OpenGL学习2020-12-16

一.在Manifest.xml中加入OpenGL清单声明
二.继承并实例化 *GLSurfaceView* 和*GLSurfaceView.Renderer*
三.（屏幕 - 视图）比例适配
四.使用 OpenGL ES 显示图形
- 1.绘制背景
- 2.创建图形类
五.添加动画、触摸反馈
- 1.添加动画
- 2.响应触摸事件
六.展示2D图片

前言：
本篇仅为个人学习记录，是我看了一遍官方文档的总结，并非专业教程，它的第一作用是我在以后运用OpenGL的过程中能快捷地查看基础用法，即好记性不如翻文章，第二作用是能帮助完全不了解OpenGL的人快速入门，即用一个小时时间达到我看了一周官方文档的OpenGL的了解程度，之后进阶再看其他文章就更容易上手。
提示：
看代码是最好连同注释一起看了，方便理解，官方文档原版注释，我怕我翻译变味就不翻了。

参考：官方文档

一.在Manifest.xml中加入OpenGL清单声明

首先新建一个项目，在Manifest.xml中加入这句，用啥版本的就写啥版本的。

<!-- Tell the system this app requires OpenGL ES 2.0. --><uses-feature android:glEsVersion="0x00020000" android:required="true" />
<!--        <uses-feature android:glEsVersion="0x00030000" android:required="true" />-->
<!--        <uses-feature android:glEsVersion="0x00030001" android:required="true" />-->

版本适配 ：

2.0 ——> Android 2.2（API 级别 8）开始可用
3.0 ——> Android 4.3（API 级别 18）开始可用
3.1 ——> Android 5.0（API 级别 21）开始可用

二.继承并实例化 GLSurfaceView 和GLSurfaceView.Renderer

自定义MyGLSurfaceView继承GLSurfaceView


import android.content.Context;
import android.opengl.GLSurfaceView;public class MyGLSurfaceView extends GLSurfaceView {private final MyGLRenderer renderer;public MyGLSurfaceView(Context context){super(context);// Create an OpenGL ES 2.0 contextsetEGLContextClientVersion(2);renderer = new MyGLRenderer();// Set the Renderer for drawing on the GLSurfaceViewsetRenderer(renderer);// Render the view only when there is a change in the drawing data//setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY);}
}

setEGLContextClientVersion(version)：通知默认的EGLContextFactory和默认的EGLConfigChooser，选择哪个EGLContext客户端版本。注意：1）必须用在 setRenderer() 之前；2）应该设置Manifest.xml里标明的版本。
setRenderMode(renderMode)：默认模式是‘持续渲染’
RENDERMODE_CONTINUOUSLY顾名思义就不停的绘制；‘指示渲染’ RENDERMODE_WHEN_DIRTY是只在surface被创建时或者调用 requestRender() 时才会绘制，可以省电，提高系统性能，能让gpu和cpu休息，好处多多，注意该方法要在 setRenderer() 之后调用。

自定义MyGLRenderer实现GLSurfaceView.Renderer


import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig;
import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;import android.opengl.GLSurfaceView;public class MyGLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {}public void onDrawFrame(GL10 unused) {}public void onSurfaceChanged(GL10 unused, int width, int height) {}
}

这里要明白这三个重写的方法的意义：

onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config)：在SurfaceView创建时候调用一次，一般只调用一次，在这里面，我们一般用来做一些初始化操作，比如实例图形类；
onDrawFrame(GL10 unused)：这个简单，绘制，相当于 View 的 draw() ；
onSurfaceChanged(GL10 unused, int width, int height)：当 GLSurfaceView 的大小发生改变时会调用（例如屏幕翻转、代码改变View的大小），在最开始创建时会调用一次。

在MainActivity.class 中实例MyGLSurfaceView


public class MainActivity extends AppCompatActivity {@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);setContentView(R.layout.activity_main);MyGLSurfaceView mglsv = new MyGLSurfaceView(this);ConstraintLayout.LayoutParams lp = new ConstraintLayout.LayoutParams(ConstraintLayout.LayoutParams.MATCH_PARENT, ConstraintLayout.LayoutParams.MATCH_PARENT);addContentView(mglsv,lp);}
}

