Android OpenGL 顯示基本圖形及相關概念解讀

轉載請註明出處：【huachao1001的專欄：http://blog.csdn.net/huachao1001】

在上一篇文章中，我們知道了如何在Android開發一個OpenGL模型顯示。但是並沒有對具體模型數據進行顯示，只是展示一個背景顏色而已，在本章中，我們學習如何將一個模型數據顯示成一個具體的3D圖形。在Android中開發OpenGL程序非常簡單，但是卻有很多OpenGL相關概念是必須要清楚的，瞭解這些相關概念才能寫出正確的代碼，否則，你寫出來的程序可能會無緣無故崩潰，或者是畫出來的模型顯示不出來等等問題。

本文是建立在上一篇文章之上，只修改GLRender類，其他部分保持不變，如果你沒有看上一篇文章，請先移步【Android OpenGL入門】

1 模型數據

前面我們說過，一個3D模型一般是由很多三角片（或四邊形）組成，因此，首先我們需要有三角形的點數據。既然是3D模型，自然每個點座標是在三維座標系中，因此，每個點需要3個數來表示。

我們定義一個三角形，需要9個數，如果我們有float類型表示一個數，那麼定義一個三角形（三個點）如下：

 private float[] mTriangleArray = {
            0f, 1f, 0f,
            -1f, -1f, 0f,
            1f, -1f, 0f
};

此時，我們就有了一個三角形的3個點數據了。但是，OpenGL並不是對堆裏面的數據進行操作，而是在直接內存中（Direct Memory），即操作的數據需要保存到NIO裏面的Buffer對象中。而我們上面聲明的float[]對象保存在堆中，因此，需要我們將float[]對象轉爲java.nio.Buffer對象。

我們可以選擇在構造函數裏面，將float[]對象轉爲java.nio.Buffer，如下所示：

private FloatBuffer mTriangleBuffer;
public GLRenderer() {
    //先初始化buffer，數組的長度*4，因爲一個float佔4個字節
    ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(mTriangleArray.length * 4);
    //以本機字節順序來修改此緩衝區的字節順序
    bb.order(ByteOrder.nativeOrder());
    mTriangleBuffer = bb.asFloatBuffer();
    //將給定float[]數據從當前位置開始，依次寫入此緩衝區
    mTriangleBuffer.put(mTriangleArray);
    //設置此緩衝區的位置。如果標記已定義並且大於新的位置，則要丟棄該標記。 
    mTriangleBuffer.position(0);

}

注意，ByteBuffer和FloatBuffer以及IntBuffer都是繼承自抽象類java.nio.Buffer。

另外，OpenGL在底層的實現是C語言，與Java默認的數據存儲字節順序可能不同，即大端小端問題。因此，爲了保險起見，在將數據傳遞給OpenGL之前，我們需要指明使用本機的存儲順序。

此時，我們順利地將float[]轉爲了FloatBuffer，後面繪製三角形的時候，直接通過成員變量mTriangleBuffer即可。

2 矩陣變換

在現實世界中，我們要觀察一個物體可以通過如下幾種方式：

• 從不同位置去觀察。（視圖變換）
• 移動或旋轉物體，放縮物體（雖然實際生活中不能放縮，但是計算機世界是可以的）。（模型變換）
• 給物體拍照印成照片。可以做到“近大遠小”、裁剪只看部分等等透視效果。（投影變換）
• 只拍攝物體的一部分，使得物體在照片中只顯示部分。（視口變換）

上面所述效果，可以在OpenGL中全部實現。有一點需要很清楚，就是OpenGL的變換其實都是通過矩陣相乘來實現的。

2.1 模型變換和視圖變換

高中我們學過相對運動，就是說，改變觀測點的位置與改變物體位置都可以達到等效的運動效果。因此，在OpenGL中，這兩種變換本質上用的是同一個函數。

在進行變換之前，我們需要聲明當前是使用哪種變換。在本節中，聲明使用模型視圖變換，而模型視圖變換在OpenGL中對應標識爲：GL10.GL_MODELVIEW。通過glMatrixMode函數來聲明：

gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);

接下來你就可以對模型進行：平移、放縮、旋轉等操作啦。但是有一點值得注意的是，在此之前，你可能針對模型做了其他的操作，而我們知道，每次操作相當於一次矩陣相乘。OpenGL中，使用“當前矩陣”表示要執行的變化，爲了防止前面執行過變換“保留”在“當前矩陣”，我們需要把“當前矩陣”復位，即變爲單位矩陣（對角線上的元素全爲1），通過執行如下函數：

gl.glLoadIdentity();

此時，當前變換矩陣爲單位矩陣，後面纔可以繼續做變換，例如：

//繞（1,0,0）向量旋轉30度
gl.glRotatef(30, 1, 0, 0);

