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一.前言
二.坐標(biāo)系
三.混合
四.變換矩陣
五.投影矩陣
六.幀緩沖區(qū)幀
七.VAO
八.VBO
九.PBO??
十.FBO
十一.UBO
十二.TBO
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一.前言

在《OpenGL ES 名詞解釋一》中已經(jīng)講解了著色器渲染等相關(guān)知識(shí)，本篇文章著重講解坐標(biāo)系和矩陣相關(guān)內(nèi)容；

二.坐標(biāo)系

1.屏幕坐標(biāo)系

屏幕坐標(biāo)系的左下點(diǎn)（0， 1），右下角（1，1），左上角（0， 0），右上角（1 ， 0）

2.紋理坐標(biāo)系

紋理坐標(biāo)系的左下點(diǎn) （0， 0），右下角（1 ， 0），左上角（0， 1 ），右上角（1， 1）

3.頂點(diǎn)坐標(biāo)系

頂點(diǎn)坐標(biāo)系的左下點(diǎn)（-1， -1），右下角（1，-1），左上角（-1， 1），右上角（1 ， 1）

4.圖像坐標(biāo)系

屏幕坐標(biāo)系的左下點(diǎn)（0， 1），右下角（1，1），左上角（0， 0），右上角（1 ， 0）

很多人有一個(gè)誤解：認(rèn)為 OpenGL ES 紋理原點(diǎn)在左上角，因?yàn)槿绻L制時(shí)紋理坐標(biāo)設(shè)在左下角，繪制的圖像就是上下倒立；而紋理坐標(biāo)設(shè)制在左上角顯示正常；

原因：圖像默認(rèn)的原點(diǎn)在左上角，而 OpenGL ES 紋理讀取數(shù)據(jù)或者 FBO 讀取數(shù)據(jù)時(shí)都是以左下角開(kāi)始，所以圖像才會(huì)出現(xiàn)上下倒立的現(xiàn)象；

解決辦法：

方案一：繪制時(shí)將紋理坐標(biāo)上下鏡像
方案二：繪制時(shí)將頂點(diǎn)坐標(biāo)上下鏡像
方案三：繪制時(shí)將圖像上下鏡像后在填充到 OpenGL ES 紋理

關(guān)于方案三：將圖片上下顛倒可以使用 stb_image 完成

stbi_set_flip_vertically_on_load(true);//開(kāi)起上下鏡像

三.混合

假設(shè)一種不透明東西的顏色是 A，另一種透明的東西的顏色是 B ，那么透過(guò) B 去看 A ，看上去的顏色 C 就是 B 和 A 的混合顏色，可以用這個(gè)式子來(lái)近似，設(shè) B 物體的透明度為 alpha (取值為 0 – 1 ，0 為完全透明，1 為完全不透明)

R(C)=alpha*R(B)+(1-alpha)*R(A)
G(C)=alpha*G(B)+(1-alpha)*G(A)
B(C)=alpha*B(B)+(1-alpha)*B(A)

R(x)、G(x)、B(x)分別指顏色 x 的 RGB 分量。看起來(lái)這個(gè)東西這么簡(jiǎn)單，可是用它實(shí)現(xiàn)的效果絕對(duì)不簡(jiǎn)單，應(yīng)用 alpha 混合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)出最眩目的火光、煙霧、陰影、動(dòng)態(tài)光源等等一切你可以想象的出來(lái)的半透明效果。

四.變換矩陣

1.平移

為向量(x,y,z)定義一個(gè)平移矩陣

2.旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)過(guò)程涉及到弧度與角度的轉(zhuǎn)化：

弧度轉(zhuǎn)角度：角度 = 弧度 * (180.0f / PI)

角度轉(zhuǎn)弧度：弧度 = 角度 * (PI / 180.0f)

