Java Bindings for OpenGL

處理3D之API較著名的有OpenGL、PHIGS、DirectX等，以Java開發，則可使用Java 3D API。此外，針對處理3D繪圖及音效，Java另有Java Bindings for OpenGL、Java Bindings for OpenAL、Lightweight Java Game Library、Processing、AgentFX、Xith3D、jME、jgeom、jPCT等API。

在Java中，欲處理3D可使用Java 3D API，除此之外，對於習慣OpenGL的開發者而言，Java Bindings for OpenGL (JOGL) 則是另一個不錯的選擇。

OpenGL其前身為IRIS GL，IRIS GL是Silicon Graphics Inc. (SGI) 為改進另一3D公開標準PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) 所開發的API，但由於SGI在開發IRIS GL時，其部份API並非與3D有關，而是與非標準之視窗、鍵盤及滑鼠有關，且由於牽涉到專利權的關係，因此SGI並未將IRIS GL定位為開放標準。至1992年，SGI以IRIS GL為基礎，宣佈成立OpenGL Architecture Review Board (OpenGL ARB)，以開發及訂定OpenGL規格書。1995年，由於Microsoft發表Direct3D成為SGI OpenGL的最大競爭對手，此舉對SGI造成不少威脅，因此雙方於1997達成協議，試圖於兩者間建立標準的介面，但此計劃後來亦不了了之。

基本上，JOGL並非以Java重新開發OpenGL (雖然部份OpenGL的方法確實以Java改寫)，而是在Java與OpenGL之間擔任中間銜接的角色，如同其名稱Binding一般，以下為各類程式語言與OpenGL間之銜接函式庫，JOGL則為其中之一：

• Delphi: Delphi OpenGL Toolkit (DOT).
• Fortran: Fortran 90 Bindings for OpenGL (F90GL).
• Java: Java Bindings for OpenGL (JOGL).
• Lightweight Java Game Library (LWJGL).
• Perl: Perl OpenGL (POGL).
• Python: Python OpenGL Bindings (PyOpenGL).
• Ruby: ruby-opengl.
• Visual Basic: OpenGL 1.1 ActiveX Control.

以Microsoft Windows作業系統 (586 CPU) 為例，待下載JOGL ZIP檔案及解壓縮之後，可在其lib目錄找到以下執行JOGL所需的檔案，其中GlueGen為透過JNI (Java Native Interface) 建立JOGL及JOAL (Java Bindings for OpenAL) 與OpenGL及OpenAL函式庫間之介面：

• jogl.jar
• jogl.dll
• jogl_awt.dll
• jogl_cg.dll
• gluegen-rt.jar
• gluegen-rt.dll

以JDK 7.0及Microsoft Windows作業系統為例，將上述檔案複製至C:\jdk1.7.0\jre\lib\ext目錄下，並需設定CLASSPATH、PATH與java.library.path環境變數，分別設定上述Java Archive檔案、DLL檔案與其所在之目錄，例如：

• JAVA_EXT=C:\jdk1.7.0\jre\lib\ext
• CLASSPATH=%CLASSPATH%;%JAVA_EXT%\jogl.jar;%JAVA_EXT%\gluegen-rt.jar
• PATH=%PATH%;%JAVA_EXT%\jogl.dll;%JAVA_EXT%\gluegen-rt.dll
• java.library.path=%JAVA_EXT%

至於JOGL API說明文件，除了標準的JOGL API文件之外，在使用JOGL時，可同時參考OpenGL規格書及使用手冊。OpenGL規格書可自http://www.opengl.org/documentation/specs/下載，此外以下為筆者常參考的使用手冊，其中第一、二、三本分別俗稱Red Book、Blue Book與Orange Book：

