ESTUDO COMPARATIVO DE BIBLIOTECAS GRÁFICAS I

ESTUDO COMPARATIVO DE BIBLIOTECAS GRÁFICAS
ITEGRADAS COM OPEGL
Francisco Tiago Avelar, Vitor Conrado F. Gomes, Cesar Tadeu Pozzer
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Curso de Ciência da Computação – Santa Maria - RS
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumo. Este trabalho envolve um estudo
de
bibliotecas
gráficas
para
o
desenvolvimento de aplicações baseadas em
janelas incorporados com OpenGL. Em
função disso, será feito um panorama e um
comparativo das principais APIs escritas em
C/C++. Da mesma forma, serão utilizados
alguns critérios, como o suporte a sistemas
operacionais
Windows
e
Linux,
disponibilidade
de
documentação
e
facilidade de uso. Outros fatores levados em
conta incluem simplicidade quanto à
compilação e as dependências de pacotes,
além de outros aspectos. Ao final será
realizada uma conclusão de quais
bibliotecas gráficas apresentam as melhores
características para criação de programas
gráficos.
Palavras-chave: API, OpenGL, C++.
1. ITRODUÇÃO
A evolução das interfaces das
aplicações acompanha de perto a evolução
da computação. Interfaces textuais, como as
existentes em sistemas operacionais, como o
MS-DOS e UNIX, deram lugar a interfaces
gráficas orientadas a janelas.
Cada sistema possui peculiaridades que
são nativas, tornando específica a
programação para cada plataforma. Neste
aspecto, a linguagem Java surgiu como
unificação
entre
aplicações
gráficas
independentes de plataforma de execução,
permitindo que o código possa ser executado
em qualquer ambiente sem que sejam
realizadas alterações. São exemplos os
pacotes gráficos Java AWT e Java Swing.
Por meio desses, pode-se criar interfaces
gráficas que oferecem recursos de interação
com eventos e componentes gráficos.
Apesar da grande utilização, a
linguagem Java possui limitações de
desempenho pelo fato de ser interpretada,
pois não oferece acesso direto aos recursos
nativos, apontando o uso de linguagens
compiladas, como C++. Em função dessa
tendência, a portabilidade de aplicativos
passa a ser prejudicada, pois exige o
conhecimento de complexas APIs de
sistemas operacionais.
Este artigo apresenta um estudo de caso
envolvendo a escolha de APIs gráficas que
utilizam a linguagem C++ de programação
para geração de interfaces em ambiente
multiplataforma. A organização do trabalho
foi feita expondo o problema definido como
foco da pesquisa. A seguir, um levantamento
das principais APIs gráficas foi estabelecido
ressaltando as funcionalidades de cada uma
separadamente. A partir de então, uma
comparação entre as APIs envolvendo
aspectos positivos e negativos passou a ser
determinado para que, ao final, fosse
possível concluir quais bibliotecas gráficas
possuem as melhores funcionalidades para o
desenvolvimento de aplicações gráficas
baseadas em janelas.
2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Em se tratando de aplicações em
Computação Gráfica para criação de rotinas
gráficas de modelagem, manipulação de
objetos e exibição tridimensional, a
biblioteca OpenGL tornou padrão para
linguagens de programação como C/C++.
Além disso, foi projetada para ser
independente do sistema de janelas e sistema
operacional. Deste modo, não possui
comandos para abertura de janelas e leitura
de eventos do teclado e mouse.
Para associar uma aplicação gráfica em
OpenGL com eventos e sistema de janelas
do sistema operacional, existe outra API,
chamada GLUT (GL Utility Toolkit) cuja
função é realizar a integração com o sistema
local, além oferecer algumas primitivas
gráficas 3D, proporcionando noções simples
para criação de aplicativos gráficos. Apesar
dessas funcionalidades, a GLUT é limitada
em comparação com outras APIs
envolvendo aplicações modernas que
utilizam
botões,
barra
de
tarefas,
deslizadores, menus, etc.
A partir da simplicidade da GLUT, uma
pesquisa envolvendo o levantamento de
características das principais APIs gráficas
passou a ser definido. O propósito é integrar
aplicações em OpenGL com janelas gráficas
aprimoradas envolvendo componentes GUI
modernamente empregados nos sistemas
operacionais amplamente utilizados, como
Windows e Linux, e que as APIs sejam bem
documentadas de modo a facilitar a
compreensão no nível de hierarquia de
classes e reutilização de componentes.
