Android OpenGL ES 2.基本框架-Hello World

一.視圖組件 GLSurfaceView

Android上用于顯示OpenGL視圖，一般是使用GLSurfaceView，一個(gè)繼承自SurfaceView的組件。
它的渲染繪制在一個(gè)單獨(dú)的線程中，而非主線程。
GLSurfaceView一般是結(jié)合一個(gè)GLSurfaceView的內(nèi)部接口類Renderer來使用。Renderer類負(fù)責(zé)渲染圖形圖像，而GLSurfaceView負(fù)責(zé)觸摸事件等邏輯的處理。

Renderer接口

  • onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config)：GLSurfaceView內(nèi)的Surface被創(chuàng)建時(shí)會(huì)被調(diào)用到
  • onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height)：Surface尺寸改變時(shí)調(diào)用到
  • onDrawFrame(GL10 gl)：渲染繪制每一幀時(shí)調(diào)用到

所以一般情況下，首次創(chuàng)建GLSurfaceView時(shí)，會(huì)按順序調(diào)用onSurfaceCreated、onSurfaceChanged、onDrawFrame這3個(gè)方法，然后每繪制一幀，都會(huì)不停地回調(diào)onDrawFrame方法。

GLSurfaceView常用方法

  • setEGLContextClientVersion：設(shè)置OpenGL ES版本，2.0則設(shè)置2
  • onPause：暫停渲染，最好是在Activity、Fragment的onPause方法內(nèi)調(diào)用，減少不必要的性能開銷，避免不必要的崩潰
  • onResume：恢復(fù)渲染，用法類比onPause
  • setRenderer：設(shè)置渲染器
  • setRenderMode：設(shè)置渲染模式
  • requestRender: 請求渲染，由于是請求異步線程進(jìn)行渲染，所以不是同步方法，調(diào)用后不會(huì)立刻就進(jìn)行渲染。渲染會(huì)回調(diào)到Renderer接口的onDrawFrame方法。
  • queueEvent：插入一個(gè)Runnable任務(wù)到后臺渲染線程上執(zhí)行。相應(yīng)的，渲染線程中可以通過Activity的runOnUIThread的方法來傳遞事件給主線程去執(zhí)行

GLSurfaceView渲染模式

  • RENDERMODE_CONTINUOUSLY：不停地渲染
  • RENDERMODE_WHEN_DIRTY：只有調(diào)用了requestRender之后才會(huì)觸發(fā)渲染回調(diào)onDrawFrame方法

二.編程流程

  • 編寫GLSL：重點(diǎn)學(xué)習(xí)
  • 編譯GLSL，獲取OpenGL程序?qū)ο螅夯竟潭?，不需要死記，理解即可。后期?huì)進(jìn)行封裝，便于使用。
  • 獲取GLSL中變量的引用：理解調(diào)用方式
  • 通過內(nèi)存Buffer,將數(shù)據(jù)傳遞給變量引用，從而控制繪制圖形、顏色：重點(diǎn)學(xué)習(xí)

1. 簡單的GLSL

/**
 * 頂點(diǎn)著色器
 */
private static final String VERTEX_SHADER = "" +
        // vec4：4個(gè)分量的向量：x、y、z、w
        "attribute vec4 a_Position;\n" +
        "void main()\n" +
        "{\n" +
        // gl_Position：GL中默認(rèn)定義的輸出變量，決定了當(dāng)前頂點(diǎn)的最終位置
        "    gl_Position = a_Position;\n" +
        // gl_PointSize：GL中默認(rèn)定義的輸出變量，決定了當(dāng)前頂點(diǎn)的大小
        "    gl_PointSize = 40.0;\n" +
        "}";

