OpenGL ES 名詞解釋(二)

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一.前言

在《OpenGL ES 名詞解釋一》中已經講解了着色器渲染等相關知識，本篇文章着重講解座標系和矩陣相關內容；

二.座標系

1.屏幕座標系

屏幕座標系的左下點（0， 1），右下角（1，1），左上角（0， 0），右上角（1 ， 0）

2.紋理座標系

紋理座標系的左下點（0， 0），右下角（1 ， 0），左上角（0， 1 ），右上角（1， 1）

3.頂點座標系

頂點座標系的左下點（-1， -1），右下角（1，-1），左上角（-1， 1），右上角（1 ， 1）

4.圖像座標系

屏幕座標系的左下點（0， 1），右下角（1，1），左上角（0， 0），右上角（1 ， 0）

很多人有一個誤解：認爲 OpenGL ES 紋理原點在左上角，因爲如果繪製時紋理座標設在左下角，繪製的圖像就是上下倒立；而紋理座標設制在左上角顯示正常；

原因：圖像默認的原點在左上角，而 OpenGL ES 紋理讀取數據或者 FBO 讀取數據時都是以左下角開始，所以圖像纔會出現上下倒立的現象；

解決辦法：

方案一：繪製時將紋理座標上下鏡像
方案二：繪製時將頂點座標上下鏡像
方案三：繪製時將圖像上下鏡像後在填充到 OpenGL ES 紋理

關於方案三：將圖片上下顛倒可以使用 stb_image 完成

stbi_set_flip_vertically_on_load(true);//開起上下鏡像

三.混合

假設一種不透明東西的顏色是 A，另一種透明的東西的顏色是 B ，那麼透過 B 去看 A ，看上去的顏色 C 就是 B 和 A 的混合顏色，可以用這個式子來近似，設 B 物體的透明度爲 alpha (取值爲 0 – 1 ，0 爲完全透明，1 爲完全不透明)

R(C)=alpha*R(B)+(1-alpha)*R(A)
G(C)=alpha*G(B)+(1-alpha)*G(A)
B(C)=alpha*B(B)+(1-alpha)*B(A)

R(x)、G(x)、B(x)分別指顏色 x 的 RGB 分量。看起來這個東西這麼簡單，可是用它實現的效果絕對不簡單，應用 alpha 混合技術，可以實現出最眩目的火光、煙霧、陰影、動態光源等等一切你可以想象的出來的半透明效果。

四.變換矩陣

1.平移

爲向量(x,y,z)定義一個平移矩陣

2.旋轉

旋轉過程涉及到弧度與角度的轉化：

弧度轉角度：角度 = 弧度 * (180.0f / PI)

角度轉弧度：弧度 = 角度 * (PI / 180.0f)

3.縮放

爲向量(x,y,z)定義一個縮放矩陣

4.矩陣組合順序

矩陣組合順序 1：先平移，再旋轉，最後縮放——— OK

矩陣組合順序 2：先平移，再縮放，最後旋轉——— ERROR

矩陣組合順序 3：先縮放，再旋轉，最後平移——— ERROR

（除了第一種，其他組合順序都是錯誤的）

矩陣組合順序可以參考 glm 官方 demo 案例：

#include <glm/vec3.hpp> // glm::vec3
#include <glm/vec4.hpp> // glm::vec4
#include <glm/mat4x4.hpp> // glm::mat4
#include <glm/ext/matrix_transform.hpp> // glm::translate, glm::rotate, glm::scale
#include <glm/ext/matrix_clip_space.hpp> // glm::perspective
#include <glm/ext/scalar_constants.hpp> // glm::pi

glm::mat4 camera(float Translate, glm::vec2 const& Rotate)
{
	glm::mat4 Projection = glm::perspective(glm::pi<float>() * 0.25f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.f);
	glm::mat4 View = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, -Translate));
	View = glm::rotate(View, Rotate.y, glm::vec3(-1.0f, 0.0f, 0.0f));
	View = glm::rotate(View, Rotate.x, glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
	glm::mat4 Model = glm::scale(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(0.5f));
	return Projection * View * Model;
}

至於矩陣組合順序爲什麼是先平移，再旋轉，最後縮放，後面將專門留一篇文章做詳細講解！可以關注學習目錄《OpenGL ES 基礎》

五.投影矩陣

由觀察空間到裁剪空間在公式上左乘一個投影矩陣，投影矩陣的產生分爲兩種：正交投影和透視投影;

不管是正交投影還是透視投影，最終都是將視景體內的物體投影在近平面上，這也是 3D 座標轉換到 2D 座標的關鍵一步。

正投影就是沒有 3D 效果的投影方式，用於顯示 2D 效果；

透視投影就是有 3D 效果的投影方式，用於顯示 3D 效果.

1.正交投影

正交投影產生的效果無論你離物體多遠多近，都不會產生近大遠小的效果，大致如下圖，視點作爲觀察點，視椎體由前後左右上下 6 個麪包裹而成，物體在視椎體內部，最後投影到 near 近平面，視椎體範圍之外將無法顯示到屏幕上來

正投影就是沒有 3D 效果的投影方式，用於顯示 2D 效果；

透視投影就是有 3D 效果的投影方式，用於顯示 3D 效果.

