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安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门(二):矩形、图片、读取显存等

安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门(一):基本概念和 hello world 中,我主要分析了坐标系、基本绘制流程、绘制三角形、投影变换和相机视觉的参数意义,在本篇中,我将分析绘制矩形、绘制图片纹理、读取显存的内容,以及一些注意事项,完整代码可以在 GitHub 获取

1. 绘制矩形

上篇中有提到,三角形是基本形状,利用三角形我们可以“拼出”其他的任何形状,例如矩形。

根据 Developer 网站的例子 ,我们使用 glDrawElements 来绘制矩形。

绘制矩形时,我们除了需要一个数组保存顶点数据之外,还需要一个数组保存顶点的绘制顺序:

// ... private static final float[] VERTEX = {   // in counterclockwise order:         1, 1, 0,   // top right         -1, 1, 0,  // top left         -1, -1, 0, // bottom left         1, -1, 0,  // bottom right }; private static final short[] VERTEX_INDEX = { 0, 1, 2, 0, 2, 3 };  MyRenderer() {     mVertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(VERTEX.length * 4)             .order(ByteOrder.nativeOrder())             .asFloatBuffer()             .put(VERTEX);     mVertexBuffer.position(0);      mVertexIndexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(VERTEX_INDEX.length * 2)             .order(ByteOrder.nativeOrder())             .asShortBuffer()             .put(VERTEX_INDEX);     mVertexIndexBuffer.position(0); } // ... 

在上面的代码中, VERTEX 保存了 4 个顶点的坐标, VERTEX_INDEX 保存了顶点的绘制顺序。 0 -> 1 -> 2 绘制的是 右上 -> 左上 -> 左下 上半个三角形,逆时针方向,而 0 -> 2 -> 3 则绘制的是 右上 -> 左下 -> 右下 下半个三角形,也是逆时针方向,这两个三角形则“拼接”成了一个矩形。

顶点的绘制顺序重不重要?由于这里绘制的是纯颜色,看不出区别,在下面绘制图片纹理的时候,我发现,调换顺序似乎并没有影响,绘制的图片没有变化。

shader 代码、投影变换和相机视觉的逻辑都不需要更改,我们只需要改一下绘制时调用的函数即可:

@Override public void onDrawFrame(GL10 unused) {     GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GLES20.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);      GLES20.glUseProgram(mProgram);      GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);     GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false, 0,             mVertexBuffer);      GLES20.glUniformMatrix4fv(mMatrixHandle, 1, false, mMVPMatrix, 0);      // 用 glDrawElements 来绘制,mVertexIndexBuffer 指定了顶点绘制顺序     GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, VERTEX_INDEX.length,             GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, mVertexIndexBuffer);      GLES20.glDisableVertexAttribArray(mPositionHandle); } 

绘制效果图:

安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门(二):矩形、图片、读取显存等

2. 绘制图片纹理

在绘制了矩形的基础上,我们更进一步,不再满足于绘制纯色纹理,而是绘制图片纹理。

2.1. 加载图片

首先我们需要加载图片并且保存在 OpenGL 纹理系统中:

@Override public void onSurfaceChanged(GL10 unused, int width, int height) {     // ...      mTexNames = new int[1];     GLES20.glGenTextures(1, mTexNames, 0);      Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeResource(mResources, R.drawable.p_300px);     GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0);     GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, mTexNames[0]);     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_REPEAT);     GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T,             GLES20.GL_REPEAT);     GLUtils.texImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, bitmap, 0);     bitmap.recycle();      // ... } 

我们需要先通过 glGenTextures 创建纹理,再通过 glActiveTexture 激活指定编号的纹理,再通过 glBindTexture 将新建的纹理和编号绑定起来。我们可以对图片纹理设置一系列参数,例如裁剪策略、缩放策略,这部分更详细的介绍,建议看看 《OpenGL ES 2 for Android A Quick – Start Guide (2013)》 这本书,里面有很详细的讲解。最后,我们通过 texImage2D 把图片数据拷贝到纹理中。