3.縮放

為向量(x,y,z)定義一個(gè)縮放矩陣

4.矩陣組合順序

矩陣組合順序 1：先平移，再旋轉(zhuǎn)，最后縮放——— OK

矩陣組合順序 2：先平移，再縮放，最后旋轉(zhuǎn)——— ERROR

矩陣組合順序 3：先縮放，再旋轉(zhuǎn)，最后平移——— ERROR

（除了第一種，其他組合順序都是錯(cuò)誤的）

矩陣組合順序可以參考 glm 官方 demo 案例：

#include <glm/vec3.hpp> // glm::vec3
#include <glm/vec4.hpp> // glm::vec4
#include <glm/mat4x4.hpp> // glm::mat4
#include <glm/ext/matrix_transform.hpp> // glm::translate, glm::rotate, glm::scale
#include <glm/ext/matrix_clip_space.hpp> // glm::perspective
#include <glm/ext/scalar_constants.hpp> // glm::pi

glm::mat4 camera(float Translate, glm::vec2 const& Rotate)
{
    glm::mat4 Projection = glm::perspective(glm::pi<float>() * 0.25f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.f);
    glm::mat4 View = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, -Translate));
    View = glm::rotate(View, Rotate.y, glm::vec3(-1.0f, 0.0f, 0.0f));
    View = glm::rotate(View, Rotate.x, glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
    glm::mat4 Model = glm::scale(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(0.5f));
    return Projection * View * Model;
}

至于矩陣組合順序?yàn)槭裁词窍绕揭?，再旋轉(zhuǎn)，最后縮放，后面將專(zhuān)門(mén)留一篇文章做詳細(xì)講解！可以關(guān)注學(xué)習(xí)目錄《OpenGL ES 基礎(chǔ)》

五.投影矩陣

由觀(guān)察空間到裁剪空間在公式上左乘一個(gè)投影矩陣，投影矩陣的產(chǎn)生分為兩種：正交投影和透視投影;

不管是正交投影還是透視投影，最終都是將視景體內(nèi)的物體投影在近平面上，這也是 3D 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到 2D 坐標(biāo)的關(guān)鍵一步。

正投影就是沒(méi)有 3D 效果的投影方式，用于顯示 2D 效果；

透視投影就是有 3D 效果的投影方式，用于顯示 3D 效果.

1.正交投影

正交投影產(chǎn)生的效果無(wú)論你離物體多遠(yuǎn)多近，都不會(huì)產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的效果，大致如下圖，視點(diǎn)作為觀(guān)察點(diǎn)，視椎體由前后左右上下 6 個(gè)面包裹而成，物體在視椎體內(nèi)部，最后投影到 near 近平面，視椎體范圍之外將無(wú)法顯示到屏幕上來(lái)

正投影就是沒(méi)有 3D 效果的投影方式，用于顯示 2D 效果；

透視投影就是有 3D 效果的投影方式，用于顯示 3D 效果.

正交投影矩陣，由 Matrix.ortho 這個(gè)方法產(chǎn)生

void orthoM(float[] m, int mOffset,
        float left, float right, float bottom, float top,
        float near, float far)

可以把近平面看作屏幕，left、right、top、bottom 都是以近平面中心相對(duì)的距離，由于手機(jī)屏幕的長(zhǎng)寬一般不相等，以短邊為基準(zhǔn) 1 ，長(zhǎng)邊取值為長(zhǎng)/寬，所以如果一個(gè)豎屏的手機(jī)使用這個(gè)正交投影產(chǎn)生的矩陣應(yīng)該是：

float ratio = (float)height / width;
Matrix.ortho(projectMatrix,0,-1, 1, -ratio, ratio, 1, 6);

2.透視投影

透視投影會(huì)產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的效果，正投影就是沒(méi)有 3D 效果的投影方式，用于顯示 2D 效果；透視投影就是有 3D 效果的投影方式，用于顯示 3D 效果.產(chǎn)生的視椎體如下圖：