Seguindo esses itens, quatro nomes foram
identificados como sendo as principais:
wxWidgets, Qt, Fox e Gtk+. Após esse
levantamento primário, demais critérios
passaram a ser estabelecidos no intuito de
realizar uma escolha de duas APIs que
melhor se enquadram para implementação
de aplicativos aprimorados com OpenGL.
Em se tratando do âmbito em nível de
aprendizado
acadêmico,
mais
especificamente relacionado ao curso de
Computação Gráfica, fatores decisivos
levaram a uma análise mais detalhada das
quatro APIs identificadas, focando mais
especificamente no nível de compreensão do
código-fonte e nas diretivas de compilação
utilizando o compilador padrão g++. No que
compete ao sistema operacional, foi
necessário avaliar a viabilidade mínima de
requisitos envolvendo pacotes necessários
como dependências de sistema para
compilação e execução de programas
utilizando componentes das APIs gráficas.
Além disso, diretamente relacionado à
documentação e a legibilidade de código, foi
verificado a confiabilidade de forma a
representar o tempo de desenvolvimento do
programador, assim como a utilização das
bibliotecas gráficas em aplicações com
maior impacto a nível industrial no
desenvolvimento
de
soluções
em
computação.
3. ASPECTOS DAS BIBLIOTECAS
GRÁFICAS
Através do levantamento realizado
sobre as APIs gráficas e a escolha de quatro
com as melhores características, uma
descrição envolvendo funcionalidades passa
a ser estabelecida de forma a explorar o
aspecto do desenvolvimento de aplicativos
integrados com OpenGL.
O panorama remete as principais
características envolvendo o diferencial de
cada biblioteca gráfica, de modo a ressaltar
as potencialidades na criação de programas
principalmente voltado à criação de
componentes gráficos e ao tratamento de
eventos de usuário.
3.1 Gtk+
A API GTK+ [1] foi criada para ser
usada pelo GIMP e por isso é chamado de
GIMP Toolkit. Essa API integra o projeto
GNU, sendo escrita em C com design
orientado a objetos. Para este trabalho foi
utilizada a GTKMM que é sua interface para
C++. Nessa API, o tratamento de eventos é
realizado através da emissão de sinais pelo
componente que sofreu interação. O tratador
de sinais é responsável por chamar a função
apropriada. A conexão dos tratadores de
sinais com os componentes é feita através de
métodos específicos, por exemplo, no caso
dos botões pelos métodos signal_pressed,
signal_released, entre outros. É organizada
através da utilização de namespaces, que
fazem
o
agrupamento
lógico
dos
componentes por categoria.
Apesar de Gtk ser multiplataforma, as
aplicações não possuem a aparência nativa
de cada sistema, sendo única para todos. É
importante observar que esta API não possui
suporte a OpenGL, sendo esse suprido pela
utilização da biblioteca gtkglextmm que se
integra perfeitamente ao GTKMM.
3.2 WxWidgets
A wxWidgets [2] possui como
importante
característica
o
seu
funcionamento como uma abstração para o
código nativo de manipulação de janelas
para cada sistema operacional. Isso permite,
com um único código fonte, obter-se versões
do programa para sistemas diferentes e com
a própria aparência do ambiente. A API faz
notavelmente o uso do recurso de macros
C++ para facilitar a codificação dos
programas. Um exemplo é a ausência
explícita da função main em programas que
utilizam a wxWidgets, explicado pelo uso da
macro IMPLEMENT_APP, a qual indica à
API como criar uma instância da aplicação.
Além disso, para a vinculação de eventos aos
componentes gráficos são criadas tabelas de
associações de funções e identificadores
totalmente implementadas através do uso de
macros.
A simplificação para a criação dos
componentes gráficos, que pode ser feito
através da definição de uma instância da
classe
correspondente,
permite
que
programas que utilizem esta API possam ter
um código legível e de fácil implementação.
Essa API é desenvolvida sobre a GTK+ para
a sua utilização em sistemas Linux,
caracterizando ainda mais sua característica
de camada sobre a interface gráfica.
3.3 Qt
A API gráfica Qt [3] apresenta uma
vasta coleção de classes e suporte a
OpenGL. Para fazer emprego mínimo de
macros em C++, Qt faz uso de uma extensão
que vincula uma classe com eventos de
usuário. Em função disso, o cabeçalho de
cada classe, além de possuir o protótipo para
os eventos da classe, deve incluir
obrigatoriamente a macro Q_OBJECT
especificada por Qt. Através do utilitário
MOC [4], cada cabeçalho contendo a macro
é lida com o propósito de gerar um metacódigo em C++ contendo componentes
específicos de Qt para mapear as classes
com seus eventos. A partir disso, a fonte
criada por MOC passa a ser compilada e
ligada com o restante da implementação
usual de classe.
