前言
今年的首要研究物件OpenGL基本研究的差不多了，突發奇想，想用CoreGraphics根據OpenGL的渲染流水線，渲染出3D圖形來。折騰了2天，寫出了個demo，效果如下。
其實這種通過2D渲染引擎渲染3D的技術方案在Flash時代我就聽說了，但是當時對於3D技術不是很瞭解，並沒有做深入研究。
原理
在OpenGL中，每個頂點通過Vertex Shader的處理，被處理成基本的繪製圖形，比如三角形，再通過Fragment Shader處理各個畫素點的顏色。最終以透視的效果呈現在螢幕上（當然如果你用了正交矩陣就沒透視啦）。根據上面的原理，我在渲染方案中定義了兩種基本圖形，線和多邊形。線由2個頂點組成，多邊形由3到多個頂點組成。通過MVP矩陣對頂點進行變換，然後用CoreGraphics繪製頂點變換後的圖形。上圖中的正方體就是由6個四邊形組成，錐體則是4個三角形組成。
基本繪製圖形
每個基本繪製圖形都會實現下面的協議，material是圖形的樣式，包括顏色，線條粗細等，transform方法用來對組成圖形的頂點進行變換，並返回變換後的圖形。sortZRef會返回圖形在z方向排序的參考值，這個主要用來彌補CoreGraphics中無法進行Depth Test的缺陷。不過目前的參考值計算方案還是有問題的，僅僅是計算了所有頂點變換後z的平均值而已。
public protocol HT3DElement {
var material: HT3DMaterial { get set }
func transform(matrix: GLKMatrix4) -> Self
func sortZRef() -> Float
}
複製程式碼下面我們來看看圖形-線的實現。
public var startPoint: GLKVector3
public var endPoint: GLKVector3
public var material: HT3DMaterial
public func transform(matrix: GLKMatrix4) -> HT3DLineElement {
let newStartPoint = matrix * GLKVector4.init(vector3: startPoint, w: 1)
let newEndPoint = matrix * GLKVector4.init(vector3: endPoint, w: 1)
return HT3DLineElement.init(startPoint: (newStartPoint / newStartPoint.w).xyz, endPoint:
(newEndPoint
/ newEndPoint.w).xyz, material: material)
}
public func sortZRef() -> Float {
return (startPoint.z + endPoint.z) / 2.0
}
複製程式碼在使用矩陣對頂點變換後，要重新把頂點變換到螢幕空間，所以將頂點除以它的w。xyz是自定義的擴充套件，獲取4維向量的前3維。
(newStartPoint / newStartPoint.w).xyz
複製程式碼sortZRef的實現正如上面所說，求z的平均值。
幾何體Geometry
Geometry由一組基本圖形組成，比如一個正方體。Geometry提供modelMatrix對這一組基本圖形進行變換。它的存在讓我們可以為每一組基本圖形提供不同的模型變換。同時它也肩負著管理圖形材質的任務。可以通過它的setMaterialForElementsInRange方法為每一個基本圖形設定不同的樣式。
public var elements: [HT3DElement]?
public var materials: [HT3DMaterial] = []
public var modelMatrix: GLKMatrix4 = GLKMatrix4Identity
public var material: HT3DMaterial? {
return materials.first
}
public init(elements: [HT3DElement], material: HT3DMaterial) {
self.elements = elements
self.materials.append(material)
self.setMaterialForElementsInRange(range: Range<Int>.init(uncheckedBounds: (0,
elements.count - 1)), materialIndex: 0)
}
public func setMaterialForElementsInRange(range: Range<Int>, materialIndex: Int) {
if let material = materials[cycle: materialIndex] {
for index in range.lowerBound...range.upperBound {
if let element = self.elements?[safe: index] {
var ele = element
ele.material = material
self.elements?[index] = ele
}
}
}
}
複製程式碼CoreGraphics渲染
為了方便其他渲染器的實現，我定義了渲染器的協議。渲染器的主要功能就是渲染基本圖形的集合。
protocol HT3DRenderContext {
func render(elements: [HT3DElement])
}
複製程式碼為了更加方便的呼叫渲染器程式碼，為該協議編寫了下面的擴充套件方法。
extension HT3DRenderContext {
public func render(vpMatrix: GLKMatrix4, geometries: [HT3DGeometry]) {
var elements: [HT3DElement] = []
for geometry in geometries {
let _ = geometry.elements?.map {
elements.append($0.transform(matrix: vpMatrix * geometry.modelMatrix))
}
}
elements.sort { $0.sortZRef() > $1.sortZRef() }
render(elements: elements)
}
}
複製程式碼這樣就可以很方便的使用VP（ProjectionMatrix * ViewMatrix）和幾何體列表渲染了。在這個方法中，我們將基本圖形的頂點使用VP和所屬幾何體的ModelMatrix進行變換，然後將這些基本圖形按照z軸排序，從而模擬DepthTest，最後呼叫渲染器的渲染方法。這個方法的具體實現取決於你用什麼樣的渲染器。本文自然採用了CoreGraphics渲染器。渲染器程式碼在HT3DCGRenderContext.swift中。主要就是線和多邊形兩種基本圖形的渲染，非常簡單的程式碼。
func renderElement(context: CGContext, element: HT3DLineElement) {
context.setStrokeColor(UIColor.fromVec3(glkVector3: element.material.lineColor).cgColor)
context.setLineWidth(element.material.lineWidth)
context.beginPath()
context.move(to: convertCoordFromGLToCG(element.startPoint.cgPoint()))
context.addLine(to: convertCoordFromGLToCG(element.endPoint.cgPoint()))
context.strokePath()
}
func renderElement(context: CGContext, element: HT3DPolygonElement) {
context.setFillColor(UIColor.fromVec3(glkVector3: element.material.diffuse).cgColor)
context.setStrokeColor(UIColor.fromVec3(glkVector3: element.material.lineColor).cgColor)
context.setLineWidth(element.material.lineWidth)
context.beginPath()
element.points.first.map { context.move(to: convertCoordFromGLToCG($0.cgPoint())) }
for index in 1..<element.points.count {
context.addLine(to: convertCoordFromGLToCG(element.points[index].cgPoint()))
}
if element.isClosed {
context.closePath()
}
context.drawPath(using: .fillStroke)
}
func convertCoordFromGLToCG(_ from: CGPoint) -> CGPoint {
return (from * (1, -1) + 1.0) * 0.5 * (canvasSize.width, canvasSize.height)
}
複製程式碼其中convertCoordFromGLToCG用於將OpenGL座標轉換成CoreGraphics中的座標，如果你對OpenGL座標不瞭解，可以去看我的OpenGL系列教程。
如果你對本文的其他關於OpenGL的概念也不理解，也可以去教程裡面找找答案，畢竟本文中很多OpenGL的概念我只是一筆帶過。
整合
最後將CoreGraphics渲染器用Layer封裝起來，程式碼在HT3DCGLayer中。比較簡單，有興趣的同學可以直接前往GitHub檢視，如果覺得專案還湊合，別忘了Star一下哦～
目前這個方案還只是開始階段，還有很多優化和不足的地方有待改進。比如使用更加精準的z軸排序演算法，提供基本光照模型等等。