//沿x軸方向移動1個單位
gl.glTranslatef(1, 0, 0);

//x，y，z方向放縮0.1倍
gl.glScalef(0.1f, 0.1f, 0.1f);

上面的效果都是矩陣相乘實現，因此我們需要注意變換次序問題，舉個例子，假設“當前矩陣”爲單位矩陣，然後乘以一個表示旋轉的矩陣R，再乘以一個表示移動的矩陣T，最後得到的矩陣，再與每個頂點相乘。假設表示模型所以頂點的矩陣爲V，則實際就是((RT)V)，由矩陣乘法結合律，((RT)V)=(R(TV))，這導致的就是，先移動再旋轉。即：

實際變換順序與代碼中的順序是相反的

上面所講的都是改變物體的位置或方向來實現“相對運動”的，如果我們不想改變物體，而是改變觀察點，可以使用如下函數

/**
* gl: GL10型變量
* eyeX,eyeY,eyeZ: 觀測點座標（相機座標）
* centerX,centerY,centerZ：觀察位置的座標
* upX,upY,upZ ：相機向上方向在世界座標系中的方向（即保證看到的物體跟期望的不會顛倒）
*/
GLU.gluLookAt(gl,eyeX,eyeY,eyeZ,centerX,centerY,centerZ,upX,upY,upZ);

2.2 投影變換

投影變換就是定義一個可視空間，可視空間之外的物體是看不到的（即不會再屏幕中）。在此之前，我們的三維座標中的三個座標軸取值爲[-1,1]，從現在開始，座標可以不再是從-1到1了！

OpenGL支持主要兩種投影變換：

• 透視投影
• 正投影

當然了，投影也是通過矩陣來實現的，如果想要設置爲投影變換，跟前面類似：

gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
gl.glLoadIdentity();

同樣的道理，glLoadIdentity()函數也需要立即調用。

通過如下函數可將當前可視空間設置爲透視投影空間：

gl.glFrustumf(left,right,bottom,top,near,far);

上面函數對應參數如下圖所示（圖片出自www.opengl.org）：

當然了，也可以通過另一個函數實現相同的效果：

 GLU.gluPerspective(gl,fovy,aspect,near,far);

上面函數對應的參數如下圖所示（圖片出自www.opengl.org）：

而對於正投影來說，相當於觀察點處於無窮遠，當然了，這是一種理想狀態，但是有時使用正投影效率可能會更高。可以通過如下函數設置正投影：

gl.glOrthof(left,right,bottom,top,near,far);

上面函數對應的參數如下圖所示（圖片出自www.opengl.org）：

2.3 視口變換

我們可以選擇將圖像繪製到屏幕窗口的那個區域，一般默認是在整個窗口中繪製，但是，如果你不希望在整個窗口中繪製，而是在窗口的某個小區域中繪製，你也可以自己定製：

@Override
public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
    gl.glViewport(0, 0, width, height);
}

每次窗口發生變化時，我們可以設置繪製區域，即在onSurfaceChanged函數中調用glViewport函數。

3 啓用相關功能及配置

3.1 glClearColor()

設置清屏顏色，每次清屏時，使用該顏色填充整個屏幕。使用例子：

 gl.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 0f);

裏面參數分別代表RGBA，取值範圍爲[0,1]而不是[0,255]

3.2 glDepthFunc()

OpenGL中物體模型的每個像素都有一個深度緩存的值（在0到1之間，可以看成是距離）,可以通過glClearDepthf函數設置默認的“當前像素”z值。在繪製時，通過將待繪製的模型像素點的深度值與“當前像素”z值進行比較，將符合條件的像素繪製出來，不符合條件的不繪製。具體的“指定條件”可取以下值:

• GL10.GL_NEVER：永不繪製
• GL10.GL_LESS：只繪製模型中像素點的z值<當前像素z值的部分
• GL10.GL_EQUAL：只繪製模型中像素點的z值=當前像素z值的部分
• GL10.GL_LEQUAL：只繪製模型中像素點的z值<=當前像素z值的部分
• GL10.GL_GREATER ：只繪製模型中像素點的z值>當前像素z值的部分
• GL10.GL_NOTEQUAL：只繪製模型中像素點的z值!=當前像素z值的部分
• GL10.GL_GEQUAL：只繪製模型中像素點的z值>=當前像素z值的部分
• GL10.GL_ALWAYS：總是繪製

通過目標像素與當前像素在z方向上值大小的比較是否滿足參數指定的條件，來決定在深度（z方向）上是否繪製該目標像素。

注意， 該函數只有啓用“深度測試”時纔有效，通過glEnable(GL_DEPTH_TEST)開啓深度測試以及glDisable(GL_DEPTH_TEST)關閉深度測試。