透視投影也有響應(yīng)的函數(shù)產(chǎn)生投影矩陣：

Matrix.frustumM(float[] m, int offset, float left,
          float right, float bottom, float top,
          float near, float far);

3.總結(jié)

經(jīng)過(guò)上述的講解，我們要完成 4 個(gè)空間轉(zhuǎn)換，需要用到了 3 個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣：

從局部空間轉(zhuǎn)換到世界空間，我們需要用到模型矩陣 ModeMatrix ，這個(gè)矩陣就是我們通常對(duì)物體進(jìn)行 translate 、rorate 換后產(chǎn)生的矩陣

從世界空間到觀(guān)察空間，我們需要用到觀(guān)察矩陣 ViewMatrix ，這個(gè)矩陣可以 setLookAt 方法幫我們生成

從觀(guān)察空間到裁剪空間，我們可以用到投影矩陣 ProjectMatrix，使用 ortho 、frustuM 還有 perspectiveM 方法產(chǎn)生投影矩陣

最后以上幾個(gè)坐標(biāo)依次左乘我們的定義的坐標(biāo) Position 就可以得到歸一化坐標(biāo)了

所以，總結(jié)出來(lái)的公式

//注意順序
gl_Position = ProjectMatrix * ViewMatrix * ModeMatrix * g_Position ;

六.幀緩沖區(qū)幀

緩沖區(qū)就是顯存，也被叫做幀緩存，它的作用是用來(lái)存儲(chǔ)顯卡芯片處理過(guò)或者即將提取的渲染數(shù)據(jù)。如同計(jì)算機(jī)的內(nèi)存一樣，顯存是用來(lái)存儲(chǔ)要處理的圖形信息的部件。

最終”存活”下來(lái)的像素需要被顯示到屏幕上，但是顯示屏幕之前，這些像素是會(huì)被先提交在幀緩沖區(qū)的。幀緩存區(qū)的每一存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)像素，整個(gè)幀緩存區(qū)對(duì)應(yīng)一幀圖像。

在下一個(gè)刷新頻率到來(lái)時(shí)，視頻控制器會(huì)把幀緩沖區(qū)內(nèi)的內(nèi)容映射到屏幕上。一般采用雙緩沖機(jī)制，存在兩個(gè)幀緩沖區(qū)。

七.VAO

VAO (頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象：Vertex Array Object)是指頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象，主要用于管理 VBO 或 EBO ，減少 glBindBuffer 、glEnableVertexAttribArray、 glVertexAttribPointer 這些調(diào)用操作，高效地實(shí)現(xiàn)在頂點(diǎn)數(shù)組配置之間切換。

OpenGL 2.0 有 VBO，沒(méi)有 VAO，VAO 是 OpenGL 3.0 才開(kāi)始支持的，并且在 OpenGL 3.0 中，強(qiáng)制要求綁定一個(gè) VAO 才能開(kāi)始繪制。

八.VBO

VBO（頂點(diǎn)緩沖區(qū)對(duì)象:Vertex Buffer Object）是指把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)保存在顯存中，繪制時(shí)直接從顯存中取數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)轫旤c(diǎn)數(shù)據(jù)多了，就是坐標(biāo)的數(shù)據(jù)多了很多的很多組，切換的時(shí)候很麻煩，就出現(xiàn)了這個(gè) VAO，綁定對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)

OpenGL 2.0 有 VBO，沒(méi)有 VAO，VAO 是 OpenGL 3.0 才開(kāi)始支持的，并且在 OpenGL 3.0 中，強(qiáng)制要求綁定一個(gè) VAO 才能開(kāi)始繪制。

