OpenGL ES 学习(三) -- 绘制平面图形

OpenGL 学习教程
Android OpenGL ES 学习(一) – 基本概念
Android OpenGL ES 学习(二) – 图形渲染管线和GLSL
Android OpenGL ES 学习(三) – 绘制平面图形
Android OpenGL ES 学习(四) – 正交投屏
Android OpenGL ES 学习(五) – 渐变色
Android OpenGL ES 学习(六) – 使用 VBO、VAO 和 EBO/IBO 优化程序
Android OpenGL ES 学习(七) – 纹理
代码工程地址： https://github.com/LillteZheng/OpenGLDemo.git

上一章中，已经对 OpenGL 的编程语言 GLSL 和渲染模式有了一定的了解，今天，将运用之前的知识，完成一些平面图形的操作。效果如下：

如果你对 OpenGL 的基本概念或者渲染流程不清晰，建议先看 OpenGL ES 学习(一) – 基本概念 和 OpenGL ES 学习(二) – 渲染模式和GLSL
这两篇文章。

看下面一张图：

在写程序之前，先有个认知，就是我们的写的程序是在 client ，就是cpu 的部分，那怎么跟 GPU (server) 通信呢？
从图看，它是通过顶点着色器的数据进行通信的，比如 attributes (in) 或 uniforms 的数据，在变成着色器程序后，就可以操作 gpu ，实现快速绘制的效果。

一. 完整程序编写

知道上面通信的机制，所以，第一步，就是顶点着色器的代码编写。

1.1 着色器代码代码编写

先新建一个 GLSL 的文件，编写顶点着色器的代码，对 GLSL 不熟悉，可以先 OpenGL ES 学习(二) – 渲染模式和GLSL 。

一个着色器的代码，都是一个执行片段，所以，都是 main 函数为入口。
一个点绘制，需要位置，大小和颜色，而着色的内置参数为：

• 顶点着色器(Vectex Shader)：gl_Position(位置) 和 gl_pointSize (大小)

所以，点的顶点着色器代码为：

其中，#version 300 es 表明 gl 的版本
顶点着色器的代码字符串为(后面用)：

        //注意 #version 这里，一定要第一行，不然gl识别不到
        private val VERTEX_SHADER = """#version 300 es
           layout(location=0) in vec4 a_Position;
         
            void main(){
                gl_Position = a_Position;
                gl_PointSize = 100.0;
            }
            
        """
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片段着色器这里，只需要涂上一个颜色即可，这个颜色值由程序给，

private val FRAGMENT_SHADER = """#version 300 es
         // 定义所有浮点数据类型的默认精度；有lowp、mediump、highp 三种，但只有部分硬件支持片段着色器使用highp。(顶点着色器默认highp)
         precision mediump float;
         //颜色是4分量，如果没有设置，则默认黑色 RGBA
         out vec4 u_Color;
         void main(){
             u_Color = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
         }
 """
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1.2 着色的创建/编译

先看一张图：

所以，一个着色器的代码生成，可以理解为：

1. 着色器的代码构建：glCreateShader -> glShaderSource -> glCompileShader 组成
2. 使用 glCreateProgram 拿到 OpenGL 对象
3. 使用 glAttachShader 关联着色器代码，
4. glLinkProgram 将着色器的程序关联到 OpenGL 对象，组成一个 OpenGL 程序
5. 使用 GLES20.glUseProgram，使用上述的 OpenGL 程序

1.2.1 编译着色器

    /**
     * 编译着色器代码，获取代码Id
     */
    open fun compileShader(type: Int, shaderCode: String): Int {
        //创建一个shader 对象
        val shaderId = GLES30.glCreateShader(type)
        if (shaderId == 0) {
            Log.d(TAG, " 创建失败")
            return 0
        }
        //将着色器代码上传到着色器对象中
        GLES30.glShaderSource(shaderId, shaderCode)
        //编译对象
        GLES30.glCompileShader(shaderId)
        //获取编译状态，OpenGL 把想要获取的值放入长度为1的数据首位
        val compileStatus = intArrayOf(1)
        GLES30.glGetShaderiv(shaderId, GLES30.GL_COMPILE_STATUS, compileStatus, 0)
        Log.d(TAG, " compileShader: ${compileStatus[0]}")

        if (compileStatus[0] == 0) {
            Log.d(TAG, " 编译失败: ${GLES30.glGetShaderInfoLog(shaderId)}")
            GLES30.glDeleteShader(shaderId)
            return 0
        }

        return shaderId
    }
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可以使用 GLES30.glGetShaderInfoLog(shaderId) 获取执行错误的信息。