Apesar do mecanismo interno de
templates em C++, a justificativa [5] de Qt
em utilizar esse programa intermediário para
mapeamento das classes com seus eventos
está voltada a oferecer ao desenvolvedor
uma maneira simplificada de programar
através de uma sintaxe clara para criação e
manutenção de código. Além disso, muitos
compiladores da linguagem C++ apresentam
problemas com templates avançados para
ambientes multiplataforma e nem todas as
questões pertinentes envolvendo interfaces
gráficas podem ser resolvidas. Um vetor
genérico é facilmente expressível mesmo
com a especialização parcial de tipos
ponteiros. Por outro lado, uma funçãomembro que constrói uma interface gráfica
baseada num descritor XML dado como uma
cadeia de caracteres não é simplesmente
tratada utilizando templates.
3.4 Fox
A API Fox [6] foi inicialmente
desenvolvida para Linux, mas as versões
mais recentes estão voltadas para executar
em modo multiplataforma. Possui uma
grande quantidade de componentes gráficos
e apresenta uma forma simplificada de
associação de classes com seus eventos
através de identificadores por enumeração.
Uma das características principais é a
abordagem simplificada para construção de
interfaces gráficas através da forma concisa
na criação de componentes. Através de uma
única linha de código na instância de uma
classe, Fox auxilia na criação de muitos
componentes gráficos. Para que essa
característica seja possível, a funcionalidade
da atribuição padrão de parâmetros para
argumentos em C++ é extensivamente
utilizada, resultando na redução no emprego
de vários métodos que manipulam um único
componente, evitando a presença de várias
linhas de código no cumprimento de uma
mesma especificação.
4. AÁLISE ETRE AS BIBLIOTECAS
GRÁFICAS
A partir da descrição envolvendo as
características e recursos relativos a cada
biblioteca gráfica, o próximo passo foi
realizar um confronto ressaltando as
propriedades relacionadas aos critérios
adotados na pesquisa de acordo com os
fatores decisivos especificados na descrição
do problema. Através da criação de
aplicações demonstrativas utilizando cada
API gráfica, um maior contato com o
desenvolvimento de programas gráficos com
cada biblioteca gráfica foi possível de modo
a trazer mais próximo do uso prático.
Uma das grandes vantagens de Qt é a
excelente documentação contendo exemplos
na utilização de diversas classes. A API
wxWidgets compartilha dessa característica
facilitando a criação de componentes e
eventos de forma rápida e simplificada. Em
contrapartida, o núcleo de Qt ocupa maior
espaço em disco devido à grande hierarquia
de classes. Em se tratando de chamadas para
compilação, o utilitário Qmake é incluído
como componente de Qt para automatizar a
criação de Makefile. Embora esse
encapsulamento na criação das diretivas de
compilação possa oferecer uma comodidade
ao programador, a dependência passa a ser
maior na compilação de aplicativos gráficos.
Esse aspecto contraria o ideal de aplicar
diretivas simples de compilação através do
entendimento claro do uso das bibliotecas de
Qt com as dependências do sistema
operacional, pois o Makefile criado de forma
automática por Qmake é complexo,
principalmente devido à organização interna
de Qt e a integração do meta-código gerado
pelo utilitário MOC para vinculação de
classes com tratamento de eventos. Nesse
aspecto, Qt é classificado como uma exceção
de complexidade, pois as demais bibliotecas
gráficas
apresentam
comportamento
satisfatório para criação de Makefile
simplificados.
A wxWidgets possui uma notável
vantagem em relação à GTK+ devido à
simplicidade na criação dos componentes
gráficos, permitindo, através da instância da
classe, tenha-se um componente já
funcional. Essa propriedade também é
explorada extensivamente em Fox e Qt,
assim o caso de utilizar atribuições padrão
no construtor de classe para criação de
componentes gráficos facilita o emprego de
menos linhas para criação de um código
mais condensado. Para a implementação de
alguns recursos, como a vinculação de
eventos a componentes, wxWidgets faz o
uso intensivo de macros do C++, acarretando
em simplicidade na codificação. Apesar
desse emprego reunindo rotinas em forma de
macros, a legibilidade de código passa a ser
comprometida de forma a não oferecer uma
forma mais transparente para o programador.
