Android OpenGL 基礎入門

KingsLanding發表於2015-05-18
Android

　　Android 自從2.2 版本之後之後開始支援OpenGL，在沒有支援OpenGL 的 GPU的情況下，也可以使用（通過軟體來模擬）。在Android上使用Opengl操作的物件是GLSurfaceView，這是一個繼承自View的擴充套件。

　　在Android上Opengl是通過Vertex Shader 和 Fragment Shader 這兩種定點著色器程式來實現圖片的載入和渲染的，中文稱為定點著色器和片段著色器。一個完整的Opengl程式需要建立定點著色器和片段著色器並將他們Link起來組成一個完整的OpenGL程式。

　　頂點著色器的作用是為每一個頂點生成座標，因此每個頂點都要執行一遍頂點著色器程式，一旦頂點座標計算出來之後，OpenGL就能夠使用這些頂點來組成點，線，和三角形。所有任意的圖形都是由這三種基本元素來描述的。下圖是頂點著色器進行座標轉換的過程（稍微有點複雜）：

　　

　　這個過程包含了從原始的物件座標經過模型檢視轉換生成眼座標，再經過投影轉換生成裁剪座標，再通過w座標的歸一化轉換成為NDC（頂點座標由（x,y,z,w）構成，在shader程式中一般用一個四維向量vec4來描述），最終通過視口變換生成螢幕座標顯示在螢幕上。這一系列的轉換都是通過矩陣來完成的，轉換過程和原理是Opengl的精華內容，對於需要進入3D世界的同學需要掌握。在2D世界中我們只需要瞭解NDC就行了，這裡就把NDC叫做OpenGL 座標，加上Normalized 的修飾是因為這些座標的值都在（-1,1)之間，OpenGL座標表示見下圖：

　　OpenGL座標原點在螢幕中央，左右座標範圍為[-1,1]，在2d環境中座標值只存在(x,y)，並且座標範圍都只能在-1 到 1之間，螢幕中心座標為(0,0)。因此如果需要指定一張圖片的顯示位置，指定座標需要根據這個座標系來，此外為了保證圖片顯示比例（長寬比例），在portrait 到 landscape 之間變換的時候一般需要乘以一個aspectRatio (width / height) 來重新設定座標值。

　　瞭解了Opengl座標，在來了解一下螢幕座標（螢幕座標的座標原點在左上角）和紋理座標（紋理座標的座標原點在左下角）：

螢幕座標系                

　　紋理座標系

　　片段著色器的作用是為點，線或者三角形的每一個頂點的片段（Fragment）生成渲染後的最終顏色。片段就是一個小的單色矩形區域，可以簡單的認為是螢幕上的一個畫素點。

　　以上基本知識基本上可以處理Opengl實現2D影象的繪製和處理。下面來簡單看一下Shader的寫法，在Android平臺上Shader程式一般以字串的形式出現，或者在res/raw/目錄下以*.glsl的格式出現，如果是以單獨的檔案出現，需要定義專門的檔案讀入介面來載入Shader程式。這裡就介紹一下字串的形式的Shader程式，來看下面簡單的Vertex Shader 和 Fragment Shader：

    private static final String VERTEX_SHADER =
        "attribute vec4 a_position;\n" +
        "attribute vec2 a_texcoord;\n" +
        "varying vec2 v_texcoord;\n" +
        "void main() {\n" +
        "  gl_Position = a_position;\n" +
        "  v_texcoord = a_texcoord;\n" +
        "}\n";

    private static final String FRAGMENT_SHADER =
        "precision mediump float;\n" +
        "uniform sampler2D tex_sampler;\n" +
        "varying vec2 v_texcoord;\n" +
        "void main() {\n" +
        "  gl_FragColor = texture2D(tex_sampler, v_texcoord);\n" +
        "}\n";

　　先看一下VERTEX_SHADER，定義了兩種型別的變數 atrribute 和 varying。

　　其中 attribute變數是隻能在vertex shader中使用的變數。（它不能在fragment shader中宣告attribute變數，也不能被fragment shader中使用），一般用attribute變數來表示一些頂點的資料，這些頂點資料包含了頂點座標，法線，紋理座標，頂點顏色等。應用中一般用函式glBindAttribLocation（）來繫結每個attribute變數的位置，然後用函式glVertexAttribPointer()為每個attribute變數賦值。

　　varying被稱為易變數，一般用於從Vertex Shader 向 Fragment Shader傳遞資料，上面例子中在VertexShader中定義了attribute 型別的二維向量a_texcoord，並將該值賦值給varying型別的二維向量 v_texcoord。此外對於Vertex Shader 在main() 中必須將頂點座標賦值給系統變數gl_Position。

　　看一下FRAGMENT_SHADER，定義了兩種型別的變數，uniform 和 varying。此外還多了一句 precision mediump float，這句話用於定義資料精度，Opengl中可以設定三種型別的精度（lowp,medium 和 highp），對於Vertex Shader來說，Opengl使用的是預設最高精度級別（highp），因此沒有定義。

　　uniform變數是APP序傳遞給（vertex和fragment）shader的變數。通過函式glUniform**（）函式賦值的。 在（vertex和fragment）shader程式內部，uniform變數就像是C語言裡面的常量（const ），它不能被shader程式修改（shader只能用，不能改）。如果uniform變數在vertex和fragment兩者之間宣告方式完全一樣，則它可以在vertex和fragment共享使用。 （相當於一個被vertex和fragment shader共享的全域性變數）uniform變數一般用來表示：變換矩陣，材質，光照引數和顏色等資訊。

　　對於Fragment Shader也需對gl_FragColor賦值。

　　現在對基本的Shader有了瞭解，來看一下Android怎麼使用Shader程式。先說明一下Opengl中的資源一般都是用一個控制程式碼（handle）來引用，控制程式碼一般由gl***介面返回，代表一個特定的資源。

　　在Android上使用gl，需要用到一些列介面，這裡按照一般的呼叫順序來列一下基本的介面（暫不包含錯誤處理）

　　1. 和建立Shader相關的：glCreateShader -> glShaderSource -> glCompileShader , 通過這幾個介面的呼叫最終返回一個Shader的控制程式碼

　　2. 和建立Shader程式相關的（每個shader程式都必須包含Vertex Shader 和 Fragment Shader兩部分）：glCreateProgram -> glAttachShader -> glLinkProgram，通過這些介面的呼叫最終返回個Program的控制程式碼。

　　3. 獲取Shader內部變數賦值和傳遞資料到gl，對於不同型別的資料使用不同的介面：GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "tex_sampler")，GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "a_texcoord")，以上兩個介面中mProgram 代表glCreateProgram返回的 Shader程式控制程式碼，“a_texcoord”和"tex_sampler"是 Vertex Shader和 Fragment Shader中定義的變數，通過這兩個介面獲取了變數的控制程式碼，便於向這些變數中傳入值。獲得變數的控制程式碼之後就要向其中傳值，一般通過glVertexAttribPointer()來完成，詳細引數這裡沒有列出，在例項程式碼中可以學習一下，傳值之後需要使glEnableVertexAttribArray才能將資料傳入到gl中，傳入資料使用glDrawArrays() 。

　　這裡介紹了Opengl的基本知識，下一篇結合例項介紹一下Opengl在Android上的使用。

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