1.2.2 关联着色器代码，组成可执行程序

    /**
     * 关联着色器代码，组成可执行程序
     */
    open fun linkProgram(vertexShaderId: Int, fragmentShaderId: Int): Int {
        //创建一个 OpenGL 程序对象
        val programId = GLES30.glCreateProgram()
        if (programId == 0) {
            Log.d(TAG, " 创建OpenGL程序对象失败")
            return 0
        }
        //关联顶点着色器
        GLES30.glAttachShader(programId, vertexShaderId)
        //关联片段周色漆
        GLES30.glAttachShader(programId, fragmentShaderId)
        //将两个着色器关联到 OpenGL 对象
        GLES30.glLinkProgram(programId)
        //获取链接状态，OpenGL 把想要获取的值放入长度为1的数据首位
        val linkStatus = intArrayOf(1)
        GLES30.glGetProgramiv(programId, GLES30.GL_LINK_STATUS, linkStatus, 0)
        Log.d(TAG, " linkProgram: ${linkStatus[0]}")

        if (linkStatus[0] == 0) {
            GLES30.glDeleteProgram(programId)
            Log.d(TAG, " 编译失败")
            return 0
        }
        return programId;

    }
    
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1.2.3 使用程序

    /**
     * 生成可执行程序，并使用该程序
     */
    protected fun makeProgram(vertexShaderCode: String, fragmentShaderCode: String): Int {
        //需要编译着色器，编译成一段可执行的bin，去与显卡交流
        val vertexShader = compileShader(GLES30.GL_VERTEX_SHADER, vertexShaderCode)
        //步骤2，编译片段着色器
        val fragmentShader = compileShader(GLES30.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderCode)

        // 步骤3：将顶点着色器、片段着色器进行链接，组装成一个OpenGL程序
        programId = linkProgram(vertexShader, fragmentShader)
        //链接之后就可以删除着色器对象了，不需要了
        GLES30.glDeleteShader(vertexShader)
        GLES30.glDeleteShader(fragmentShader)

        //通过OpenGL 使用该程序
        GLES30.glUseProgram(programId)
        return programId
    }
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着色器创建、编译和链接，都可以拿到状态值，大于0的时候，则表示是可用的。这几步都是固定，封装好就可以了。

1.3 获取定编索引和通过 GL 使用索引

1.3.1 定义顶点

这里先用一个点来表示，上面说道，顶点有4个分量，但是点是x,y 两个分量，所以设置为0,0 即可，如下

        //定点的数据，只有一个点，就放中心即可
        private val POINT_DATA = floatArrayOf(0f, 0f)

        /**
         * Float类型占4Byte
         */
        private val BYTES_PER_FLOAT = 4
        /**
         * 每个顶点数据关联的分量个数：当前案例只有x、y，故为2
         */
        private val POSITION_COMPONENT_COUNT = 2
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加载顶点数据到内存

    //通过nio ByteBuffer把设置的顶点数据加载到内存
    private var vertexData =ByteBuffer
        // 分配顶点坐标分量个数 * Float占的Byte位数
        .allocateDirect(POINT_DATA.size * BYTES_PER_FLOAT)
        // 按照本地字节序排序
        .order(ByteOrder.nativeOrder())
        // Byte类型转Float类型
        .asFloatBuffer()
        .put(POINT_DATA)
        //将缓冲区的指针指到头部，保证数据从头开始
        .position(0)

//后面封装成 vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_DATA)
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1.3.1 关联顶点数据

GL 关联索引，使用的是 glVertexAttribPointer 方法，它会把顶点数据和属性关联到 GL 里，然后再通过 glEnableVertexAttribArray，告知 GL 使用指定的顶点属性索引。

完成代码如下：

    override fun onSurfaceCreated(gl: GL10?, config: EGLConfig?) {
        //白色背景
        GLES30.glClearColor(1f, 1f, 1f, 1f)
        // 编译着色器相关程序
        makeProgram(VERTEX_SHADER, FRAGMENT_SHADER)

        // 关联顶点坐标属性和缓存数据，参数说明如下：
        GLES30.glVertexAttribPointer(
            0, //位置索引
            POSITION_COMPONENT_COUNT,//用几个分量描述一个顶点
            GLES30.GL_FLOAT,//分量类型
            false, //固定点数据值是否应该被归一化
            0, //指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0
            vertexData
        ) //顶点数据缓冲区

