Android OpenGL ES 开发（二）：绘制图形

  • 2020 年 12 月 29 日
  • 筆記

OpenGL 绘制图形步骤

上一篇介绍了 OpenGL 的相关概念，今天来实际操作，使用 OpenGL 绘制出图形，对其过程有一个初步的了解。

OpenGL 绘制图形主要概括成以下几个步骤：

  1. 创建程序
  2. 初始化着色器
  3. 将着色器加入程序
  4. 链接并使用程序
  5. 绘制图形

上述每个步骤还可能会被分解成更细的步骤，对应着多个 api，下面我们来逐个看下。

创建程序

使用 glCreateProgram 创建一个 program 对象并返回一个引用 ID，该对象可以附加着色器对象。注意要在OpenGL渲染线程中创建，否则无法渲染。

初始化着色器

着色器的初始化可以细分为三个步骤：

  1. 创建顶点、片元着色器对象
  2. 关联着色器代码与着色器对象
  3. 编译着色器代码

上一篇文章我们提到了顶点着色器和片元着色器都是可编程管道，因此着色器的初始化少不了对着色器代码的关联与编译，上面三个步骤对应的 api 为：

  1. glCreateShader(int type)
    • type：GLES20.GL_VERTEX_SHADER 代表顶点着色器、GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER 代表片元着色器
  2. glShaderSource(int shader, String code)
    • shader：着色器对象 ID
    • code：着色器代码
  3. glCompileShader(code)
    • code：着色器对象 ID

着色器代码使用 GLSL 语言编写，那代码要怎么保存并使用呢？我看到过三种方式，列出供大家参考：

  1. 字符串变量保存

这种应该是最直观的写法了，直接在对应的类中使用硬编码存储着色器代码，形如：

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

这种方式不是很建议，可读性不好。

  1. 存放于 assets 目录

assets 文件夹下的文件不会被编译成二进制文件，因此适于存放着色器代码，还可以配合 AndroidStudio 插件 GLSL Support 实现语法高亮：

assets

然后再封装读取 assets 文件的方法：

private fun loadCodeFromAssets(context: Context, fileName: String): String {
    var result = ""
    try {
        val input = context.assets.open(name)
        val reader = BufferedReader(InputStreamReader(input))
        val str = StringBuilder()
        var line: String?
        while ((reader.readLine().also { line = it }) != null) {
            str.append(line)
            str.append("\n") //注意结尾要添加换行符
        }
        input.close()
        reader.close()
        result = str.toString()
    } catch (e: IOException) {
        e.stackTrace
    }
    return result
}

需要注意的是要在结尾添加换行符，否则最后输出的只是一行字符串，不符合 GLSL 语法，自然也就无法正常使用。

  1. 存放于 raw 目录

存放于 raw 目录和 assets 目录其实异曲同工，但有个好处是 raw 文件会映射到 R 文件，代码中可以通过 R.raw 的方法使用对应的着色器代码，但 raw 目录下不能有目录结构，这点需要做个取舍。

raw 目录

同样的，封装读取 raw 文件的方法：

private fun loadCodeFromRaw(context: Context, fileId: Int): String {
    var result = ""
    try {
        val input = context.resources.openRawResource(fileId)
        val reader = BufferedReader(InputStreamReader(input))
        val str = StringBuilder()
        var line: String?
        while ((reader.readLine().also { line = it }) != null) {
            str.append(line)
            str.append("\n")
        }
        input.close()
        reader.close()
        result = str.toString()
    } catch (e: IOException) {
        e.stackTrace
    }
    return result
}

着色器程序可能编译失败，可以使用 glGetShaderiv 方法获取着色器编译状况：

var compileStatus = IntArray(1)
//获取着色器的编译情况
GLES20.glGetShaderiv(shader, GLES20.GL_COMPILE_STATUS, compileStatus, 0);
if (compileStatus[0] == 0) {//若编译失败则显示错误日志并
    GLES20.glDeleteShader(shader);//删除此shader
    shader = 0;
}

将着色器加入程序

初始化着色器后拿到着色器对象 ID，再使用 glAttachShader 将着色器对象附加到 program 对象上。

GLES20.glAttachShader(mProgram, shader) //将顶点着色器加入到程序
GLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader) //将片元着色器加入到程序中

链接并使用程序

使用 glLinkProgram 为附加在 program 对象上的着色器对象创建可执行文件。链接可能失败，可以通过 glGetProgramiv 查询 program 对象状态：

GLES20.glGetProgramiv(mProgram, GLES20.GL_LINK_STATUS, linkStatus, 0)
// 如果连接失败，删除这程序
if (linkStatus[0] == 0) {
    GLES20.glDeleteProgram(mProgram)
    mProgram = 0
}

