010-OpenGL ES 初探&案例

OpenGL ES

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 是以⼿持和嵌入式为目标的高级3D图形应用程序编程接口(API). OpenGL ES 是⽬前智能手机中占据统治地位的图形API.⽀支持的平台: iOS, Andriod , BlackBerry ,bada ,Linux ,Windows.

OpenGL ES工作流程

从图中我没可以看出，应用的绘制工作最终都是交给OpenGL ES来完成的（当然iOS最新使用的是Metal），iOS设备上的GPU可以执行复杂的2D和3D绘图，以及最终图像中每个像素的复杂着色计算

OpenGL ES3.0图形管线

1. 顶点着⾊器 :

1. 着⾊器程序 — 描述顶点上执行操作的顶点着⾊器程序源代码/可执行⽂件
2. 顶点着⾊器输⼊(属性) — ⽤顶点数组提供每个顶点的数据
3. 统⼀变量(uniform) — 顶点/⽚元着⾊器使用的不变数据

4. 采样器 — 代表顶点着⾊器使⽤纹理的特殊统一变量类型.

   
   顶点着色器

顶点着色器的的业务：

• 矩阵变换位置
• 计算光照公式生成顶点颜色
• 生成/变换纹理坐标

2. 图元装配

什么是图元：点，线，三角形等（组成图形的基本单位）
什么是图元装配：将顶点数据计算成一个一个图元。在这个阶段会执行裁剪，透视分割和Viewport变换操作
图元类型和顶点共同确定将被渲染的单独图元。对于每个单独图元及其对应的顶点，图元装配阶段执行的操作包括:将顶点着⾊器的输出值执行裁剪、透视分割、视口变换后进入光栅化阶段。

3. 光栅化

在这个阶段绘制对应的图元(点/线/三角形). 光栅化就是将图元转化成一组⼆维片段的过程.⽽这些转化的⽚段将由⽚元着⾊器处理.这些二维⽚段就是屏幕上可绘制的像素.

光栅化

4. 片段着色器/片元着色器

1. 着⾊器程序 — 描述片段上执行操作的片元着⾊器程序源代码/可执行⽂件
2. 输⼊变量 — 光栅化单元用插值为每个⽚段⽣成的顶点着⾊器输出
3. 统⼀变量(uniform) — 顶点/⽚元着⾊器使用的不变数据

4. 采样器 — 代表片元着⾊器使⽤纹理的特殊统一变量类型.

   
   片元着色器

片元着色器所做的业务：

• 计算颜色
• 获取纹理值
• 往像素点中填充颜色值(纹理值/颜色值);

GLKit

GLKit 框架的设计⽬标是为了简化基于OpenGL / OpenGL ES 的应用开发。它的出现加快OpenGL ES或OpenGL应⽤程序开发。使用数学库，背景纹理加载，预先创建的着⾊器效果，以及标准视图和视图控制器来实现渲染循环

GLKit框架提供了功能和类，可以减少创建新的基于着⾊器的应用程序所需的工作量量，或者支持依赖早期版本的OpenGL ES或OpenGL提供的固定函数顶点或片段处理理的现有应用程序

GLKView 提供绘制场所(View)
GLKViewController(扩展于标准的UIKit 设计模式. ⽤于绘制视图内容的管理与呈现.)

使用GLKit视图呈现OpenGL ES内容

案例：使用GLKit渲染图片

我们先看效果，如下图

GLKit渲染图片

完整代码如下：
请务必将ViewController的父类改为 GLKViewController

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@property (strong,nonatomic) EAGLContext * context;
@property (strong,nonatomic) GLKBaseEffect * cEffect;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [self setUpConfig];
    [self setUpVertextData];
    [self setUpTexture];
}

-(void)setUpConfig
{
    //1.初始化上下文&设置当前上下文
    /*
     EAGLContext 是苹果iOS平台下实现OpenGLES 渲染层.
     kEAGLRenderingAPIOpenGLES1 = 1, 固定管线
     kEAGLRenderingAPIOpenGLES2 = 2,
     kEAGLRenderingAPIOpenGLES3 = 3,
     */
    self.context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
    
    //判断context创建是否成功
    if(self.context == nil)
    {
        NSLog(@"ES COntext Create Failed");
        return;
    }
    
    //设置当前工作的上下文
    [EAGLContext setCurrentContext:self.context];
    
    GLKView * view = (GLKView *)self.view;
    view.context = self.context;
    
    /*3.配置视图创建的渲染缓存区.
    