/**
 * 片段著色器
 */
private static final String FRAGMENT_SHADER = "" +
        // 定義所有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的默認(rèn)精度；有l(wèi)owp、mediump、highp 三種，但只有部分硬件支持片段著色器使用highp。(頂點(diǎn)著色器默認(rèn)highp)
        "precision mediump float;\n" +
        "uniform mediump vec4 u_Color;\n" +
        "void main()\n" +
        "{\n" +
        // gl_FragColor：GL中默認(rèn)定義的輸出變量，決定了當(dāng)前片段的最終顏色
        "    gl_FragColor = u_Color;\n" +
        "}";

注意

在聲明vec向量的時(shí)候，一定要標(biāo)識其精度類型，否則會(huì)導(dǎo)致部分機(jī)型花屏，如紅米note2

2.1 編譯著色器

使用compileVertexShader、compileFragmentShader兩個(gè)方法分別調(diào)用上面定義的頂點(diǎn)著色器、片段著色器。

/**
 * 編譯頂點(diǎn)著色器
 *
 * @param shaderCode 編譯代碼
 * @return 著色器對象ID
 */
public static int compileVertexShader(String shaderCode) {
    return compileShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, shaderCode);
}

/**
 * 編譯片段著色器
 *
 * @param shaderCode 編譯代碼
 * @return 著色器對象ID
 */
public static int compileFragmentShader(String shaderCode) {
    return compileShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, shaderCode);
}

/**
 * 編譯片段著色器
 *
 * @param type       著色器類型
 * @param shaderCode 編譯代碼
 * @return 著色器對象ID
 */
private static int compileShader(int type, String shaderCode) {
    // 1.創(chuàng)建一個(gè)新的著色器對象
    final int shaderObjectId = GLES20.glCreateShader(type);

    // 2.獲取創(chuàng)建狀態(tài)
    if (shaderObjectId == 0) {
        // 在OpenGL中，都是通過整型值去作為OpenGL對象的引用。之后進(jìn)行操作的時(shí)候都是將這個(gè)整型值傳回給OpenGL進(jìn)行操作。
        // 返回值0代表著創(chuàng)建對象失敗。
        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Could not create new shader.");
        }
        return 0;
    }

    // 3.將著色器代碼上傳到著色器對象中
    GLES20.glShaderSource(shaderObjectId, shaderCode);

    // 4.編譯著色器對象
    GLES20.glCompileShader(shaderObjectId);

    // 5.獲取編譯狀態(tài)：OpenGL將想要獲取的值放入長度為1的數(shù)組的首位
    final int[] compileStatus = new int[1];
    GLES20.glGetShaderiv(shaderObjectId, GLES20.GL_COMPILE_STATUS, compileStatus, 0);

    if (LoggerConfig.ON) {
        // 打印編譯的著色器信息
        Log.v(TAG, "Results of compiling source:" + "\n" + shaderCode + "\n:"
                + GLES20.glGetShaderInfoLog(shaderObjectId));
    }

    // 6.驗(yàn)證編譯狀態(tài)
    if (compileStatus[0] == 0) {
        // 如果編譯失敗，則刪除創(chuàng)建的著色器對象
        GLES20.glDeleteShader(shaderObjectId);

        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Compilation of shader failed.");
        }

        // 7.返回著色器對象：失敗，為0
        return 0;
    }

    // 7.返回著色器對象：成功，非0
    return shaderObjectId;
}

2.2 創(chuàng)建OpenGL程序?qū)ο?，鏈接頂點(diǎn)著色器、片段著色器

/**
 * 創(chuàng)建OpenGL程序?qū)ο? *
 * @param vertexShader   頂點(diǎn)著色器代碼
 * @param fragmentShader 片段著色器代碼
 */
protected void makeProgram(String vertexShader, String fragmentShader) {
    // 步驟1：編譯頂點(diǎn)著色器
    int vertexShaderId = ShaderHelper.compileVertexShader(vertexShader);
    // 步驟2：編譯片段著色器
    int fragmentShaderId = ShaderHelper.compileFragmentShader(fragmentShader);
    // 步驟3：將頂點(diǎn)著色器、片段著色器進(jìn)行鏈接，組裝成一個(gè)OpenGL程序
    mProgram = ShaderHelper.linkProgram(vertexShaderId, fragmentShaderId);