这时，你的界面就是这样的：

三.（屏幕 - 视图）比例适配

首先来说说为什么要比例适配，一句话：因为OpenGL 假定屏幕采用均匀的方形坐标系，即它认为你的屏幕是正方形的，看图（左边未适配，右边已适配）：

在MyGLRenderer创建投影和相机视图矩阵：

    private final float[] vPMatrix= new float[16];private final float[] projMatrix= new float[16];private final float[] vMatrix= new float[16];public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {}public void onSurfaceChanged(GL10 unused, int width, int height) {GLES20.glViewport(0, 0, width, height);float ratio = (float) width / height;// create a projection matrix from device screen geometryMatrix.frustumM(projMatrix, 0, -ratio, ratio, -1, 1, 3, 7);}public void onDrawFrame(GL10 unused) {...// Create a camera view matrixMatrix.setLookAtM(vMatrix, 0, 0, 0, -3, 0f, 0f, 0f, 0f, 1.0f, 0.0f);// Combine the projection and camera view matricesMatrix.multiplyMM(vPMatrix, 0, projMatrix, 0, vMatrix, 0);// Draw objects...}

glViewport(x, y, width, height) ：设置画布的位置和宽高。x、y 以像素为单位，指定了画布的左下角位置。width、height 表示这个画布矩形的宽度和高度。
Matrix.multiplyMM(result, resultOffset, lhs, lhsOffset, rhs, rhsOffset)：将两个矩阵合并（即相乘）。result为目标矩阵（就是装合并之后的容器矩阵）、lhs和rhs是用来结合的两个矩阵。
glFrustumM(m, offset, left, Right, bottom, top, near, far)：根据参数创建一个透视投影矩阵。除了near、far（视景体剪裁距离）其他的我也没懂怎么用，大家基本是固定的-ratio，ratio，-1，1。
Matrix.setLookAtM(rm, rmOffset, eyeX, eyeY, eyeZ, centerX, centerY,centerZ, upX, upY, upZ)：设置相机位置，各个参数顾名思义就行了，最后三个参数表示(0,0,0)→(upX,upY,upZ)的方向为相机正上方的方向。

其他的就不解释了，注释写的很清楚了。

现在，你的GLSurfaceView就能以正确的比例显示了，不过你的界面还是这样：

四.使用 OpenGL ES 显示图形

1.绘制背景

自定义类实现 GLSurfaceview.Renderer

public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {// Set the background frame colorGLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);···}public void onDrawFrame(GL10 unused) {// Redraw background colorGLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);···}

glClearColor(red,green,blue,alpha) 和
glClear(mask)：改变背景颜色。前者设置好清除颜色，后者利用前一个函数设置好的当前清除颜色设置窗口颜色。

2.创建图形类

三角形：


public class Triangle {private FloatBuffer vertexBuffer;// number of coordinates per vertex in this arraystatic final int COORDS_PER_VERTEX = 3;static float triangleCoords[] = {   // in counterclockwise order:0.0f,  0.622008459f, 0.0f, // top-0.5f, -0.311004243f, 0.0f, // bottom left0.5f, -0.311004243f, 0.0f  // bottom right};// Set color with red, green, blue and alpha (opacity) valuesfloat color[] = { 1.0f, 0f, 0f, 1.0f };public Triangle() {// initialize vertex byte buffer for shape coordinatesByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(// (number of coordinate values * 4 bytes per float)triangleCoords.length * 4);// use the device hardware's native byte orderbb.order(ByteOrder.nativeOrder());// create a floating point buffer from the ByteBuffervertexBuffer = bb.asFloatBuffer();// add the coordinates to the FloatBuffervertexBuffer.put(triangleCoords);// set the buffer to read the first coordinatevertexBuffer.position(0);}}

要绘制三角形，您必须先定义其坐标。在 OpenGL 中，执行此操作的典型方式是为坐标定义浮点数的顶点数组。为了最大限度地提高工作效率，您可以将这些坐标写入 ByteBuffer 中，它会传递到 OpenGL ES 图形管道进行处理。（官方文档的原话，下面是其他文章找来的解释）

OpenGL并不是对堆里面的数据进行操作，而是在直接内存中（Direct Memory），即操作的数据需要保存到NIO里面的Buffer对象中。而我们上面声明的float[]对象保存在堆中，因此，需要我们将float[]对象转为java.nio.Buffer对象。

OpenGL在底层的实现是C语言，与Java默认的数据存储字节顺序可能不同，即大端小端问题。因此，为了保险起见，在将数据传递给OpenGL之前，我们需要指明使用本机的存储顺序，即bb.order(ByteOrder.nativeOrder())。