        //通知GL程序使用指定的顶点属性索引
        GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
    }
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1.4 渲染

OpenGL 的加载容器使用的是 GLSurfaceView ，基于 SurfaceView ，通过 Render 来加载数据。
因此，我们可以继承 GLSurfaceView.Renderer，重写方法：

@Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
      //着色器的加载、赋值
    }

    @Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
        GLES30.glViewport(0, 0, width, height);
    }

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        //清屏
        GLES30.glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        
        //绘制
        GLES30.glDrawArrays(GLES20.GL_POINTS,0,1);
    }
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上面在 onSurfaceCreated 中完成了着色器的加载和复制。
而当有数据来的时候，会回调 onDrawFrame 方法，我们可以在这里，使用 glDrawArrays 去绘制顶点的类型，和个数，该方法的解释为，假如现按顺序有A、B、C、D、E、F一共6个点。
而mode的具体参数值如下：

二. 画几何图形

2.1 画点

完成代码为：

    override fun onSurfaceChanged(gl: GL10?, width: Int, height: Int) {
        //填充整个页面
        GLES30.glViewport(0, 0, width, height)
    }

    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        Log.d(TAG, "onDrawFrame() call")
        //步骤1：使用glClearColor设置的颜色，刷新Surface
        GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
        // 1.绘制的图形类型；2.从顶点数组读取的起点；3.从顶点数组读取的顶点个数 ,这里只绘制一个点
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_POINTS, 0, 1)
    }
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GLSurfaceView 的使用

glSurfaceView = GLSurfaceView(this@MainActivity).apply {
				//设置 GL 的版本
                    setEGLContextClientVersion(3)
                    setEGLConfigChooser(false)
                    //你继承的  GLSurfaceView.Renderer
                    setRenderer(render)
                    //等待点击才会刷帧
                    renderMode = GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY

                }
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效果：

2.2 画多边形

修改顶点数据

        private val POINT_DATA = floatArrayOf(
            //x,y 一个点，这里相当于一个棱形，自己画个坐标
            0f, 0f,
            0f, 0.5f,
            -0.5f, 0f,
            0f, -0.5f,
            0.5f, -0.5f,
            0.5f, 0f,
            0.5f, 0.5f,
        )
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坐标时[-1,1] 之间，可以想象一下。
其他不变，在 onDrawFrame 修改绘制的顶点个数，当点击时，刷新个数：

    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        //步骤1：使用glClearColor设置的颜色，刷新Surface
        GLES30.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
        drawIndex++
        // glDrawArrays 可以理解成绘制一个图层，多个图层可以叠加，然后通过onDrawFrame绘制到这一帧上
        drawTriangle()
        drawLine()
        drawPoint();

        if (drawIndex >= POINT_DATA.size / 2) {
            drawIndex = 0
        }
    }

    private fun drawLine() {
        // GL_LINES：每2个点构成一条线段
        // GL_LINE_LOOP：按顺序将所有的点连接起来，包括首位相连
        // GL_LINE_STRIP：按顺序将所有的点连接起来，不包括首位相连
        GLES30.glUniform4f(uniformColor, 1f, 0f, 0f, 1f)
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_LINE_LOOP, 0, drawIndex)
    }

    private fun drawPoint() {
        GLES30.glUniform4f(uniformColor, 0f, 0f, 1f, 1f)
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_POINTS, 0, drawIndex)
    }

    private fun drawTriangle() {
        // GL_TRIANGLES：每3个点构成一个三角形
        // GL_TRIANGLE_STRIP：相邻3个点构成一个三角形,不包括首位两个点
        // GL_TRIANGLE_FAN：第一个点和之后所有相邻的2个点构成一个三角形
        GLES30.glUniform4f(uniformColor, 1f, 1f, 0f, 1f)
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_FAN, 0, drawIndex)
    }
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效果：

这样就学习完几何图形的绘制了。更多代码，参考工程：https://github.com/LillteZheng/OpenGLDemo

参考：
https://learnopengl-cn.github.io/01%20Getting%20started/05%20Shaders/
https://www.jianshu.com/p/eb11a8346cf6
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5NjkxMjE5Mg==&mid=2247483783&idx=1&sn=6c8fa673eff0aaffe0872227432c3214&chksm=fe5a30a8c92db9bea01b92d35c37efa16a7acb08237bdf6ad0db510549e3b8a14d692fbac638&scene=21#wechat_redirect