    if (LoggerConfig.ON) {
        ShaderHelper.validateProgram(mProgram);
    }

    // 步驟4：通知OpenGL開始使用該程序
    GLES20.glUseProgram(mProgram);
}

/**
 * 創(chuàng)建OpenGL程序：通過鏈接頂點(diǎn)著色器、片段著色器
 *
 * @param vertexShaderId   頂點(diǎn)著色器ID
 * @param fragmentShaderId 片段著色器ID
 * @return OpenGL程序ID
 */
public static int linkProgram(int vertexShaderId, int fragmentShaderId) {

    // 1.創(chuàng)建一個(gè)OpenGL程序?qū)ο?    final int programObjectId = GLES20.glCreateProgram();

    // 2.獲取創(chuàng)建狀態(tài)
    if (programObjectId == 0) {
        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Could not create new program");
        }
        return 0;
    }

    // 3.將頂點(diǎn)著色器依附到OpenGL程序?qū)ο?    GLES20.glAttachShader(programObjectId, vertexShaderId);
    // 3.將片段著色器依附到OpenGL程序?qū)ο?    GLES20.glAttachShader(programObjectId, fragmentShaderId);

    // 4.將兩個(gè)著色器鏈接到OpenGL程序?qū)ο?    GLES20.glLinkProgram(programObjectId);

    // 5.獲取鏈接狀態(tài)：OpenGL將想要獲取的值放入長度為1的數(shù)組的首位
    final int[] linkStatus = new int[1];
    GLES20.glGetProgramiv(programObjectId, GLES20.GL_LINK_STATUS, linkStatus, 0);

    if (LoggerConfig.ON) {
        // 打印鏈接信息
        Log.v(TAG, "Results of linking program:\n"
                + GLES20.glGetProgramInfoLog(programObjectId));
    }

    // 6.驗(yàn)證鏈接狀態(tài)
    if (linkStatus[0] == 0) {
        // 鏈接失敗則刪除程序?qū)ο?        GLES20.glDeleteProgram(programObjectId);
        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Linking of program failed.");
        }
        // 7.返回程序?qū)ο螅菏?，?
        return 0;
    }

    // 7.返回程序?qū)ο螅撼晒Γ?
    return programObjectId;
}

/**
 * 驗(yàn)證OpenGL程序?qū)ο鬆顟B(tài)
 *
 * @param programObjectId OpenGL程序ID
 * @return 是否可用
 */
public static boolean validateProgram(int programObjectId) {
    GLES20.glValidateProgram(programObjectId);

    final int[] validateStatus = new int[1];
    GLES20.glGetProgramiv(programObjectId, GLES20.GL_VALIDATE_STATUS, validateStatus, 0);
    Log.v(TAG, "Results of validating program: " + validateStatus[0]
            + "\nLog:" + GLES20.glGetProgramInfoLog(programObjectId));

    return validateStatus[0] != 0;
}

3. 獲取GLSL中的索引

根據(jù)索引的類型，調(diào)用不同的方法去獲取索引，索引的值類型都是int

// 獲取頂點(diǎn)坐標(biāo)屬性在OpenGL程序中的索引
aPositionLocation = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, A_POSITION);

// 獲取顏色Uniform在OpenGL程序中的索引
uColorLocation = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, U_COLOR);

4.1 將數(shù)據(jù)傳遞到Native層內(nèi)存緩沖中

/**
 * Float類型占4Byte
 */
private static final int BYTES_PER_FLOAT = 4;

/**
 * 創(chuàng)建一個(gè)FloatBuffer
 */
public static FloatBuffer createFloatBuffer(float[] array) {
    FloatBuffer buffer = ByteBuffer
            // 分配頂點(diǎn)坐標(biāo)分量個(gè)數(shù) * Float占的Byte位數(shù)
            .allocateDirect(array.length * BYTES_PER_FLOAT)
            // 按照本地字節(jié)序排序
            .order(ByteOrder.nativeOrder())
            // Byte類型轉(zhuǎn)Float類型
            .asFloatBuffer();

