Android OpenGLES2.0开发（三）：绘制一个三角形

我们总是对陌生人太客气，而对亲密的人太苛刻

上一篇文章中，我们已经将OpenGL ES环境搭建完成。接下来我们就可以开始我们的绘图之旅了。该篇我们讲解最基本图形三角形的绘制，这是一切绘制的基础。在OpenGL ES的世界里一切图形都可以由三角形拼接绘制而成。

在Android官方文档中也介绍了三角形的绘制，本文案例我们参照了官方文档，但也做了进一步的改进，希望你能通过本节对OpenGL ES绘制图形有一个初步的认识。

坐标系

在绘制图形前我们要了解OpenGL ES的坐标系，我们知道Android的坐标系左上角为原点[0,0]，而OpenGL ES的坐标系如下图：
请添加图片描述

OpenGL ES的坐标系中原点[0，0]在屏幕的中心，无论屏幕是正方形还是长方形，四个点的坐标都如上图所示，也就是边长都是为2的正方形

聪明的同学可能已经有疑问了，OpenGL ES坐标系明显是按照屏幕是正方形来的，那么如果屏幕为长方形，我按照比例绘制图形肯定会变形的。这里给出肯定的回答：是的！至于怎么解决先放下。

接下来我们先画一个三角形，至于遇到的问题，我们一个个解决^_^

三角形绘制

设置要绘制图形的坐标和颜色数据
定义顶点着色器和片段着色器
创建Shader程序并链接编译好
绘制图形：使用Shader程序，将顶点、颜色数据传递到显存

1. 顶点颜色数据定义

在OpenGL ES中绘制图形必须先定义好坐标，确定图形的位置才能进行绘制。我们为坐标定义浮点数的顶点数组，然后我在构造方法中将浮点数组转化为ByteBuffer，后续我们会将它传递到OpenGL ES图像管道进行处理。

public class Triangle {

    // 顶点坐标缓冲区
    private FloatBuffer vertexBuffer;

    // 此数组中每个顶点的坐标数
    static final int COORDS_PER_VERTEX = 3;
    // 三角形三个点的坐标，逆时针绘制
    static float triangleCoords[] = {   // 坐标逆时针顺序
            0.0f, 0.616f, 0.0f, // top
            -0.5f, -0.25f, 0.0f, // bottom left
            0.5f, -0.25f, 0.0f  // bottom right
    };

    // 设置颜色为白色
    float color[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};

    public Triangle() {
        // 初始化形状坐标的顶点字节缓冲区
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(
                // (number of coordinate values * 4 bytes per float)
                triangleCoords.length * 4);
        // use the device hardware's native byte order
        bb.order(ByteOrder.nativeOrder());

        // create a floating point buffer from the ByteBuffer
        vertexBuffer = bb.asFloatBuffer();
        // add the coordinates to the FloatBuffer
        vertexBuffer.put(triangleCoords);
        // set the buffer to read the first coordinate
        vertexBuffer.position(0);
    }
}

根据代码中定义的三角形的坐标，我们大概画出的三角形如下图，应该是一个等边三角形
在这里插入图片描述

形状面和环绕

在 OpenGL 中，形状的面是由三维或更多点定义的三维表面空间。一组三个或更多个三维点（在 OpenGL 中称为顶点）具有一个正面以及一个背面。如何知道哪一面为正面，哪一面为背面呢？这个问题问得好！答案与环绕或者定义形状点的方向有关。

请添加图片描述
在此示例中，三角形的点按如上顺序定义，这也决定了他们是按逆时针的方向绘制，绘制这些坐标的顺序定义了形状的环绕方向。默认情况下，在OpenGL中，逆时针绘制的面是正面，而另外一面是背面。

为什么重要的是要知道形状的哪个面是正面？答案与OpenGL的常用功能有关，称为面部剔除。面部剔除是OpenGL环境的一个选项，它允许渲染管道忽略（不计算或绘制）形状的背面，从而节省时间，内存和处理周期：

// enable face culling feature
gl.glEnable(GL10.GL_CULL_FACE);
// specify which faces to not draw
gl.glCullFace(GL10.GL_BACK);

请务必按照逆时针绘制顺序定义 OpenGL 形状的坐标

2. 创建着色器代码

public class Triangle {

    // 顶点着色器代码
    private final String vertexShaderCode =
            "attribute vec4 vPosition;\n" +
                    "void main() {\n" +
                    "  gl_Position = vPosition;\n" +
                    "}\n";

    // 片段着色器代码
    private final String fragmentShaderCode =
            "precision mediump float;\n" +
                    "uniform vec4 vColor;\n" +
                    "void main() {\n" +
                    "  gl_FragColor = vColor;\n" +
                    "}\n";

    ...
}

变量名	说明	备注
vPosition	顶点坐标数据，我们第一步定义的顶点数据需要传给这个变量	该变量名可随意修改
gl_Position	Shader的内置变量，就是图形的顶点位置	该变量名不可修改
vColor	图元（像素）的颜色，我们第一步定义的颜色需要传给这个变量	该变量名可随意修改
gl_FragColor	Shader的内置变量，图元颜色	该变量名不可修改

上面先简单介绍下变量的含义，后续我们会详细讲解GLSL语言。

3. 创建Shader程序并链接

我们需要对上面的着色器语言进行编译链接后，才能在OpenGL ES环境中使用。编译此代码，我们需要一个实用的方法：

public class GLESUtils {

    /**
     * 加载着色器代码
     *
     * @param type
     * @param shaderCode
     * @return
     */
    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 it
        GLES20.glShaderSource(shader, shaderCode);
        GLES20.glCompileShader(shader);

        return shader;
    }
}

为了匹配Renderer生命周期方法onSurfaceCreated，我们在Triangle中创建surfaceCreated方法用来编译链接Shader程序，创建surfaceChanged来更新OpenGL ES画布大小

public class Triangle() {
    ...

