android openGL ES2 一切从绘制纹理开始

纹理，在openGL中，可以理解为加载到显卡显存中的图片。Android设备在2.2开始支持openGL ES2.0，从前都是ES1.0 和 ES1.1的版本。简单来说，openGL ES是为了嵌入设备进行功能剪裁后的openGL版本。ES2.0是和1.x版本不兼容的，区别和兼容性参见android 官方文档。

首先，android使用openGL提供了特殊的view作为基础叫做GLSurfaceView。我们的view需要继承GLSurfaceView。如下简单示例：

public class MyGLSurfaceView extends GLSurfaceView {

    public MyGLSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        setFocusableInTouchMode(true);

        // Tell the surface view we want to create an OpenGL ES 2.0-compatible
        // context, and set an OpenGL ES 2.0-compatible renderer.
        this.setEGLContextClientVersion(2);

        this.setRenderer(new MyRenderer());
    }

}

并没有什么特别之处，android view的渲染操作需要实现一个render接口，GLSurfaceView的渲染接口为android.opengl.GLSurfaceView.Renderer。我们需要实现接口的方法。

public class MyRenderer implements Renderer {

public void onDrawFrame(GL10 gl) {}

public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {}

public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {}

}

接口实现3个方法，对应绘制，绘制区域变化，区域创建。需要说明的是参数GL10 gl是openGL es1.x版本的对象。这里我们不会使用到。还有一点就是，onDrawFrame方法的调用是有系统调用的，不需要手动调用。系统会以一定的频率不断的回调。

接下来我们进入ES2.0的使用，先上代码：

public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
    GLES20.glEnable(GLES20.GL_TEXTURE_2D);
    // Active the texture unit 0
    GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0);

    loadVertex();
    initShader();
    loadTexture();
}

绘制区域创建的时候，我们设置了启用2D的纹理，并且激活了纹理单元unit0。什么意思呢，说起来话长，以后慢慢说。简单说一下，记住openGL是基于状态的，就是很多状态的设置和切换，这里启用GL_TEXTURE_2D就是一个状态的开启，表明openGL可以使用2D纹理。

那神马是激活纹理单元，这个和硬件有点关系，openGL要显卡会划分存储纹理的存储区域不止一个区域。这里是使用区域 unit 0，多重纹理绘制可以开启多个，这个以后说。接下来，调用了三个函数，载入顶点，初始化着色器，载入纹理。

第一，载入顶点，openGL绘制图形是根据顶点以后链接起来的。为什么要这样，其实这样很强大是一种设计吧。顶点可以暂时简单理解为含有位置信息的坐标点。展开代码如下：

private void loadVertex() {
    // float size  = 4
    this.vertex = ByteBuffer.allocateDirect(quadVertex.length * 4)
                            .order(ByteOrder.nativeOrder())
                            .asFloatBuffer();

    this.vertex.put(quadVertex).position(0);

    // short size = 2
    this.index = ByteBuffer.allocateDirect(quadIndex.length * 2)
                           .order(ByteOrder.nativeOrder())
                           .asShortBuffer();

    this.index.put(quadIndex).position(0);
}

private FloatBuffer vertex;
private ShortBuffer index;

private float[] quadVertex = new float[] {
        -0.5f, 0.5f, 0.0f, // Position 0
        0, 1.0f, // TexCoord 0

        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // Position 1
        0, 0, // TexCoord 1

        0.5f , -0.5f, 0.0f, // Position 2
        1.0f, 0, // TexCoord 2

        0.5f, 0.5f, 0.0f, // Position 3
        1.0f, 1.0f, // TexCoord 3
};

private short[] quadIndex = new short[] {
        (short)(0), // Position 0
        (short)(1), // Position 1
        (short)(2), // Position 2

        (short)(2), // Position 2
        (short)(3), // Position 3
        (short)(0), // Position 0
};