    // 將Java Dalvik的內(nèi)存數(shù)據(jù)復(fù)制到Native內(nèi)存中
    buffer.put(array);
    return buffer;
}

4.2 將內(nèi)存堆中的值傳遞給GLSL引用

接下來，我們把頂點(diǎn)信息傳遞給GLSL中的頂點(diǎn)位置引用

// 將緩沖區(qū)的指針移動(dòng)到頭部，保證數(shù)據(jù)是從最開始處讀取
mVertexData.position(0);
// 關(guān)聯(lián)頂點(diǎn)坐標(biāo)屬性和緩存數(shù)據(jù)
// 1. 位置索引；
// 2. 每個(gè)頂點(diǎn)屬性需要關(guān)聯(lián)的分量個(gè)數(shù)(必須為1、2、3或者4。初始值為4。)；
// 3. 數(shù)據(jù)類型；
// 4. 指定當(dāng)被訪問時(shí)，固定點(diǎn)數(shù)據(jù)值是否應(yīng)該被歸一化(GL_TRUE)或者直接轉(zhuǎn)換為固定點(diǎn)值(GL_FALSE)(只有使用整數(shù)數(shù)據(jù)時(shí))
// 5. 指定連續(xù)頂點(diǎn)屬性之間的偏移量。如果為0，那么頂點(diǎn)屬性會(huì)被理解為：它們是緊密排列在一起的。初始值為0。
// 6. 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
GLES20.glVertexAttribPointer(aPositionLocation, POSITION_COMPONENT_COUNT, GLES20.GL_FLOAT,
        false, 0, mVertexData);

// 通知GL程序使用指定的頂點(diǎn)屬性索引
GLES20.glEnableVertexAttribArray(aPositionLocation);

然后，我們給圖形上色

// 更新u_Color的值，即更新畫筆顏色
GLES20.glUniform4f(uColorLocation, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

最后，再根據(jù)需求繪制不同的圖形。當(dāng)前案例中，我就只繪制一個(gè)點(diǎn)。

// 使用數(shù)組繪制圖形：1.繪制的圖形類型；2.從頂點(diǎn)數(shù)組讀取的起點(diǎn)；3.從頂點(diǎn)數(shù)組讀取的數(shù)據(jù)長度
GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_POINTS, 0, 1);

注意：這里一定要先上色，再繪制圖形，否則會(huì)導(dǎo)致顏色在當(dāng)前這一幀使用失敗，要下一幀才能生效。

刷屏顏色

// 設(shè)置刷新屏幕時(shí)候使用的顏色值,順序是RGBA，值的范圍從0~1。這里不會(huì)立刻刷新，只有在GLES20.glClear調(diào)用時(shí)使用該顏色值才刷新。
GLES20.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
// 使用glClearColor設(shè)置的顏色，刷新Surface
GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

注意

Buffer數(shù)據(jù)在傳遞給GLSL之前，一定要調(diào)用position方法將指針移到正確的位置，當(dāng)前是0，之后會(huì)有課程講解到非0的情況。

// 將緩沖區(qū)的指針移動(dòng)到頭部，保證數(shù)據(jù)是從最開始處讀取
mVertexData.position(0);

將數(shù)組數(shù)據(jù)put進(jìn)buffer之后，指針并不是在首位，所以一定要position到0，至關(guān)重要！否則會(huì)有很多奇妙的錯(cuò)誤！如:

java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: remaining() < count < needed

效果

基礎(chǔ)框架效果圖

參考

見Android OpenGL ES學(xué)習(xí)資料所列舉的博客、資料。

GitHub代碼工程

本系列課程所有相關(guān)代碼請參考我的GitHub項(xiàng)目GLStudio。

課程目錄

本系列課程目錄詳見 簡書 - Android OpenGL ES教程規(guī)劃

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