OpenGL ES 绘制一个三角形(2)

OpenGL ES 绘制一个三角形(2)

简述

本节我们基于Android系统，使用OpenGL ES来实现绘制一个三角形。在OpenGL ES里，三角形是一个基础图形，其他的图形都可以使用三角形拼接而成，所以我们就的案例就基于这个开始。
在Android系统中，提供给上层应用的View都是通过Canvas的接口来绘制，虽然底层最终也是通过OpenGL ES来实现的，但是由于上层被封装了，我们无法通过这个来实现我们想要实现的demo，我们需要使用GLSurfaceView来实现。

GLSurfaceView继承自SurfaceView，我们知道SurfaceView和一般的View不同，会有自己的Surface，而GLSurfaceView则在SurfaceView的基础上，会初始化EGL的上下文环境。其实我们直接使用SurfaceView也是可以使用OpenGL ES的，只不过GLSurfaceView给我们提供了一些生命周期管理的辅助，在大多数场景使用起来更加方便。

GLSurfaceView提供的是EGL环境，我们想要绘制一个三角形所需要做的事如下：

• 创建一个GLSurfaceView
• 配置EGL（其实GLSurfaceView帮助我们做了大多数的事）
• 使用OpenGL ES接口绘制图像
  • 配置顶点缓冲区
  • 实现顶点着色器和片段着色器
  • 调用drawCall
• 交换缓冲区呈现图像

本节主要是实现demo，对OpenGL渲染大体流程有个感知，一些api的细节可以不需要关注，后续会对每个点会有更详细的介绍。

绘制一个三角形

配置OpenGL ES

在AndroidManifeast.xml里配置
主要就是配置一条
其中glEsVersion是版，我们这里用OpenGL ES 3.0来写demo。

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools">
    <uses-feature android:glEsVersion="0x00030000" android:required="true"/>
    <application>
    // ...
    </activity>
</application>

自定义GLSurfaceView

GLSurfaceView通过setRenderer暴露一个Renderer，Renderer有三个接口onSurfaceCreated/onSurfaceChanged/onDrawFrame。
GLSurfaceView处理了EGL环境相关的逻辑，onDrawFrame则会控制VSync，在需要渲染的时候调用。
onSurfaceChanged是Surface变化的情况下会调用，而onSurfaceCreated则是Surface创建时回调，onDrawFrame和我们自定义View时候的onDraw有一些类似。

public class DemoGLSurfaceView extends GLSurfaceView {
    public DemoGLSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        init();
    }

    public DemoGLSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        init();
    }

    public void init() {
        // 设置版本
        setEGLContextClientVersion(3);
        Renderer renderer = new Renderer() {
            @Override
            public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
                // ...
            }

            @Override
            public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
                // 设定视口，类似相机，相机移动则渲染的图像相对位置变化。
                GLES30.glViewport(0, 0, width, height);
            }

            @Override
            public void onDrawFrame(GL10 gl) {
                // ...
            }
        };
        setRenderer(renderer);
    }
}

配置顶点缓冲区数据

由于我们只是要画一个固定的三角形，顶点缓冲区里的数据都是固定的，所以我们在onSurfaceCreated填充，只需要一次即可。
glGenBuffers是创建一个顶点缓冲区Buffer，第二个参数是一个int数组，创建的顶点缓冲区id会通过这个数组返回，后续使用这个id来使用这个buffer。
我们需要先调用glBindBuffer绑定buffer，然后再通过glBufferData将数据传到缓冲区中。
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, 0)则是用来清除Buffer的绑定操作的，OpenGL的接口设计像是一个状态机，bind上一个Buffer才能对这个Buffer进行操作，如果需要操作其他Buffer则需要bind其他Buffer。
vertexArray有三个节点，是三个顶点的x,y,z坐标。OpenGL的坐标系是x,y,z都是(-1,1)。

private float[] vertexArray = new float[] {
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
        0.5f, -0.5f, 0.0f,
        0.0f, 0.5f, 0.0f
};

@Override
public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
    // 清除背景颜色
    GLES30.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
    // 创建顶点缓冲区
    int[] idBuffer = new int[1];
    GLES30.glGenBuffers(1, idBuffer, 0);
    vertexBufferId = idBuffer[0];

    // 将数据转化成ByteBuffer
    FloatBuffer vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertexArray.length * 4).order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer();
    vertexBuffer.put(vertexArray);
    vertexBuffer.position(0);

    GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, vertexBufferId);
    // 顶点缓冲区数据填充
    GLES30.glBufferData(
            GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
            vertexArray.length * 4,
            vertexBuffer,
            GLES30.GL_STATIC_DRAW
    );
    GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, 0);

    // 初始化shader
    shaderProgramId = initShaderProgram(vertexShaderCode, fragmentShaderCode);
}