• OpenGL Architecture Review Board, Dave Shreiner, Mason Woo, Jackie Neider, “OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 2 (5th Edition)”, Addison-Wesley Professional, 2005.
• OpenGL Architecture Review Board, Dave Shreiner, “OpenGL Reference Manual: The Official Reference Document to OpenGL, Version 1.4 (4th Edition)”, Addison-Wesley Professional, 2004.
• Randi J. Rost, "OpenGL Shading Language (2nd Edition)”, Addison-Wesley Professional, 2006.
• Richard S. Wright, Benjamin Lipchak, "OpenGL SuperBible (3rd Edition)”, SAMS, 2004.
• Tom McReynolds, David Blythe, "Advanced Graphics Programming Using OpenGL”, Morgan Kaufmann, 2005.
• Dave Astle, Kevin Hawkins, "Beginning OpenGL Game Programming", Course Technology PTR, 2004.
• Kevin Hawkins, Dave Astle, Andre LaMothe, "OpenGL Game Programming", Course Technology PTR, 2002.
• Dave Astle, "More OpenGL Game Programming", Course Technology PTR, 2005.

JOGL的主要套件包括：

• javax.media.opengl
• javax.media.opengl.glu
• com.sun.opengl.cg
• com.sun.opengl.util
• com.sun.opengl.util.j2d
• com.sun.opengl.util.texture
• com.sun.opengl.util.texture.spi

其中，javax.media.opengl套件包括所有OpenGL 2.0的方法，並支援Java AWT與Java Swing繪圖及事件之API。javax.media.opengl.glu套件為支援OpenGL Graphics System Utility (GLU) 之API套件。com.sun.opengl.util套件為支援OpenGL Utility Toolkit (GLUT) 之API套件，GLUT此公用函式庫提供OpenGL 2.0額外繪製3D幾何圖形與動畫等功能。

在介紹JOGL的程式架構之前，首先介紹如何以C語言開發OpenGL程式，藉此比較C與Java兩者間之差異，請參考以下範例：

/* 以C語言開發OpenGL程式 */ /* DrawRect.c         */ #include <windows.h> #include <gl/glut.h> /* 主程式 */ void main(void) {   /* 設定顯示模式 */   glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);   /* 建立視窗 */   glutCreateWindow("DrawRect");   /* 定義繪圖函式為自訂之RenderScene */   glutDisplayFunc(RenderScene);   /* 定義當視窗大小改變時所呼叫之函式 */   glutReshapeFunc(ChangeSize);   /* 自訂函式以初始化環境 */   Initialize();   /* 進入OpenGL迴圈 */   glutMainLoop(); } /* 初始化環境 */ void Initialize(void) {   /* 以指定顏色清除背景 */   glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); } /* 繪圖 */ void RenderScene(void) {   /* 以目前之顏色清除視窗 */   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);   /* 設定目前繪圖顏色為紅色 */   glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);   /* 繪製矩形並以目前顏色填滿面積 */   glRectf(100.0f, 150.0f, 150.0f, 100.0f);   /* 即刻執行OpenGL指令 */   glFlush(); } /* 當視窗大小改變時 */ void ChangeSize(GLsizei w, GLsizei h) {   /* 設定視界大小為視窗之大小 */   glViewport(0, 0, w, h);   /* 重設座標系統*/   glMatrixMode(GL_PROJECTION);   glLoadIdentity();   if (w <= h)      glOrtho (0.0f, 250.0f, 0.0f, 250.0f*h/w, 1.0, -1.0);   else      glOrtho (0.0f, 250.0f*w/h, 0.0f, 250.0f, 1.0, -1.0);   glMatrixMode(GL_MODELVIEW);   glLoadIdentity(); }

以C語言開發OpenGL程式，其中較重要的方法為：

• glutDisplayFunc()：設定自訂的繪圖函式，為GLUT方法。
• glutReshapeFunc()：設定當視窗大小改變時所呼叫的函式，為GLUT方法。
• glutMainLoop()：進入OpenGL迴圈以偵測OpenGL相關狀態的改變，為GLUT方法。

在JOGL中，則是將上述的方法包裝成為javax.media.opengl.GLEventListener介面，如同Java Event Listener一般，其方法包括：