正交投影矩陣，由 Matrix.ortho 這個方法產生

void orthoM(float[] m, int mOffset,
        float left, float right, float bottom, float top,
        float near, float far)

可以把近平面看作屏幕，left、right、top、bottom 都是以近平面中心相對的距離，由於手機屏幕的長寬一般不相等，以短邊爲基準 1 ，長邊取值爲長/寬，所以如果一個豎屏的手機使用這個正交投影產生的矩陣應該是：

float ratio = (float)height / width;
Matrix.ortho(projectMatrix,0,-1, 1, -ratio, ratio, 1, 6);

2.透視投影

透視投影會產生近大遠小的效果，正投影就是沒有 3D 效果的投影方式，用於顯示 2D 效果；透視投影就是有 3D 效果的投影方式，用於顯示 3D 效果.產生的視椎體如下圖：

透視投影也有響應的函數產生投影矩陣：

Matrix.frustumM(float[] m, int offset, float left,
          float right, float bottom, float top,
          float near, float far);

3.總結

經過上述的講解，我們要完成 4 個空間轉換，需要用到了 3 個轉換矩陣：

從局部空間轉換到世界空間，我們需要用到模型矩陣 ModeMatrix ，這個矩陣就是我們通常對物體進行 translate 、rorate 換後產生的矩陣

從世界空間到觀察空間，我們需要用到觀察矩陣 ViewMatrix ，這個矩陣可以 setLookAt 方法幫我們生成

從觀察空間到裁剪空間，我們可以用到投影矩陣 ProjectMatrix，使用 ortho 、frustuM 還有 perspectiveM 方法產生投影矩陣

最後以上幾個座標依次左乘我們的定義的座標 Position 就可以得到歸一化座標了

所以，總結出來的公式

//注意順序
gl_Position = ProjectMatrix * ViewMatrix * ModeMatrix * g_Position ;

六.幀緩衝區幀

緩衝區就是顯存，也被叫做幀緩存，它的作用是用來存儲顯卡芯片處理過或者即將提取的渲染數據。如同計算機的內存一樣，顯存是用來存儲要處理的圖形信息的部件。

最終”存活”下來的像素需要被顯示到屏幕上，但是顯示屏幕之前，這些像素是會被先提交在幀緩衝區的。幀緩存區的每一存儲單元對應屏幕上的一個像素，整個幀緩存區對應一幀圖像。

在下一個刷新頻率到來時，視頻控制器會把幀緩衝區內的內容映射到屏幕上。一般採用雙緩衝機制，存在兩個幀緩衝區。

七.VAO

VAO (頂點數組對象：Vertex Array Object)是指頂點數組對象，主要用於管理 VBO 或 EBO ，減少 glBindBuffer 、glEnableVertexAttribArray、 glVertexAttribPointer 這些調用操作，高效地實現在頂點數組配置之間切換。

OpenGL 2.0 有 VBO，沒有 VAO，VAO 是 OpenGL 3.0 纔開始支持的，並且在 OpenGL 3.0 中，強制要求綁定一個 VAO 才能開始繪製。

八.VBO

VBO（頂點緩衝區對象:Vertex Buffer Object）是指把頂點數據保存在顯存中，繪製時直接從顯存中取數據，減少了數據傳輸的開銷，因爲頂點數據多了，就是座標的數據多了很多的很多組，切換的時候很麻煩，就出現了這個 VAO，綁定對應的頂點數據

OpenGL 2.0 有 VBO，沒有 VAO，VAO 是 OpenGL 3.0 纔開始支持的，並且在 OpenGL 3.0 中，強制要求綁定一個 VAO 才能開始繪製。

九.PBO

**PBO （Pixel Buffer Object）是 OpenGL ES 3.0 的概念(OpenGL 2.0 不支持 PBO ，3.0 支持 PBO)，稱爲像素緩衝區對象，**主要被用於異步像素傳輸操作。PBO 僅用於執行像素傳輸，不連接到紋理，且與 FBO （幀緩衝區對象）無關。PBO 設計的目的就是快速地向顯卡傳輸數據，或者從顯卡讀取數據，我們可以使用它更加高效的讀取屏幕數據。

PBO 類似於 VBO（頂點緩衝區對象），PBO 開闢的也是 GPU 緩存，而存儲的是圖像數據。
PBO 可以在 GPU 的緩存間快速傳遞像素數據，不影響 CPU 時鐘週期，除此之外，PBO 還支持異步傳輸。
PBO 類似於“以空間換時間”策略，在使用一個 PBO 的情況下，性能無法有效地提升，通常需要多個 PBO 交替配合使用。

十.FBO

FBO(Frame Buffer Object) 即幀緩衝對象。FBO 有什麼作用呢？通常使用 OpenGL ES 經過頂點着色器、片元着色器處理之後就通過使用 OpenGL ES 使用的窗口系統提供的幀緩衝區，這樣繪製的結果是顯示到窗口(屏幕)上。