例子：

 gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL);

3.3 glClearDepthf()

給深度緩存設定默認值。

緩存中的每個像素的深度值默認都是這個， 假設在 gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL);前提下：

• 如果指定“當前像素值”爲1時，我們知道，一個模型深度值取值和範圍爲[0,1]。這個時候你往裏面畫一個物體， 由於物體的每個像素的深度值都小於等於1， 所以整個物體都被顯示了出來。
• 如果指定“當前像素值”爲0， 物體的每個像素的深度值都大於等於0， 所以整個物體都不可見。
  如果指定“當前像素值”爲0.5， 那麼物體就只有深度小於等於0.5的那部分纔是可見的

使用例子：

gl.glClearDepthf(1.0f);

3.3 glEnable()，glDisable()

glEnable()啓用相關功能，glDisable()關閉相關功能。

比如：

//啓用深度測試
gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST);
//關閉深度測試
gl.glDisable(GL10.GL_DEPTH_TEST)
//開啓燈照效果
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
// 啓用光源0
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);
// 啓用顏色追蹤
gl.glEnable(GL10.GL_COLOR_MATERIAL);

3.5 glHint()

如果OpenGL在某些地方不能有效執行是，給他指定其他操作。

函數原型爲：

void glHint(GLenum target,GLenum mod)

其中，target：指定所控制行爲的符號常量，可以是以下值（引自【OpenGL函數思考-glHint 】）：

• GL_FOG_HINT：指定霧化計算的精度。如果OpenGL實現不能有效的支持每個像素的霧化計算，則GL_DONT_CARE和GL_FASTEST霧化效果中每個定點的計算。
• GL_LINE_SMOOTH_HINT：指定反走樣線段的採樣質量。如果應用較大的濾波函數，GL_NICEST在光柵化期間可以生成更多的像素段。
• GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT：指定顏色和紋理座標的差值質量。如果OpenGL不能有效的支持透視修正參數差值，那麼GL_DONT_CARE 和 GL_FASTEST可以執行顏色、紋理座標的簡單線性差值計算。
• GL_POINT_SMOOTH_HINT：指定反走樣點的採樣質量，如果應用較大的濾波函數，GL_NICEST在光柵化期間可以生成更多的像素段。
• GL_POLYGON_SMOOTH_HINT：指定反走樣多邊形的採樣質量，如果應用較大的濾波函數，GL_NICEST在光柵化期間可以生成更多的像素段。

mod：指定所採取行爲的符號常量，可以是以下值:

• GL_FASTEST：選擇速度最快選項。
• GL_NICEST：選擇最高質量選項。
• GL_DONT_CARE：對選項不做考慮。

例子：

gl.glHint(GL10.GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL10.GL_NICEST);

3.6 glEnableClientState()

當我們需要啓用頂點數組（保存每個頂點的座標數據）、頂點顏色數組（保存每個頂點的顏色）等等，就要通過glEnableClientState()函數來開啓：

//以下兩步爲繪製顏色與頂點前必做操作
// 允許設置頂點
//GL10.GL_VERTEX_ARRAY頂點數組
gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
// 允許設置顏色
//GL10.GL_COLOR_ARRAY顏色數組
gl.glEnableClientState(GL10.GL_COLOR_ARRAY);

3.7 glShadeModel()

設置着色器模式，有如下兩個選擇：

• GL10.GL_FLAT
• GL10.GL_SMOOTH（默認）

如果爲每個頂點指定了頂點的顏色，此時：

• GL_SMOOTH：根據頂點的不同顏色，最終以漸變的形式填充圖形。
• GL_FLAT：假設有n個三角片，則取最後n個頂點的顏色填充着n個三角片。

使用例子：

gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);

4 開始繪製

前面講了很多概念，但是其實都是非常值得學習的。有了這些基礎，我們才能理解如何寫OpenGL，從上一篇文章中我們知道，開發OpenGL大部分工作都是在Renderer類上面，我直接粘Renderder代碼：

/**
 * Package com.hc.opengl
 * Created by HuaChao on 2016/7/28.
 */
public class GLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {
    private float[] mTriangleArray = {
            0f, 1f, 0f,
            -1f, -1f, 0f,
            1f, -1f, 0f
    };
    //三角形各頂點顏色(三個頂點)
    private float[] mColor = new float[]{
            1, 1, 0, 1,
            0, 1, 1, 1,
            1, 0, 1, 1
    };
    private FloatBuffer mTriangleBuffer;
    private FloatBuffer mColorBuffer;


    public GLRenderer() {
        //點相關
        //先初始化buffer，數組的長度*4，因爲一個float佔4個字節
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(mTriangleArray.length * 4);
        //以本機字節順序來修改此緩衝區的字節順序
        bb.order(ByteOrder.nativeOrder());
        mTriangleBuffer = bb.asFloatBuffer();
        //將給定float[]數據從當前位置開始，依次寫入此緩衝區
        mTriangleBuffer.put(mTriangleArray);
        //設置此緩衝區的位置。如果標記已定義並且大於新的位置，則要丟棄該標記。
        mTriangleBuffer.position(0);