注意：形状的坐标是按照逆时针顺序定义的。绘制顺序非常重要，因为它定义了哪一边是形状的正面（您通常想要绘制的那一面），哪一边是背面（您可以使用 OpenGL ES 面剔除功能选择不绘制的那一面）。

正方形：


public class Square {private FloatBuffer vertexBuffer;private ShortBuffer drawListBuffer;// number of coordinates per vertex in this arraystatic final int COORDS_PER_VERTEX = 3;static float[] squareCoords = {-0.5f,  0.5f, 0.0f,   // top left-0.5f, -0.5f, 0.0f,   // bottom left0.5f, -0.5f, 0.0f,   // bottom right0.5f,  0.5f, 0.0f }; // top right//绘制顺序：0，1，2形成一个三角形，0，2，3形成一个三角形private short[] drawOrder = { 0, 1, 2, 0, 2, 3 }; // order to draw verticespublic Square() {// initialize vertex byte buffer for shape coordinatesByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(// (# of coordinate values * 4 bytes per float)squareCoords.length * 4);bb.order(ByteOrder.nativeOrder());vertexBuffer = bb.asFloatBuffer();vertexBuffer.put(squareCoords);vertexBuffer.position(0);// initialize byte buffer for the draw listByteBuffer dlb = ByteBuffer.allocateDirect(// (# of coordinate values * 2 bytes per short)drawOrder.length * 2);dlb.order(ByteOrder.nativeOrder());drawListBuffer = dlb.asShortBuffer();drawListBuffer.put(drawOrder);drawListBuffer.position(0);}}

在 OpenGL 中定义三角形非常简单，如果希望定义复杂一点的图形比如方形，有多种方式可以执行此操作，但在 OpenGL ES 中绘制此类形状的典型方式是使用两个绘制在一起的三角形：

同样，对于表示该形状的两个三角形，您应按逆时针顺序定义顶点，并将这些值放入 ByteBuffer 中。为了避免两次定义这两个三角形共用的两个坐标，请使用绘制列表告知 OpenGL ES 图形管道如何绘制这些顶点。

完善三角形图形类：

public class Triangle {···private final String vertexShaderCode =// This matrix member variable provides a hook to manipulate// the coordinates of the objects that use this vertex shader"uniform mat4 vPMatrix;" +"attribute vec4 vPosition;" +"void main() {" +// the matrix must be included as a modifier of gl_Position// Note that the uMVPMatrix factor *must be first* in order// for the matrix multiplication product to be correct."  gl_Position = uMVPMatrix * vPosition;" +"}";private final String fragmentShaderCode ="precision mediump float;" +"uniform vec4 vColor;" +"void main() {" +"  gl_FragColor = vColor;" +"}";private final int mProgram;private int positionHandle;private int colorHandle;private final int vertexCount = triangleCoords.length // COORDS_PER_VERTEX;private final int vertexStride = COORDS_PER_VERTEX * 4; // 4 bytes per vertexpublic Triangle() {···int vertexShader = MyGLRenderer.loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER,vertexShaderCode);int fragmentShader = MyGLRenderer.loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER,fragmentShaderCode);// create empty OpenGL ES ProgrammProgram = GLES20.glCreateProgram();// add the vertex shader to programGLES20.glAttachShader(mProgram, vertexShader);// add the fragment shader to programGLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader);// creates OpenGL ES program executablesGLES20.glLinkProgram(mProgram);}public void draw(float[] vPMatrix) {// Add program to OpenGL ES environmentGLES20.glUseProgram(mProgram);// get handle to vertex shader's vPosition memberpositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");// Enable a handle to the triangle verticesGLES20.glEnableVertexAttribArray(positionHandle);// Prepare the triangle coordinate dataGLES20.glVertexAttribPointer(positionHandle, COORDS_PER_VERTEX,GLES20.GL_FLOAT, false,vertexStride, vertexBuffer);// get handle to fragment shader's vColor membercolorHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "vColor");// Set color for drawing the triangleGLES20.glUniform4fv(colorHandle, 1, color, 0);// get handle to fragment shader's vPMatrix menbermMVPMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "uMVPMatrix");// Apply the combined projection and camera view transformationsGLES20.glUniformMatrix4fv(mMVPMatrixHandle, 1, false, mvpMatrix, 0);// Draw the triangleGLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, vertexCount);// Disable vertex arrayGLES20.glDisableVertexAttribArray(positionHandle);}
}