但是對於有些複雜的渲染處理，通過多個濾鏡處理，這時中間流程的渲染採樣的結果就不應該直接輸出顯示屏幕，而應該等所有處理完成之後再顯示到窗口上。這個時候 FBO 就派上用場了。

FBO 是一個容器，自身不能用於渲染，需要與一些可渲染的緩衝區綁定在一起，像紋理或者渲染緩衝區。，它僅且提供了 3 個附着（Attachment），分別是顏色附着、深度附着和模板附着。

十一.UBO

**UBO，Uniform Buffer Object 顧名思義，就是一個裝載 uniform 變量數據的緩衝區對象，**本質上跟 OpenGL ES 的其他緩衝區對象沒有區別，創建方式也大致一致，都是顯存上一塊用於儲存特定數據的區域。

當數據加載到 UBO ，那麼這些數據將存儲在 UBO 上，而不再交給着色器程序，所以它們不會佔用着色器程序自身的 uniform 存儲空間，UBO 是一種新的從內存到顯存的數據傳遞方式，另外 UBO 一般需要與 uniform 塊配合使用。

本例將 MVP 變換矩陣設置爲一個 uniform 塊，即我們後面創建的 UBO 中將保存 3 個矩陣。

#version 310 es
layout(location = 0) in vec4 a_position;
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;
layout (std140) uniform MVPMatrix
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
    mat4 model;
};
out vec2 v_texCoord;
void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * a_position;
    v_texCoord = a_texCoord;
}

設置 uniform 塊的綁定點爲 0 ，生成一個 UBO 。

GLuint uniformBlockIndex = glGetUniformBlockIndex(m_ProgramObj, "MVPMatrix");
glUniformBlockBinding(m_ProgramObj, uniformBlockIndex, 0);
glGenBuffers(1, &m_UboId);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, m_UboId);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 3 * sizeof(glm::mat4), nullptr, GL_STATIC_DRAW);

繪製的時候更新 Uniform Buffer 的數據，更新三個矩陣的數據，注意偏移量。

glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, m_UboId);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, sizeof(glm::mat4), &m_ProjectionMatrix[0][0]);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), &m_ViewMatrix[0][0]);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 *sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), &m_ModelMatrix[0][0]);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

十二.TBO

紋理緩衝區對象，即 TBO（Texture Buffer Object），是 OpenGL ES 3.2 引入的概念，因此在使用時首先要檢查 OpenGL ES 的版本，Android 方面需要保證 API >= 24 。

TBO 需要配合緩衝區紋理（Buffer Texture）一起使用，Buffer Texture 是一種一維紋理，其存儲數據來自紋理緩衝區對象（TBO），用於允許着色器訪問由緩衝區對象管理的大型內存表。

在 GLSL 中，只能使用 texelFetch 函數訪問緩衝區紋理，緩衝區紋理的採樣器類型爲 samplerBuffer 。

生成一個 TBO 的方式跟 VBO 類似，只需要綁定到 GL_TEXTURE_BUFFER ，而生成緩衝區紋理的方式與普通的 2D 紋理一樣。

//生成一個 Buffer Texture
glGenTextures(1, &m_TboTexId);

float *bigData = new float[BIG_DATA_SIZE];
for (int i = 0; i < BIG_DATA_SIZE; ++i) {
    bigData[i] = i * 1.0f;
}

//生成一個 TBO ，並將一個大的數組上傳至 TBO
glGenBuffers(1, &m_TboId);
glBindBuffer(GL_TEXTURE_BUFFER, m_TboId);
glBufferData(GL_TEXTURE_BUFFER, sizeof(float) * BIG_DATA_SIZE,       bigData, GL_STATIC_DRAW);
delete [] bigData;

使用紋理緩衝區的片段着色器，需要引入擴展 texture buffer ，注意版本聲明爲 #version 320 es

#version 320 es
#extension GL_EXT_texture_buffer : require

in mediump vec2 v_texCoord;
layout(location = 0) out mediump  vec4 outColor;
uniform mediump samplerBuffer u_buffer_tex;
uniform mediump sampler2D u_2d_texture;
uniform mediump int u_BufferSize;

void main()
{
    mediump int index = int((v_texCoord.x +v_texCoord.y) /2.0 * float(u_BufferSize - 1));
    mediump float value = texelFetch(u_buffer_tex, index).x;
    mediump vec4 lightColor = vec4(vec3(vec2(value / float(u_BufferSize - 1)), 0.0), 1.0);
    outColor = texture(u_2d_texture, v_texCoord) * lightColor;
}

繪製時如何使用緩衝區紋理和 TBO

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_BUFFER, m_TboTexId);
glTexBuffer(GL_TEXTURE_BUFFER, GL_R32F, m_TboId);
GLUtils::setInt(m_ProgramObj, "u_buffer_tex", 0);

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本文由博客 - 猿說編程猿說編程發佈！