Linux 图形基础.doc

1 Linux 图形领域的基础设施 1.1 X Window 也成为X11，是协议。有三个部分X server和X client，widgets。是X server和X client之间的通信协议。X server是xfree86/xorg驱动下的显示设备鼠标键盘统称，X client通过X11协议和xfree86/xorg实现的X server通信，比如，告诉它画一个左上角坐标为(x,y)，宽为w，高为h的窗口，xfree86就让显示器把屏幕上的小灯（像素）打亮，然后你就看 到了一个窗口。 为了方便开发人员编写X clients，就有了Xlib来封装协议；Xlib不够方便，于是就有了qt和gtk，提供了很多窗口控件（widgets）。 1.2 SVGALib SVGALib 是Linux 上底层的图形库，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 改变为同时支持两者，甚至一些流行的高层函数库如QT 和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 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，使用什么样子的画笔，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 Window、SVGALib、FrameBuffer 等等之上。建立在 LibGGI 之上的应用程序，不经重新编译，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。 2 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 Xlib。Xlib 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，GTK、QT 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，GTK、QT 等函数库存在有庞大、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 SDL（Simple 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 Window、X Window with DGA、Linux FrameBuffer 控制台、Linux SVGALib，以及Windows DirectX、BeOS 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 OpenGL 的 Mesa 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 /。 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 FrameBuffe 控制台、Linux SVGALib、X 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 Window、X Window with DGA、BeOS、Linux SVGALib 等平台上。 有关 Mesa3D 的进一步信息，可参阅 /。 2.5 DirectFB DirectFB 是专注于 Linux FrameBuffer 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势提供对加速 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 /。 3 面向嵌入式Linux 系统的图形用户界面 3.1 MicoroWindows/NanoX MicroWindows（/）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 是一个基于典型客户/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 Window 和 Windows CE（Win32 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 OpenGUI（http:/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-DOS、QNX 和 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 Borland 的 BGI 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 TrollTech（/）发布的面向嵌入式系统的 Qt 版本。因为 Qt 是 KDE 等项目使用的 GUI 支持库，所以有许多基于 Qt 的 X Window 程序可以非常方便地移植到 Qt/Embedded 版本上。因此，自从 Qt/Embedded 以 GPL 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 Mizi 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 StrongARM 的 iPAQ。 3.4 MiniGUI MiniGUI（/）是由笔者主持，并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，我们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，SVGALib、LibGGI 以及直接基于 Linux FrameBuffer 的 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 ARM、MIPS、StrongARM 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 GB、BIG5、EUCKR、UJIS。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 和 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 和 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。Linux/Unix系统图形界面原理简单介绍及GTK QT GNOME KDE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,GNOME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unix3.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.Xwindow Xfree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服务器窗口管理器(综合桌面环境)-X应用程序二、linux和windows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,linux和Xfree的关系就相当于当年的DOS和 WINDOWS3.0一样,windows3.0不是独立的操作系统,它只是DOS的扩充,是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了,但linux却不一样,没有图形 界面linux还是linux,很多装linux的WEB服务器就根本不装X服务器.这也WINDOWS和linux的重要区别之一。三、关于linux两大图形界面KDE和Gnome 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Windows、Linux、各种UNIX、OS390和QNX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