2.2. shader 代码

此时,我们的 shader 代码当然也需要进行更改了:

private static final String VERTEX_SHADER = "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 final String FRAGMENT_SHADER = "precision mediump float;" +         "varying vec2 v_texCoord;" +         "uniform sampler2D s_texture;" +         "void main() {" +         "  gl_FragColor = texture2D( s_texture, v_texCoord );" +         "}"; 

这里出现了更多的关键字, uniformattributevarying ,GLSL 并不是我关注的重点,不过这三者的区别可以看看 这篇博客 ,讲的非常清晰易懂:

uniform 由外部程序传递给 shader,就像是C语言里面的常量,shader 只能用,不能改; attribute 是只能在 vertex shader 中使用的变量; varying 变量是 vertex 和 fragment shader 之间做数据传递用的。

2.3. 绘制

首先我们需要指定截取纹理的哪一部分绘制到图形上:

private static final float[] UV_TEX_VERTEX = {   // in clockwise order:         1, 0,  // bottom right         0, 0,  // bottom left         0, 1,  // top left         1, 1,  // top right };  MyRenderer(Resources resources) {     // ...      mUvTexVertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(UV_TEX_VERTEX.length * 4)             .order(ByteOrder.nativeOrder())             .asFloatBuffer()             .put(UV_TEX_VERTEX);     mUvTexVertexBuffer.position(0); } 

接着我们需要修改初始化和绘制的代码:

@Override public void onSurfaceChanged(GL10 unused, int width, int height) {     mProgram = GLES20.glCreateProgram();     int vertexShader = loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, VERTEX_SHADER);     int fragmentShader = loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, FRAGMENT_SHADER);     GLES20.glAttachShader(mProgram, vertexShader);     GLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader);     GLES20.glLinkProgram(mProgram);      mPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");     mTexCoordHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "a_texCoord");     mMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "uMVPMatrix");     mTexSamplerHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "s_texture");      // ... }  @Override public void onDrawFrame(GL10 unused) {     GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GLES20.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);      GLES20.glUseProgram(mProgram);      GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);     GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false, 0,             mVertexBuffer);      GLES20.glEnableVertexAttribArray(mTexCoordHandle);     GLES20.glVertexAttribPointer(mTexCoordHandle, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 0,             mUvTexVertexBuffer);      GLES20.glUniformMatrix4fv(mMatrixHandle, 1, false, mMVPMatrix, 0);     GLES20.glUniform1i(mTexSamplerHandle, 0);      GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, VERTEX_INDEX.length,             GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, mVertexIndexBuffer);      GLES20.glDisableVertexAttribArray(mPositionHandle);     GLES20.glDisableVertexAttribArray(mTexCoordHandle); } 

绘制效果如下:

安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门(二):矩形、图片、读取显存等

2.4. 纹理坐标系

在上篇中,我们首先了解了各种坐标系,其中就包括纹理坐标系。

二维坐标系,原点在左下角,s(x)轴向右,t(y)轴向上,x y 取值范围都是 [0, 1]:

我们在绘制时, UV_TEX_VERTEX 指定了截取纹理区域的坐标,上面的代码是使用完整的区域。如果我们把它改成这样:

private static final float[] UV_TEX_VERTEX = {   // in clockwise order:         0.5f, 0,  // bottom right         0, 0,  // bottom left         0, 0.5f,  // top left         0.5f, 0.5f,  // top right }; 

这时绘制效果就成了这样子:

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为什么截取的是左上角而不是左下角?这和上篇中提到的纹理坐标系不符呀!