        //顏色相關
        ByteBuffer bb2 = ByteBuffer.allocateDirect(mColor.length * 4);
        bb2.order(ByteOrder.nativeOrder());
        mColorBuffer = bb2.asFloatBuffer();
        mColorBuffer.put(mColor);
        mColorBuffer.position(0);
    }

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {


        // 清除屏幕和深度緩存
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
        // 重置當前的模型觀察矩陣
        gl.glLoadIdentity();

        // 允許設置頂點
        //GL10.GL_VERTEX_ARRAY頂點數組
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        // 允許設置顏色
        //GL10.GL_COLOR_ARRAY顏色數組
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_COLOR_ARRAY);

        //將三角形在z軸上移動
        gl.glTranslatef(0f, 0.0f, -2.0f);

        // 設置三角形
        gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, mTriangleBuffer);
        // 設置三角形顏色
        gl.glColorPointer(4, GL10.GL_FLOAT, 0, mColorBuffer);
        // 繪製三角形
        gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLES, 0, 3);


        // 取消顏色設置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_COLOR_ARRAY);
        // 取消頂點設置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);

        //繪製結束
        gl.glFinish();

    }

    @Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
        float ratio = (float) width / height;
        // 設置OpenGL場景的大小,(0,0)表示窗口內部視口的左下角，(w,h)指定了視口的大小
        gl.glViewport(0, 0, width, height);
        // 設置投影矩陣
        gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
        // 重置投影矩陣
        gl.glLoadIdentity();
        // 設置視口的大小
        gl.glFrustumf(-ratio, ratio, -1, 1, 1, 10);
        //以下兩句聲明，以後所有的變換都是針對模型(即我們繪製的圖形)
        gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
        gl.glLoadIdentity();

    }

    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        // 設置白色爲清屏
        gl.glClearColor(1, 1, 1, 1);

    }
}

效果如下：

5 幾個重要的函數

5.1 glVertexPointer()

其實就是設置一個指針，這個指針指向頂點數組，後面繪製三角形（或矩形）根據這裏指定的頂點數組來讀取數據。
函數原型如下：

void glVertexPointer(int size,int type,int stride,Buffer pointer)

其中：

• size: 每個頂點有幾個數值描述。必須是2，3 ，4 之一。
• type: 數組中每個頂點的座標類型。取值：GL_BYTE,GL_SHORT, GL_FIXED, GL_FLOAT。
• stride：數組中每個頂點間的間隔，步長（字節位移）。取值若爲0，表示數組是連續的
• pointer：即存儲頂點的Buffer

5.2 glColorPointer()

跟上面類似，只是設定指向顏色數組的指針。
函數原型：

void glColorPointer(
        int size,
        int type,
        int stride,
        java.nio.Buffer pointer
    );

• size: 每種顏色組件的數量。 值必須爲 3 或 4。
• type: 顏色數組中的每個顏色分量的數據類型。 使用下列常量指定可接受的數據類型：GL_BYTE GL_UNSIGNED_BYTE，GL_SHORT GL_UNSIGNED_SHORT，GL_INT GL_UNSIGNED_INT，GL_FLOAT，或 GL_DOUBLE。
• stride：連續顏色之間的字節偏移量。 當偏移量爲0時，表示數據是連續的。
• pointer：即顏色的Buffer

5.3 glDrawArrays()

繪製數組裏面所有點構成的各個三角片。

函數原型:

void glDrawArrays(
    int mode,
    int first,
    int count
);

其中：

• mode：有三種取值
  
  • GL_TRIANGLES：每三個頂之間繪製三角形，之間不連接
  • GL_TRIANGLE_FAN：以V0 V1 V2,V0 V2 V3,V0 V3 V4，……的形式繪製三角形
  • GL_TRIANGLE_STRIP：順序在每三個頂點之間均繪製三角形。這個方法可以保證從相同的方向上所有三角形均被繪製。以V0 V1 V2 ,V1 V2 V3,V2 V3 V4,……的形式繪製三角形
• first：從數組緩存中的哪一位開始繪製，一般都定義爲0
• count：頂點的數量

相關資料：

【三維變換glMatrixMode】