上面，在自定义 Triangle 的构造方法中，完成了实例化program和shader并将它们关联。在 draw() 中为program各个组件设置数据并绘制。program和shader的解释如下：

顶点着色程序：用于渲染形状的顶点的 OpenGL ES 图形代码。
片段着色程序：用于使用颜色或纹理渲染形状面的 OpenGL ES 代码。
程序：包含您希望用于绘制一个或多个形状的着色程序的 OpenGL ES 对象。

您至少需要一个顶点着色程序绘制形状，以及一个 Fragment 着色程序为该形状着色。您还必须对这些着色程序进行编译，然后将其添加到之后用于绘制形状的 OpenGL ES 程序中（这些都是官方文档的原话）。

GLES20.glGetUniformLocation(program, name)：获取着色器程序中，指定为uniform类型变量的id。
GLES20.glGetAttribLocation(program,name)：获取着色器程序中，指定为attribute类型变量的id。
GLES20.glDrawArrays(mode, first, count) 和GLES20.glDrawElements(mode,count,type,indices) ：绘制。后者可以传入绘制顺序buffer，便于重复利用顶点。

如果你要绘制上面的方形，就要这样写

 GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, drawOrder.length, GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, dlb);

MyGLRenderer 类中添加 loadShader() 方法，顾名思义就是加载着色器的静态方法：


public class MyGLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {···public static int loadShader(int type, String shaderCode){// create a vertex shader type (GLES20.GL_VERTEX_SHADER)// or a fragment shader type (GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER)int shader = GLES20.glCreateShader(type);// add the source code to the shader and compile itGLES20.glShaderSource(shader, shaderCode);GLES20.glCompileShader(shader);return shader;}
}

其他方法看注释就很清楚了。完善了Triangle后，直接在Renderer的onDrawFrame() 中调用triangle.draw() 就能显示图形了：

Triangle triangle;@Overridepublic void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {···triangle = new Triangle();}public void onDrawFrame(GL10 unused) {...// Draw objectstriangle.draw(vPMatrix);}

五.添加动画、触摸反馈

1.添加动画

修改MyGLRenderer类：

private float[] rotationMatrix = new float[16];@Overridepublic void onDrawFrame(GL10 gl) {float[] scratch = new float[16];...// Create a rotation transformation for the trianglelong time = SystemClock.uptimeMillis() % 4000L;float angle = 0.090f * ((int) time);Matrix.setRotateM(rotationMatrix, 0, angle, 0, 0, -1.0f);// Combine the rotation matrix with the projection and camera view// Note that the vPMatrix factor *must be first* in order// for the matrix multiplication product to be correct.Matrix.multiplyMM(scratch, 0, vPMatrix, 0, rotationMatrix, 0);// Draw trianglemTriangle.draw(scratch);}

上面代码看注释也很清楚了，在把‘投影×机视图(矩阵)’传递给三角形的渲染程序之前，先‘×旋转(矩阵)’。

Matrix.setRotateM() 等操作矩阵的方法请移步其他专业教程，看不看也行，顾名思义用起来就懂了。

现在你的程序是这样的：

2.响应触摸事件

为 MyGLSurfaceView 设置监听事件并设置渲染模式为‘指示渲染’以提高性能、添加触摸事件：

public class OneGlSurfaceView extends GLSurfaceView {···private final float TOUCH_SCALE_FACTOR = .5f;private float previousX;private float previousY;···public MyGLSurfaceView(Context context) {...// Render the view only when there is a change in the drawing datasetRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY);}@Overridepublic boolean onTouchEvent(MotionEvent e) {// MotionEvent reports input details from the touch screen// and other input controls. In this case, you are only// interested in events where the touch position changed.float x = e.getX();float y = e.getY();switch (e.getAction()) {case MotionEvent.ACTION_MOVE:float dx = x - previousX;float dy = y - previousY;// reverse direction of rotation above the mid-lineif (y > getHeight() / 2) {dx = dx * -1 ;}// reverse direction of rotation to left of the mid-lineif (x < getWidth() / 2) {dy = dy * -1 ;}renderer.setAngle(renderer.getAngle() +((dx + dy) * TOUCH_SCALE_FACTOR));requestRender();}previousX = x;previousY = y;return true;}