• init(GLAutoDrawable drawable)：初始化JOGL，可在此方法中定義JOGL之環境，如設定光源位置 (Light Position)、透視度 (Perspective) 等、或載入貼圖所需之圖像檔案，init()方法會在初次建立OpenGL Context之後執行，如同上述範例的Initialize()自訂函式般。
• display(GLAutoDrawable drawable)：如同上述範例的glutDisplayFunc()方法中所定義的RenderScene()函式般，用以繪製圖形。
• reshape(GLAutoDrawable drawable, int x, int y, int width, int height)：如同上述範例的glutReshapeFunc()方法中所定義之ChangeSize()函式般，當視窗大小改變時所呼叫的方法，通常在此方法中重設透視度 (Perspective) 及視界 (Viewport)。
• displayChanged(GLAutoDrawable drawable, boolean mode, boolean device)：當顯示模式 (Display Mode) 或顯示裝置 (Display Device) 改變時所呼叫的方法，例如由16位元改為32位元顯示模式、或在支援虛擬多螢幕的顯示裝置中由一個螢幕移至另一螢幕。因此若無前述之改變，通常不需實作此方法之內容。

因此在Java中，可透過實作javax.media.opengl.GLEventListener介面及其所提供的方法設計JOGL程式。欲註冊GLEventListener介面，可使用GLCanvas或GLJPanel類別的addGLEventListener()方法建立其事件Listener，兩者之差別在於前者繼承自java.awt.Canvas類別，以支援Java AWT之繪圖，後者則繼承自javax.swing.JPanel類別，以支援Java Swing之繪圖。

以GLCanvas類別實作GLEventListener介面的程式架構大致如下：

import java.awt.*; import java.awt.event.*; // JOGL import javax.media.opengl.*; import javax.media.opengl.glu.*; import com.sun.opengl.util.*; public class JOGLDemo extends Frame implements GLEventListener {   ...   // 建構函式   public JOGLDemo(){     ...     // 建立GLCanvas物件      GLCanvas canvas = new GLCanvas();     // 註冊GLEventListener     canvas.addGLEventListener(this);     // 將GLCanvas物件加入Frame中     this.add(canvas);     ...   }   // 實作GLEventListener介面的方法   // 初始化JOGL   public void init(GLAutoDrawable drawable){...}   // 繪製圖形   public void display(GLAutoDrawable drawable){...}   // 當視窗大小改變時   public void reshape(GLAutoDrawable drawable,     int x, int y, int width, int height){...}   // 當顯示模式或裝置改變時   public void displayChanged(GLAutoDrawable drawable,      boolean modeChanged, boolean deviceChanged){...} }

以GLJPanel類別實作GLEventListener介面的程式架構大致如下：

import java.awt.*; import java.awt.event.*; import javax.swing.*; // JOGL import javax.media.opengl.*; import javax.media.opengl.glu.*; import com.sun.opengl.util.*; public class JOGLDemo extends JFrame implements GLEventListener {   ...   // 建構函式   public JOGLDemo(){     ...     // 建立GLJPanel物件     GLJPanel glpanel = new GLJPanel();     // 註冊GLEventListener     glpanel.addGLEventListener(this);     // 將GLJPanel物件加入JFrame中     this.add(glpanel);     ...   }   // 實作GLEventListener介面的方法   // 初始化JOGL   public void init(GLAutoDrawable drawable){...}   // 繪製圖形   public void display(GLAutoDrawable drawable){...}   // 當視窗大小改變時   public void reshape(GLAutoDrawable drawable,     int x, int y, int width, int height){...}   // 當顯示模式或裝置改變時   public void displayChanged(GLAutoDrawable drawable,      boolean modeChanged, boolean deviceChanged){...} }

【執行結果】

【參考資料】

[1] Java Platform, Standard Edition 7, API Specification.
[2] Lance Williams, "Pyramidal Parametrics", Computer Graphics, Vol. 17 No.3, July 1983.
[3] Randi J. Rost, "OpenGL Shading Language (2nd Edition)", Addison-Wesley, 2006.
[4] Richard S. Wright, Benjamin Lipchak, "OpenGL SuperBible (3rd Edition)", SAMS, 2004.
[5] Delphi OpenGL Toolkit.
[6] Fortran 90 Bindings for OpenGL.
[7] GlueGen.
[8] JOAL.
[9] JOGL.
[10] LWJGL.
[11] OpenGL.
[12] Perl OpenGL.
[13] Python OpenGL Bindings.
[14] ruby-opengl.
[15] 黃嘉輝，完全探索網路程式設計 - 使用Java，上奇資訊。

© Chia-Hui Huang