FloatBuffer，ShortBuffer是封装了本地数据结构的封装对象。是的，这个2个对象里面的数据不被java虚拟机管理，相当于C语言的存储方式。具体的介绍可以参看这里(想了解的猛击)。
quadVertex的数据就是一个矩形的坐标，和纹理坐标。一两句话很难解释清楚，这里涉及到openGL的几个经典的坐标系，下次说。概括的说，openGL的坐标是单位化的，都是0.0-1.0的浮点型，屏幕的中心点是(0,0)。而纹理的坐标左下角是(0,0)。 这里的quadVertex是在屏幕中大概花了一个矩形贴了一个图片， position0 是左上点，以后左下，右下，右上的顺序，纹理坐标同理。

quadIndx神马意思呢，就是这刚才的这些顶点索引排列。这里一个矩形也就4个顶点，每个顶点3个位置坐标，2个纹理坐标。也就是说一个顶点有5个float数据。至于为什么顶点为什么这么排列下次说，是2个三角形合成了一个矩形，几句话很难解释清楚。

所以说，这段代码就是把矩形的位置和纹理坐标，存储到本地数据，准备后面使用而已。

第二，初始化着色器。这个着色器就是ES2.0的特色，又叫可编程着色器，也是区别于ES1.x的本质。这里只做简单的介绍。可编程着色器是一种脚本，语法类似C语言，脚本分为顶点着色器和片段着色器，分别对应了openGL不同的渲染流程。如下：

顶点着色器：

uniform mat4 u_MVPMatrix;

attribute vec4 a_position;
attribute vec2 a_texCoord;

varying vec2 v_texCoord;

 void main()
 {
    gl_Position = a_position;
    v_texCoord  = a_texCoord;
 }

片段着色器：

precision lowp float;       

varying vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D u_samplerTexture;

void main()
{
  gl_FragColor = texture2D(u_samplerTexture, v_texCoord);
}

这里记住一句话，顶点着色器，会在顶点上执行；片段着色器会在像素点上执行。刚才的矩形就有4个顶点，每个顶点都会应用这个脚本。也就是说，顶点是位置相关信息，片段是色彩纹理相关信息。

这个2段脚本都是文本，需要编译，链接，等等一些操作才能被ES2.0所使用。过程就像C语言的编译运行过程。openGL 提供了相关函数去做这些事情。如下：

private void initShader() {
    String vertexSource   = Tools.readFromAssets("VertexShader.glsl");
    String fragmentSource = Tools.readFromAssets("FragmentShader.glsl");

    // Load the shaders and get a linked program
    program = GLHelper.loadProgram(vertexSource, fragmentSource);

    // Get the attribute locations
    attribPosition = GLES20.glGetAttribLocation(program, "a_position");
    attribTexCoord = GLES20.glGetAttribLocation(program, "a_texCoord");

    uniformTexture = GLES20.glGetUniformLocation(program, "u_samplerTexture");

    GLES20.glUseProgram(program);
    GLES20.glEnableVertexAttribArray(attribPosition);
    GLES20.glEnableVertexAttribArray(attribTexCoord);
    // Set the sampler to texture unit 0
    GLES20.glUniform1i(uniformTexture, 0);
}

可以看到，顶点和片段一起构成一个program，它可以被openGL所使用，是一个编译好的脚本程序，存储在显存。 GLES20.glGetAttribLocation 和 GLES20.glGetUniformLocation 这句话是神马作用呢。简单说就是，java程序和着色器脚本数据通信的。把就像参数的传递一样，这样脚本就能根据外界的参数变化，实时的改变openGL流水线渲染的处理流程。

以下是我封装的载入着色器的辅助方法：

public static int loadProgram(String vertexSource, String fragmentSource) {
    // Load the vertex shaders
    int vertexShader = GLHelper.loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, vertexSource);

    // Load the fragment shaders
    int fragmentShader = GLHelper.loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentSource);

    // Create the program object
    int program = GLES20.glCreateProgram();

    if (program == 0) {
        throw new RuntimeException("Error create program.");
    }

    GLES20.glAttachShader(program, vertexShader);
    GLES20.glAttachShader(program, fragmentShader);

    // Link the program
    GLES20.glLinkProgram(program);

    int[] linked = new int[1];

    // Check the link status
    GLES20.glGetProgramiv(program, GLES20.GL_LINK_STATUS, linked, 0);

    if (linked[0] == 0) {
        GLES20.glDeleteProgram(program);
        throw new RuntimeException("Error linking program: " +  GLES20.glGetProgramInfoLog(program));
    }

