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在安卓 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。
绘制两个三角形时，我们可以指定 6 个顶点的坐标，但实际上只有 4 个不同的点，这样有点浪费，OpenGL 支持用另一种方式完成绘制：用一个数组保存顶点数据，用另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 };
private final ShortBuffer mVertexIndexBuffer;
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、投影变换的逻辑都不需要更改（但为了让矩形能完整显示，我们把 translateM 移动的 z 值设为 -5f），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.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);
}
绘制效果图：
open_gl_color_rectangle.png
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 onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {
// ...
int[] texNames = new int[1];
GLES20.glGenTextures(1, texNames, 0);
mTexName = texNames[0];
Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeResource(mContext.getResources(),
R.drawable.p_300px);
GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0);
GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, mTexName);
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，uniform，attribute，varying，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[] TEX_VERTEX = { // in clockwise order:
1, 0, // bottom right
0, 0, // bottom left
0, 1, // top left
1, 1, // top right
};
private final ShortBuffer mVertexIndexBuffer;
MyRenderer(final Context context) {
// ...
mTexVertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(TEX_VERTEX.length * 4)
.order(ByteOrder.nativeOrder())
.asFloatBuffer()
.put(TEX_VERTEX);
mTexVertexBuffer.position(0);
}
接着我们需要修改初始化和绘制的代码：
@Override
public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {
// ...
mPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");
mTexCoordHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "a_texCoord");
mMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "uMVPMatrix");
mTexSamplerHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "s_texture");
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false,
12, mVertexBuffer);
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mTexCoordHandle);
GLES20.glVertexAttribPointer(mTexCoordHandle, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 0,
mTexVertexBuffer);
// ...
}
@Override
public void onDrawFrame(GL10 unused) {
GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);
GLES20.glUniformMatrix4fv(mMatrixHandle, 1, false, mMVPMatrix, 0);
GLES20.glUniform1i(mTexSamplerHandle, 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);
}
绘制效果如下：
open_gl_image_rectangle.png
2.4. 纹理坐标系
OpenGL 的纹理坐标系是二维坐标系，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，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[] 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：
open_gl_image_rectangle_half.png
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：
image
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
在 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：
/img/201606/gl_dump_996_1500.png
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：
@Override
protected void onPause() {
super.onPause();
mGLSurfaceView.onPause();
}
@Override
protected void onResume() {
super.onResume();
mGLSurfaceView.onResume();
}
@Override
protected void onDestroy() {
super.onDestroy();
mRenderer.destroy();
}
static class MyRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {
// ...
void destroy() {
GLES20.glDeleteTextures(1, new int[] { mTexName }, 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。
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