    /**
     * OpenGL ES程序句柄
     */
    private int mProgram;

    public void surfaceCreated() {
        // 加载顶点着色器代码
        int vertexShader = GLESUtils.loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER,
                vertexShaderCode);
        // 加载片段着色器代码
        int fragmentShader = GLESUtils.loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER,
                fragmentShaderCode);

        // 创建空的OpenGL ES程序
        mProgram = GLES20.glCreateProgram();
        // 将顶点着色器添加到程序中
        GLES20.glAttachShader(mProgram, vertexShader);
        // 将片段着色器添加到程序中
        GLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader);
        // 链接OpenGL ES程序
        GLES20.glLinkProgram(mProgram);
    }

    public void surfaceChanged(int width, int height) {
        // 设置OpenGL ES画布大小
        GLES20.glViewport(0, 0, width, height);
    }
}

4. 绘制图形

此时我们已经定义好了三角形的顶点坐标数据、片元颜色值、OpenGL ES着色器程序。接下来我们只需要将坐标数据、片元颜色值传递给着色器程序，然后执行绘制我们就可以将三角形画出来了。我们定义一个单独的方法draw用来执行绘制三角形

4.1 将Shader程序添加到OpenGL ES环境

public class Triangle() {
    public void draw() {
        // 将程序添加到OpenGL ES环境
        GLES20.glUseProgram(mProgram);

        // 重新绘制背景色为黑色
        GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
        GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);
		...
    }
}

4.2 传递顶点坐标和片元颜色数据

我们要从java内存将数据传递给OpenGL ES显存环境中，需要获取Shader程序属性的句柄值

注意：获取属性句柄要和Shader程序中定义的属性变量名字一样。获取属性句柄后，我们操作属性句柄就可以将数据传递给对应的变量了。

public class Triangle() {

	...
    /**
     * Shader程序中顶点属性的句柄
     */
    private int positionHandle;
    /**
     * Shader程序中颜色属性的句柄
     */
    private int colorHandle;
    
    public void surfaceCreated() {
        // 加载Shader程序代码
        
		...
        // 获取顶点着色器vPosition成员的句柄
        positionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");
        // 获取片段着色器vColor成员的句柄
        colorHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "vColor");
    }
}

在draw方法中设置顶点数据和颜色值

public class Triangle() {

	...
    private final int vertexCount = triangleCoords.length / COORDS_PER_VERTEX;
    private final int vertexStride = COORDS_PER_VERTEX * 4; // 4 bytes per vertex
	
    public void draw() {
        // 将程序添加到OpenGL ES环境
		...
		
        // 为三角形顶点启用控制柄
        GLES20.glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
        // 准备三角坐标数据
        GLES20.glVertexAttribPointer(
                positionHandle,     // 执行要配置的属性句柄（编号）
                COORDS_PER_VERTEX,  // 指定每个顶点属性的分量数
                GLES20.GL_FLOAT,    // 指定每个分量的数据类型
                false,              // 指定是否将数据归一化到 [0,1] 或 [-1,1] 范围内
                vertexStride,       // （步长）指定连续两个顶点属性间的字节数。如果为 0，则表示顶点属性是紧密排列的
                vertexBuffer        // 指向数据缓冲对象
        );

        // 设置绘制三角形的颜色
        GLES20.glUniform4fv(colorHandle, 1, color, 0);

        // 画三角形
        GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, vertexCount);

        // 禁用顶点阵列
        GLES20.glDisableVertexAttribArray(positionHandle);
    }
}

4.3 在GLSurfaceView中绘制三角形

以上我们已经将OpenGL ES绘制三角形的流程全部讲完，接下来我们只需要在GLSurfaceView中创建Triangle类并执行对应的方法

我们在上一篇中Android OpenGLES2.0开发（二）：环境搭建已经搭建好了OpenGL ES环境，现在只需在Renderer接口中添加Triangle即可

public class TriangleGLSurfaceView extends GLSurfaceView {

    private Context mContext;
    private MyRenderer mMyRenderer;

    public TriangleGLSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        init(context);
    }

    public TriangleGLSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        init(context);
    }

    private void init(Context context) {
        mContext = context;
        mMyRenderer = new MyRenderer();
        setEGLContextClientVersion(2);
        setRenderer(mMyRenderer);
        setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY);
    }

    static class MyRenderer implements Renderer {

        Triangle mTriangle;

        public MyRenderer() {
            mTriangle = new Triangle();
        }

        @Override
        public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
            mTriangle.surfaceCreated();
        }

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

        @Override
        public void onDrawFrame(GL10 gl) {
            mTriangle.draw();
        }
    }
}