    (1). drawableColorFormat: 颜色缓存区格式.
    简介:  OpenGL ES 有一个缓存区，它用以存储将在屏幕中显示的颜色。你可以使用其属性来设置缓冲区中的每个像素的颜色格式。
    
    GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888 = 0,
    默认.缓存区的每个像素的最小组成部分（RGBA）使用8个bit，（所以每个像素4个字节，4*8个bit）。
    
    GLKViewDrawableColorFormatRGB565,
    如果你的APP允许更小范围的颜色，即可设置这个。会让你的APP消耗更小的资源（内存和处理时间）
    
    (2). drawableDepthFormat: 深度缓存区格式
    
    GLKViewDrawableDepthFormatNone = 0,意味着完全没有深度缓冲区
    GLKViewDrawableDepthFormat16,
    GLKViewDrawableDepthFormat24,
    如果你要使用这个属性（一般用于3D游戏），你应该选择GLKViewDrawableDepthFormat16
    或GLKViewDrawableDepthFormat24。这里的差别是使用GLKViewDrawableDepthFormat16
    将消耗更少的资源
    
    */
    //3. 设置视图创建的渲染缓冲区（颜色缓冲区和深度缓冲区）
    view.drawableColorFormat = GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888;
    view.drawableDepthFormat = GLKViewDrawableDepthFormat24;
    
    //4. 设置背景颜色
    glClearColor(1, 1, 1, 1.0);
}

//加载顶点/纹理坐标数据
-(void)setUpVertextData
{
    //1. 设置顶点数组（顶点坐标，纹理坐标）
    /*
    纹理坐标系取值范围[0,1];原点是左下角(0,0);
    故而(0,0)是纹理图像的左下角, 点(1,1)是右上角.
    */
    GLfloat vertextData[] = {
        0.5, -0.5, 0.0f,    1.0f, 0.0f, //右下
        0.5, 0.5,  0.0f,    1.0f, 1.0f, //右上
        -0.5, 0.5, 0.0f,    0.0f, 1.0f, //左上
        
        0.5, -0.5, 0.0f,    1.0f, 0.0f, //右下
        -0.5, 0.5, 0.0f,    0.0f, 1.0f, //左上
        -0.5, -0.5, 0.0f,   0.0f, 0.0f, //左下
    };
    
    //2. 开辟顶点缓冲区
    //2.1 创建顶点缓冲区标识符ID
    GLuint bufferId;
    glGenBuffers(1, &bufferId);
    
    //2.2 绑定顶点缓冲区
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, bufferId);
    
    //2.3 将顶点数据copy到顶点缓冲区中（从内存中拷贝到GPU显存中）
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertextData), vertextData, GL_STATIC_DRAW);
    
    //3.打开读取通道.
     /*
      (1)在iOS中, 默认情况下，出于性能考虑，所有顶点着色器的属性（Attribute）变量都是关闭的.
      意味着,顶点数据在着色器端(服务端)是不可用的. 即使你已经使用glBufferData方法,将顶点数据从内存拷贝到顶点缓存区中(GPU显存中).
      所以, 必须由glEnableVertexAttribArray 方法打开通道.指定访问属性.才能让顶点着色器能够访问到从CPU复制到GPU的数据.
      注意: 数据在GPU端是否可见，即，着色器能否读取到数据，由是否启用了对应的属性决定，这就是glEnableVertexAttribArray的功能，允许顶点着色器读取GPU（服务器端）数据。
    
     (2)方法简介
     glVertexAttribPointer (GLuint indx, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const GLvoid* ptr)
    
     功能: 上传顶点数据到显存的方法（设置合适的方式从buffer里面读取数据）
     参数列表:
         index,指定要修改的顶点属性的索引值,例如
         size, 每次读取数量。（如position是由3个（x,y,z）组成，而颜色是4个（r,g,b,a）,纹理则是2个.）
         type,指定数组中每个组件的数据类型。可用的符号常量有GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT,GL_UNSIGNED_SHORT, GL_FIXED, 和 GL_FLOAT，初始值为GL_FLOAT。
         normalized,指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化（GL_TRUE）或者直接转换为固定点值（GL_FALSE）
         stride,指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0
         ptr指定一个指针，指向数组中第一个顶点属性的第一个组件。初始值为0
      */
    //顶点坐标数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribPosition);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (GLfloat *)NULL + 0);
    
    //纹理坐标数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribTexCoord0);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribTexCoord0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (GLfloat *)NULL + 3);
}

//加载纹理
-(void)setUpTexture
{
    NSString * filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"demo01" ofType:@"jpeg"];
    
    //2.设置纹理参数
    //纹理坐标原点是左下角,但是图片显示原点应该是左上角.
    NSDictionary * options = [NSDictionary dictionaryWithObject:@(1) forKey:GLKTextureLoaderOriginBottomLeft];
    
    GLKTextureInfo * textureInfo = [GLKTextureLoader textureWithContentsOfFile:filePath options:options error:nil];
    _cEffect = [[GLKBaseEffect alloc] init];
    _cEffect.texture2d0.enabled = GL_TRUE;
    _cEffect.texture2d0.name = textureInfo.name;
}

-(void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    [_cEffect prepareToDraw];
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
}