配置着色器

着色器是一段给GPU执行的程序，所以其实就是一段代码，我们需要调用对应接口来编译链接。
GLES30.glCreateShader创建一个Shader，参数表示着色器的类型，GL_VERTEX_SHADER为顶点着色器，GL_FRAGMENT_SHADER为片段着色器。
vertexShaderCode字符串是我们配置的顶点着色器，gl_Position是出参，这里是直接做了透传。
fragmentShaderCode是片段着色器，gl_FragColor是出参，是颜色，而uniform vec4 vColor是统一变量，我们设置统一变量直接作为片段着色器的出参。
通过api编译连接后，我们会将它关联到一个Program上，initShaderProgram返回到就是program到id。

private final String vertexShaderCode =
        "attribute vec4 vPosition;" +
                "void main() {" +
                "  gl_Position = vPosition;" +
                "}";


private final String fragmentShaderCode =
        "precision mediump float;" +
                "uniform vec4 vColor;" +
                "void main() {" +
                "  gl_FragColor = vColor;" +
                "}";

private int initShaderProgram(String vertexShaderCode, String fragmentShaderCode) {
    // 编译顶点着色器
    int vertexShader = GLES30.glCreateShader(GLES30.GL_VERTEX_SHADER);
    GLES30.glShaderSource(vertexShader, vertexShaderCode);
    GLES30.glCompileShader(vertexShader);

    // 编译片段着色器
    int fragmentShader = GLES30.glCreateShader(GLES30.GL_FRAGMENT_SHADER);
    GLES30.glShaderSource(fragmentShader, fragmentShaderCode);
    GLES30.glCompileShader(fragmentShader);

    // 链接着色器
    int program = GLES30.glCreateProgram();
    GLES30.glAttachShader(program, vertexShader);
    GLES30.glAttachShader(program, fragmentShader);
    GLES30.glLinkProgram(program);
    return program;
}

@Override
public void onDrawFrame(GL10 gl) {
    // ...
    // 使用编译好的着色器
    GLES30.glUseProgram(shaderProgramId);
    // ...
}

配置顶点布局/渲染

首先我们需要调用glClear清空屏幕，glUseProgram配置着色器程序，glBindBuffer绑定之前填充的Buffer。
属性需要通过glEnableVertexAttribArray使能才可使用，我们这里需要使能vPosition属性。
后续会使用glVertexAttribPointer告诉GPU顶点缓冲区布局情况，顶点缓冲区本质就是一段内存，不过没有glVertexAttribPointer，GPU并不知道怎么使用这个数据。
后面配置vColor作为颜色，(1,1,1,1)分别为RGBA，白色。
最后调用glDrawArrays来渲染三角形。

@Override
public void onDrawFrame(GL10 gl) {
    // 清除屏幕
    GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    // 使能着色器程序
    GLES30.glUseProgram(shaderProgramId);

    // 绑定Buffer
    GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, vertexBufferId);
    // 获取vPosition属性
    int positionLocation = GLES30.glGetAttribLocation(shaderProgramId, "vPosition");
    // 属性需要使能才可使用
    GLES30.glEnableVertexAttribArray(positionLocation);
    // 告诉GPU顶点缓冲区的布局情况，即那些数据的意义是什么。
    // 这是CPU向GPU传数据的一种方式，我们这里是告诉GPU，我们前面bind的顶点缓冲区是什么数据。
    // 第一个参数是attr的id，第二个参数表示每一个顶点有几个数，第三个参数为数据类型，第四个是参数是否需要归一化
    // 第五个参数是步长，表示每个顶点占用了多少字节，0表示顶点都是紧凑的，GPU会通过计算来计算步长，最后一个参数表示offset。
    GLES30.glVertexAttribPointer(positionLocation, 3, GLES30.GL_FLOAT, false, 0, 0);

    // 配置统一变量，用于CPU和GPU通信的
    int colorLocation = GLES30.glGetUniformLocation(shaderProgramId, "vColor");
    GLES30.glUniform4f(colorLocation, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

    // 调用DrawCall绘制三角形
    GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLES, 0, 3);

    // 清除配置
    GLES30.glDisableVertexAttribArray(positionLocation);
    GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    GLES30.glUseProgram(0);
}

效果

三角形之所以不是正三角形是因为屏幕是长方形的。

小结

本节通过OpenGL ES实现了一个三角形的渲染，对于每个接口使用只做了一个简单的介绍，想必首次学习OpenGL的同学会有很多疑问，比如怎么渲染多个目标，怎么实现渐变颜色等，我们的后续会对每一个点做更细节的学习，这一节主要是了解一下OpenGL的总体渲染流程，大概知道OpenGL接口是怎么工作的即可，后续的介绍也会基于本章的demo。