九.PBO

**PBO （Pixel Buffer Object）是 OpenGL ES 3.0 的概念(OpenGL 2.0 不支持 PBO ，3.0 支持 PBO)，稱(chēng)為像素緩沖區(qū)對(duì)象，**主要被用于異步像素傳輸操作。PBO 僅用于執(zhí)行像素傳輸，不連接到紋理，且與 FBO （幀緩沖區(qū)對(duì)象）無(wú)關(guān)。PBO 設(shè)計(jì)的目的就是快速地向顯卡傳輸數(shù)據(jù)，或者從顯卡讀取數(shù)據(jù)，我們可以使用它更加高效的讀取屏幕數(shù)據(jù)。

PBO 類(lèi)似于 VBO（頂點(diǎn)緩沖區(qū)對(duì)象），PBO 開(kāi)辟的也是 GPU 緩存，而存儲(chǔ)的是圖像數(shù)據(jù)。
PBO 可以在 GPU 的緩存間快速傳遞像素?cái)?shù)據(jù)，不影響 CPU 時(shí)鐘周期，除此之外，PBO 還支持異步傳輸。
PBO 類(lèi)似于“以空間換時(shí)間”策略，在使用一個(gè) PBO 的情況下，性能無(wú)法有效地提升，通常需要多個(gè) PBO 交替配合使用。

十.FBO

FBO(Frame Buffer Object) 即幀緩沖對(duì)象。FBO 有什么作用呢？通常使用 OpenGL ES 經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)著色器、片元著色器處理之后就通過(guò)使用 OpenGL ES 使用的窗口系統(tǒng)提供的幀緩沖區(qū)，這樣繪制的結(jié)果是顯示到窗口(屏幕)上。

但是對(duì)于有些復(fù)雜的渲染處理，通過(guò)多個(gè)濾鏡處理，這時(shí)中間流程的渲染采樣的結(jié)果就不應(yīng)該直接輸出顯示屏幕，而應(yīng)該等所有處理完成之后再顯示到窗口上。這個(gè)時(shí)候 FBO 就派上用場(chǎng)了。

FBO 是一個(gè)容器，自身不能用于渲染，需要與一些可渲染的緩沖區(qū)綁定在一起，像紋理或者渲染緩沖區(qū)。，它僅且提供了 3 個(gè)附著（Attachment），分別是顏色附著、深度附著和模板附著。

十一.UBO

**UBO，Uniform Buffer Object 顧名思義，就是一個(gè)裝載 uniform 變量數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)對(duì)象，**本質(zhì)上跟 OpenGL ES 的其他緩沖區(qū)對(duì)象沒(méi)有區(qū)別，創(chuàng)建方式也大致一致，都是顯存上一塊用于儲(chǔ)存特定數(shù)據(jù)的區(qū)域。

當(dāng)數(shù)據(jù)加載到 UBO ，那么這些數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在 UBO 上，而不再交給著色器程序，所以它們不會(huì)占用著色器程序自身的 uniform 存儲(chǔ)空間，UBO 是一種新的從內(nèi)存到顯存的數(shù)據(jù)傳遞方式，另外 UBO 一般需要與 uniform 塊配合使用。

本例將 MVP 變換矩陣設(shè)置為一個(gè) uniform 塊，即我們后面創(chuàng)建的 UBO 中將保存 3 個(gè)矩陣。

#version 310 es
layout(location = 0) in vec4 a_position;
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;
layout (std140) uniform MVPMatrix
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
    mat4 model;
};
out vec2 v_texCoord;
void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * a_position;
    v_texCoord = a_texCoord;
}

設(shè)置 uniform 塊的綁定點(diǎn)為 0 ，生成一個(gè) UBO 。

GLuint uniformBlockIndex = glGetUniformBlockIndex(m_ProgramObj, "MVPMatrix");
glUniformBlockBinding(m_ProgramObj, uniformBlockIndex, 0);
glGenBuffers(1, &m_UboId);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, m_UboId);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 3 * sizeof(glm::mat4), nullptr, GL_STATIC_DRAW);