Em contrapartida, o aspecto positivo é a
inexistência de um utilitário próprio para
associar uma classe com tratamento de
eventos, fato que não ocorre em Qt,
oferecendo
maior
entendimento
na
compilação de programas.
Pelo fato de Gtk+ ser mais difundida em
ambiente Linux, principalmente através do
propósito de ter sido criada inicialmente para
o aplicativo GIMP de edição de imagens; e
Fox ter sido desenvolvida inicialmente para
esse sistema, as dependências são menores,
contribuindo na redução de espaço adicional
em memória secundária, diferentemente de
wxWidgets, cujo espaço passa a ser maior
devido a incluir uma biblioteca própria de
abstração para acesso de rotinas utilizando
componentes Gtk+. Entretanto, em se
tratando execução em ambiente Windows,
GTK+ exige, além de maior espaço de
armazenamento em disco, uma camada de
execução adicional responsável pela
renderização de janelas de modo a
desempenhar um papel de simular um
ambiente próprio de forma a ser compatível
com o sistema gráfico nativo. Esta
característica singular dentre as APIs
analisadas faz com que os programas que
utilizam Gtk+ tenham o mesmo visual em
todas
as
plataformas,
apresentando
comportamento diferenciado das demais
APIs, nas quais a aparência é nativa do
sistema operacional.
5. COSIDERAÇÕES FIAIS
Tendo em posse a descrição e
comparação das quatro bibliotecas gráficas,
a escolha de duas que apresentaram as
melhores características para criação de
aplicativos gráficos integrados com OpenGL
fica melhor constatado, em se tratando do
domínio do curso de Computação Gráfica.
Dessa forma, as bibliotecas gráficas que
melhor apontam características positivas são
wxWidgets e Qt.
Apesar dos aspectos observados sobre
as características das duas APIs escolhidas, é
possível afirmar que ambas possuem
vantagens no ponto de vista da existência de
uma documentação bastante completa e
explicativa, facilitando o desenvolvimento
de programas. Embora a dificuldade
existente em Qt para criar chamadas simples
para compilação, a estratégia foi isolar os
pacotes de núcleo em Qt de modo a compor
uma forma explícita de chamada de
Makefile, desvinculando o uso de Qmake
pelo programador. Seguindo o mesmo
propósito, wxWidgets é mais simplificado
para desenvolvimento de programas, pois
possui pacotes de núcleo com menor
tamanho de armazenamento em disco, além
de oferecer maior autonomia para criação em
chamadas de compilação.
O ideal estabelecido foi trabalhar em
dois alicerces, ou seja, fazer uso de Qt que
emprega menor quantidade de macros, muito
embora utilize um utilitário externo MOC
não padrão de C++ para vincular classes
com tratamento de eventos, ao passo da
adoção de wxWidgets como abordagem
mais
independente
de
utilitários
incorporados por API, mesmo existindo
maior
emprego
de
macros
no
desenvolvimento de aplicação gráfica.
A partir deste trabalho, o próximo passo
será disponibilizar, através da Internet,
tutoriais
explicativos
envolvendo
a
utilização das APIs gráficas escolhidas
contendo exemplos demonstrativos práticos.
Dessa forma, passa a ser melhor aplicável no
âmbito do curso de Computação Gráfica no
desenvolvimento
mais
facilitado
de
aplicações gráficas integradas com OpenGL.
REFERÊCIAS
[1] GTK+ - the GIMP Toolkit, Disponível
em: <http://www.gtk.org>. Acesso em 14
ago. 2007.
[2]
wxWidgets,
Disponível
em:
<http://www.wxwidgets.org>. Acesso em 16
ago. 2007.
[3] Website biblioteca gráfica Qt. Disponível
em
<http://trolltech.com/products/qt>.
Acesso em 15 ago. 2007.
[4] Utilizando o Meta-object Compiler
(MOC).
Disponível
em
<http://doc.trolltech.com/4.0/moc.html>.
Acesso em 15 ago. 2007.
[5] Aspectos de Qt para tratar classes com
eventos.
Disponível
em
<http://doc.trolltech.com/4.0/templates.html
>. Acesso em 15 ago. 2007.
[6] Website biblioteca gráfica Fox.
Disponível
em
<http://www.foxtoolkit.org/>. Acesso em 16 ago. 2007.