在 MyGLRenderer 类中修改相应的方法：


public class MyGLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {...public volatile float mAngle;public float getAngle() {return mAngle;}public void setAngle(float angle) {mAngle = angle;}public void onDrawFrame(GL10 gl) {...float[] scratch = new float[16];// Create a rotation for the triangle// long time = SystemClock.uptimeMillis() % 4000L;// float angle = 0.090f * ((int) time);Matrix.setRotateM(rotationMatrix, 0, mAngle, 0, 0, -1.0f);// Combine the rotation matrix with the projection and camera view// Note that the vPMatrix factor *must be first* in order// for the matrix multiplication product to be correct.Matrix.multiplyMM(scratch, 0, vPMatrix, 0, rotationMatrix, 0);// Draw trianglemTriangle.draw(scratch);}
}

不多说直接上效果图：

好了，以上就是官方文档中的全部内容了。

六.展示2D图片

完善Square类

public class Square {private static String vertexShaderCode = "uniform mat4 uMVPMatrix;" +"attribute vec4 vPosition;" +"attribute vec2 a_texCoord;" +"varying vec2 v_texCoord;" +"void main() {" +"  gl_Position = uMVPMatrix * vPosition;" +"  v_texCoord = a_texCoord;" +"}";private static String fragmentShaderCode =  "precision mediump float;" +"varying vec2 v_texCoord;" +"uniform sampler2D s_texture;" +"void main() {" +"  gl_FragColor = texture2D(s_texture, v_texCoord);" +"}";//各种bufferprivate FloatBuffer vertexBuffer;private FloatBuffer textureBuffer;private ShortBuffer drawListBuffer;//表示数组中每两个数组成一个坐标private static int COORDS_PER_TEXTURE = 2;//纹理坐标，x和y都∈[0,1]static float textureCoords[] = {//画个纹理坐标系：0f, 0f,//左上 (0,0)O·—— —— —— ——x(1,0)0f, 1f,//左下        \    纹理1f, 1f,//右下           \    图片             1f, 0f //右上     (1,1)\y          ·(1,1)};Bitmap bitmap;int mProgram, mPositionHandle, mTexCoordHandle, mMatrixHandle,mTexSamplerHandle;public Square(Context context) {···//将float[]转换成FloatBuffer，同顶点坐标一样textureBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(textureCoords.length * 4).order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer();textureBuffer.put(textureCoords);textureBuffer.position(0);//获取图片bitmap = BitmapFactory.decodeResource(context.getResources(), R.raw.beauty);//数据转换int vertexShader = OneGlRenderer.loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER,vertexShaderCode);int fragmentShader = OneGlRenderer.loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderCode);// 创建空的OpenGL ES程序mProgram = GLES20.glCreateProgram();// 添加顶点着色器到程序中GLES20.glAttachShader(mProgram, vertexShader);// 添加片段着色器到程序中GLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader);// 创建OpenGL ES程序可执行文件GLES20.glLinkProgram(mProgram);//用起来GLES20.glUseProgram(mProgram);//获取渲染程序中各个属性的hookermPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");mTexCoordHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "a_texCoord");mMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "uMVPMatrix");mTexSamplerHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "s_texture");//顶点坐标数据传入到渲染程序对应的位置GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, COORDS_PER_VERTEX, GLES20.GL_FLOAT, false, 12, vertexBuffer);//纹理坐标数据传入到渲染程序对应的位置GLES20.glEnableVertexAttribArray(mTexCoordHandle);GLES20.glVertexAttribPointer(mTexCoordHandle, COORDS_PER_TEXTURE, GLES20.GL_FLOAT, false, 8, textureBuffer);//创建并绑定纹理int[] textures = new int[1];GLES20.glGenTextures(textures.length, textures, 0);int textureId = textures[0];GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0);GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureId);GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);GLUtils.texImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, bitmap, 0);bitmap.recycle();}public void draw(float[] mvpMatrix) {GLES20.glUniformMatrix4fv(mMatrixHandle, 1, false, mvpMatrix, 0);GLES20.glUniform1i(mTexSamplerHandle, 0);GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES,drawOrder.length,GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT,drawListBuffer);}
}

修改MyGLRenderer类：

Context context;Square square;public OneGlRenderer(Context context) {this.context = context;}@Overridepublic void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {    ···square= new Square(context);}public void onDrawFrame(GL10 unused) {...// Draw objects
//        triangle.draw(vPMatrix);square.draw(vPMatrix);}

现在你的应用就是这样的（图片是百度上下的，正方形）：

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