繪制的時(shí)候更新 Uniform Buffer 的數(shù)據(jù)，更新三個(gè)矩陣的數(shù)據(jù)，注意偏移量。

glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, m_UboId);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, sizeof(glm::mat4), &m_ProjectionMatrix[0][0]);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), &m_ViewMatrix[0][0]);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 *sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), &m_ModelMatrix[0][0]);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

十二.TBO

紋理緩沖區(qū)對(duì)象，即 TBO（Texture Buffer Object），是 OpenGL ES 3.2 引入的概念，因此在使用時(shí)首先要檢查 OpenGL ES 的版本，Android 方面需要保證 API >= 24 。

TBO 需要配合緩沖區(qū)紋理（Buffer Texture）一起使用，Buffer Texture 是一種一維紋理，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自紋理緩沖區(qū)對(duì)象（TBO），用于允許著色器訪(fǎng)問(wèn)由緩沖區(qū)對(duì)象管理的大型內(nèi)存表。

在 GLSL 中，只能使用 texelFetch 函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)緩沖區(qū)紋理，緩沖區(qū)紋理的采樣器類(lèi)型為 samplerBuffer 。

生成一個(gè) TBO 的方式跟 VBO 類(lèi)似，只需要綁定到 GL_TEXTURE_BUFFER ，而生成緩沖區(qū)紋理的方式與普通的 2D 紋理一樣。

//生成一個(gè) Buffer Texture
glGenTextures(1, &m_TboTexId);

float *bigData = new float[BIG_DATA_SIZE];
for (int i = 0; i < BIG_DATA_SIZE; ++i) {
    bigData[i] = i * 1.0f;
}

//生成一個(gè) TBO ，并將一個(gè)大的數(shù)組上傳至 TBO
glGenBuffers(1, &m_TboId);
glBindBuffer(GL_TEXTURE_BUFFER, m_TboId);
glBufferData(GL_TEXTURE_BUFFER, sizeof(float) * BIG_DATA_SIZE,       bigData, GL_STATIC_DRAW);
delete [] bigData;

使用紋理緩沖區(qū)的片段著色器，需要引入擴(kuò)展 texture buffer ，注意版本聲明為 #version 320 es

#version 320 es
#extension GL_EXT_texture_buffer : require

in mediump vec2 v_texCoord;
layout(location = 0) out mediump  vec4 outColor;
uniform mediump samplerBuffer u_buffer_tex;
uniform mediump sampler2D u_2d_texture;
uniform mediump int u_BufferSize;

void main()
{
    mediump int index = int((v_texCoord.x +v_texCoord.y) /2.0 * float(u_BufferSize - 1));
    mediump float value = texelFetch(u_buffer_tex, index).x;
    mediump vec4 lightColor = vec4(vec3(vec2(value / float(u_BufferSize - 1)), 0.0), 1.0);
    outColor = texture(u_2d_texture, v_texCoord) * lightColor;
}

繪制時(shí)如何使用緩沖區(qū)紋理和 TBO

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_BUFFER, m_TboTexId);
glTexBuffer(GL_TEXTURE_BUFFER, GL_R32F, m_TboId);
GLUtils::setInt(m_ProgramObj, "u_buffer_tex", 0);

本文由博客 - 猿說(shuō)編程猿說(shuō)編程發(fā)布！

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OpenGL ES 名詞解釋(二)

OpenGL ES 名詞解釋(二)

一.前言

二.坐標(biāo)系

1.屏幕坐標(biāo)系

2.紋理坐標(biāo)系

3.頂點(diǎn)坐標(biāo)系

4.圖像坐標(biāo)系

三.混合

四.變換矩陣

1.平移

2.旋轉(zhuǎn)

3.縮放

4.矩陣組合順序

五.投影矩陣

1.正交投影

2.透視投影

3.總結(jié)

六.幀緩沖區(qū)幀

七.VAO

八.VBO

九.PBO

十.FBO

十一.UBO

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1.平移

2.旋轉(zhuǎn)

3.縮放

4.矩陣組合順序

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