,Qt的功能最为强大.但底层的基础 Qt却是一个不遵循GPL的商业软件,这就给KDE上了一道无形的枷锁并带来可能的法律风险。一大批自由程序员对KDE项目的决定深为不满,它们认为利用非自由软件开发违背了GPL的精神。于是这些GNU的狂热信徒兵分两路:其中一部分人去制作Harmonny,试图重写出一套兼容Qt的替代品,这个项目虽然技术上相对简单,但却没有获得KDE项目的支持;另一路人马则决定重新开发一套名为“GNOMEGNU Network Object Environment)”的图形环境来替代KDE

GNOME选择完全遵循GPLGTK图形界面库为基础,因此我们也一般将GNOMEKDE两大阵营称为GNOME/GTKKDE/Qt。与Qt基于C++语言不同,GTK采用较传统的C语言 ,虽然C语言不支持面向对象设计,看起来比较落后,但当时熟悉C语言的开发者远远多于熟悉C++的开发者。加之GNOME/GTK完全遵循GPL版权公约,吸引了更多的自由程序员参与。

四、linux/unix基于X window的图形显示处理原理

X Window从逻辑上分为三层:最底层的X ServerX服务器)主要处理输入/输出信息并维护相关资源,它接受来自键盘、鼠标的操作并将它交给X ClientX客户端)作出反馈,而由X Client传来的输出信息也由它来负责输出;最外层的X Client则提供一个完整的GUI界面,负责与用户的直接交互(KDEGnome都是一个X Client),而衔接X ServerX Client的就是“X Protocol(X通讯协议)”、它的任务是充当这两者的沟通管道。尽管UNIX厂商采用相同的X Window,但终端的X Client并不相同。

五、QtGTK KDEGNOME的关系

简单来说:为了方便开发人员编写X clients,就有了Xlib来封装X协议;Xlib不够方便,于是就有了qtgtk,它们提供了很多窗口控件(widgets)。
为了方便用户 ,就出现了gnomekde等桌面管理系统。一般来说,linux用户看到的界面就是其中之一了。gnome用的是gtk库,kde用的是qt库。


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