    // Free up no longer needed shader resources
    GLES20.glDeleteShader(vertexShader);
    GLES20.glDeleteShader(fragmentShader);

    return program;
}

public static int loadShader(int shaderType, String source) { 

    // Create the shader object
    int shader = GLES20.glCreateShader(shaderType);

    if (shader == 0) {
        throw new RuntimeException("Error create shader.");
    }

    int[] compiled = new int[1];

    // Load the shader source
    GLES20.glShaderSource(shader, source);

    // Compile the shader
    GLES20.glCompileShader(shader);

    // Check the compile status
    GLES20.glGetShaderiv(shader, GLES20.GL_COMPILE_STATUS, compiled, 0);

    if (compiled[0] == 0) {
        GLES20.glDeleteShader(shader);
        throw new RuntimeException("Error compile shader: " + GLES20.glGetShaderInfoLog(shader));
    }

    return shader;
}

为什么openGL的很多操作目标都是int类型的，因为openGL只会在显存生成或绑定地址，返回id，以后用id相当于句柄去改变它的内部状态。

第三，就是载入纹理了。载入纹理，就是把图片的数据上传到显存，以后在使用它。请注意纹理图片的长和宽最好是2的N次方，不然不一定能绘制出来。

static int[] loadTexture(String path) {
     int[] textureId = new int[1];

     // Generate a texture object
     GLES20.glGenTextures(1, textureId, 0);

     int[] result = null;

     if (textureId[0] != 0) {

         InputStream is = Tools.readFromAsserts(path);

         Bitmap bitmap;
         try {
             bitmap = BitmapFactory.decodeStream(is);
         } finally {
             try {
                 is.close();
             } catch (IOException e) {
                 throw new RuntimeException("Error loading Bitmap.");
             }
         }

         result = new int[3];
         result[TEXTURE_ID] = textureId[0]; // TEXTURE_ID
         result[TEXTURE_WIDTH] = bitmap.getWidth(); // TEXTURE_WIDTH
         result[TEXTURE_HEIGHT] = bitmap.getHeight(); // TEXTURE_HEIGHT

         // Bind to the texture in OpenGL
         GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureId[0]);

         // Set filtering
         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_NEAREST);

         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);

         // Load the bitmap into the bound texture.
         GLUtils.texImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, bitmap, 0);

         // Recycle the bitmap, since its data has been loaded into OpenGL.
         bitmap.recycle();

     } else {
         throw new RuntimeException("Error loading texture.");
     }

     return result;
 }

代码一目了然，这里使用了android的工具类吧bitmap直接转换成openGL纹理需要的格式了。过程是，先生成一个纹理的id在显卡上的，以后根据id上传纹理数据，以后保存这个id就可以操作这个纹理了。至于纹理的一些过滤特性设置，下次再说。

现在貌似就剩下绘制了，准备好了顶点信息，顶点对应的纹理坐标。初始化了着色器，上传了纹理图片。接下来就已把他们合起来绘制了。

public void onDrawFrame(GL10 gl) {
    // clear screen to black
    GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureId);

    vertex.position(0);
    // load the position
    // 3(x , y , z)
    // (2 + 3 )* 4 (float size) = 20
    GLES20.glVertexAttribPointer(attribPosition,
                                 3, GLES20.GL_FLOAT,
                                 false, 20, vertex);

    vertex.position(3);
    // load the texture coordinate
    GLES20.glVertexAttribPointer(attribTexCoord,
                                  2, GLES20.GL_FLOAT,
                                  false, 20, vertex);

    GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, 6, GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, index);
}

我尽力保持了代码的简单，openGL的基于状态体现，bind这个函数无处不在，这里bindTexture就是通知openGL使用那个id的纹理图片。接下来的操作就是针对bind的图片的。绘制就需要让openGL知道绘制神马。所以这里需要用到vertex这个本地数据容器，里面装在的是顶点和纹理坐标信息。 GLES20.glVertexAttribPointer就是把顶点数据，按照openGL喜欢的格式上传到显卡存储。draw方法的调用，是在前面应用了纹理id的情况下，所以绘制纹理坐标的时候，会使用上传的纹理图片。

是的，每次都需要把数据上传到openGL，毕竟显存和内存不是同一个地方，openGL采用了客户端-服务端的设计模式。当然使用VBO等技术可以把数据缓存在显存，提高运行性能。这个以后再说吧。

android openGL ES2 一切从绘制纹理开始