在《OpenGL ES 2 for Android A Quick – Start Guide (2013)》这本书中,有这样一幅图:

安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门(二):矩形、图片、读取显存等

看完之后我大概懂了,即便规定的是“原点在左下角,s(x)轴向右,t(y)轴向上”,但由于计算机中图片都是 y 轴向下,所以实际上依然是 原点在左上角,s(x)轴向右,t(y)轴向下 。这也就和实测效果一致了。

3. 读取显存

onDrawFrame 方法执行完毕之后(实际上是 glDrawElements 执行完毕之后),我们就可以从显存中读取帧数据了。这里我们利用 glReadPixels 方法读取数据:

static void sendImage(int width, int height) {     ByteBuffer rgbaBuf = ByteBuffer.allocateDirect(width * height * 4);     rgbaBuf.position(0);     long start = System.nanoTime();     GLES20.glReadPixels(0, 0, width, height, GLES20.GL_RGBA, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE,             rgbaBuf);     long end = System.nanoTime();     Log.d("TryOpenGL", "glReadPixels: " + (end - start));     saveRgb2Bitmap(rgbaBuf, Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath()             + "/gl_dump_" + width + "_" + height + ".png", width, height); }  static void saveRgb2Bitmap(Buffer buf, String filename, int width, int height) {     Log.d("TryOpenGL", "Creating " + filename);     BufferedOutputStream bos = null;     try {         bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(filename));         Bitmap bmp = Bitmap.createBitmap(width, height, Bitmap.Config.ARGB_8888);         bmp.copyPixelsFromBuffer(buf);         bmp.compress(Bitmap.CompressFormat.PNG, 90, bos);         bmp.recycle();     } catch (IOException e) {         e.printStackTrace();     } finally {         if (bos != null) {             try {                 bos.close();             } catch (IOException e) {                 e.printStackTrace();             }         }     } } 

我们把保存的图片导出查看:

安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门(二):矩形、图片、读取显存等

结果却是倒的!

这里又涉及到上篇中所说的坐标系的问题了,OpenGL 的坐标系和安卓手机的坐标系的 y 轴是相反的,所以即便我们在屏幕上看起来是正常的,一旦导出帧数据保存为图片,它看起来还是倒的!所以我们在拿到帧数据之后,需要进行处理,而且不是简单的旋转操作,因为这个颠倒,是由于图像沿着 x 轴旋转了 180° 而不是沿着 z 轴旋转了 180° !

还有一点值得一提, glReadPixels 函数非常耗时,上面的例子中,读取 996*1500 的数据,平均需要 33ms。iOS 系统有一个 CVOpenGLESTextureCacheCreateTextureFromImage 方法,可以更高效地实现显存和内存数据的共享(传输),性能比 glReadPixels 高很多。安卓平台就很无奈啦 =_=

4. 注意事项

为了避免 activity pause 之后进行不必要的渲染,我们可以在 activity 的回调中调用 GLSurfaceView 的相应方法进行控制,而在 activity 销毁时,我们需要销毁 OpenGL 纹理:

private boolean mRendererSet; private GLSurfaceView mGlSurfaceView; private MyRenderer mRenderer;  @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {     super.onCreate(savedInstanceState);     setContentView(R.layout.activity_main);      mGlSurfaceView = (GLSurfaceView) findViewById(R.id.mGLSurfaceView);      mGlSurfaceView.setEGLContextClientVersion(2);     mRenderer = new MyRenderer(getResources());     mGlSurfaceView.setRenderer(mRenderer);     mGlSurfaceView.setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_CONTINUOUSLY);     mRendererSet = true; }  @Override protected void onPause() {     super.onPause();     if (mRendererSet) {         mGlSurfaceView.onPause();     } }  @Override protected void onResume() {     super.onResume();     if (mRendererSet) {         mGlSurfaceView.onResume();     } }  @Override protected void onDestroy() {     super.onDestroy();     mRenderer.destroy(); }  static class MyRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {     // ...      void destroy() {         GLES20.glDeleteTextures(1, mTexNames, 0);     }      // ... } 

5. 小结

在本篇中,我分析了绘制矩形、绘制图片纹理、读取显存的内容,以及一些注意事项。关于 GLSL 基本还是没有涉及,纹理参数的内容也没有展开,这些内容在《OpenGL ES 2 for Android A Quick – Start Guide (2013)》这本书都有详细的讲解,感兴趣的朋友可以继续深入。另外,这两篇文章的内容也受到了 A real Open GL ES 2.0 2D tutorial 系列文章的启发。

(也许我也能整个公众号?)欢迎大家关注,会推送我的最新 blog。

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