链接成功后，通过 glUseProgram 使用程序，将 program 对象的可执行文件作为当前渲染状态的一部分。

绘制图形

终于到最核心的绘制图形了，前面我们初始化了 OpenGL 程序以及着色器，现在需要准备绘制相关的数据，绘制出一个图形最基础的两个数据就是顶点坐标和图形颜色。

定义顶点数据

尝试画一个三角定，定义三个顶点，每个顶点包含三个坐标 x，y，z。手机屏幕中心坐标系（0，0，0），左上角坐标（-1, 1, 0）。

private val points = floatArrayOf(
    0.0f, 0.0f, 0.0f, //屏幕中心
    -1.0f, -1.0f, 0.0f, //左下角
    1.0f, -1.0f, 0.0f //右下角
)
private val sizePerPoint = 3 //每个顶点三个坐标
private val byteSize = sizePerPoint * 4 //每个顶点之前字节偏移量，float 四个字节
private val pointNum = points.size / sizePerPoint //顶点数量
private var vertexBuffer: FloatBuffer? = null //顶点数据浮点缓冲区

OpenGL 修改顶点属性时接受的数据类型为缓冲区类型 Buffer，因此还需要将数组类型转为 Buffer：

fun createFloatBuffer(array: FloatArray): FloatBuffer {
    val bb = ByteBuffer.allocateDirect(array.size * 4);//float 四个字节
    bb.order(ByteOrder.nativeOrder()) //使用本机硬件设备的字节顺序
    val buffer = bb.asFloatBuffer() //创建浮点缓冲区
    buffer.put(array) //添加数据
    buffer.position(0);//从第一个坐标开始读取
    return buffer
}

为顶点属性赋值

顶点着色器代码：

attribute vec4 vPosition;

void main() {
    gl_Position = vPosition;
}

顶点着色器的每个输入变量叫顶点属性，着色器中定义了 vPosition 用于存放顶点数据，先使用 GLES20.glGetAttribLocation 获取 vPosition 句柄，再使用 GLES20.glVertexAttribPointer 为 vPosition 添加我们定义好的顶点数据。

public static void glVertexAttribPointer(
        int indx,
        int size,
        int type,
        boolean normalized,
        int stride,
        java.nio.Buffer ptr
    )

该方法接收六个参数，分别代表：

  • indx：要修改的顶点属性的句柄
  • size：每个顶点的坐标数，如果只有 x、y 两个坐标值就传 2
  • type：坐标数据类型
  • normalized：指定在访问定点数据值时是应将其标准化（true）还是直接转换为定点值（false）
  • stride：每个顶点之间的字节偏移量
  • ptr：顶点坐标 Buffer
val vPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition") //获取 vPosition 句柄
GLES20.glVertexAttribPointer(vPositionHandle, sizePerPoint, GLES20.GL_FLOAT, false, byteSize, vertexBuffer) //为 vPosition 添加顶点数据

如果 glGetAttribLocation 返回值为 -1 代表获取失败，可能 program 对象或着色器对象里没有对应的属性。

还需要注意的是，为顶点属性赋值时，glVertexAttribPointer 建立了 CPU 和 GPU 之前的逻辑连接，实现了 CPU 数据上传到 GPU。但 GPU 数据是否可见，也就是顶点着色器能否读到数据，则由是否启用了对应的属性决定。默认情况下顶点属性都是关闭的，可以通过 glEnableVertexAttribArray 启用属性，允许着色器读取 GPU 数据。

定义片元颜色

OpenGL 定义色值使用 float 数组，可以使用色值转换在线工具将十六进制色值转换为 float 值

private val colors = floatArrayOf(
    0.93f, 0.34f, 0.16f, 1.00f
)

为颜色属性赋值

片元着色器代码：

precision mediump float;
uniform vec4 zColor;
void main() {
    gl_FragColor = zColor;
}

颜色属性定义为 uniform 变量，为颜色属性赋值一样需要先获取属性句柄，再向属性添加数据：

mColorHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "zColor"); //获取 zColor 句柄
GLES20.glUniform4fv(zColorHandle, 1, color, 0); //为 zColor 添加数据

绘制

GLES20.glEnableVertexAttribArray(vPositionHandle) //启用顶点句柄
GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, pointNum) //渲染图元
GLES20.glDisableVertexAttribArray(vPositionHandle) //禁用顶点句柄

绘制三角形

当当当当，三角形出现了。上次只是绘制了背景色，今天又向前迈一步绘制出图形。但是显而易见这并不是一个等边三角形，和我们定义的坐标有所出入，这是因为 OpenGL 屏幕坐标系是一个正方形并且分布均匀的坐标系，因此将图形绘制到非正方形屏幕上时图形会被压缩或者拉伸。下一篇文章我们会使用投影变换来解决这个问题。

Comming soon 😛

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