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Android常见图形绘制方式

Android常见图形绘制方式

作者: QiShare | 来源:发表于2021-06-29 14:05 被阅读0次

图形绘制概述

Android平台提供丰富的官方控件给开发者实现界面UI开发，但在实际业务中经常会遇到各种各样的定制化需求，这必须由开发者通过自绘控件的方式来实现。通常Android提供了Canvas和OpenGL ES两种方式来实现，其中Canvas借助于Android底层的Skia 2D向量图形处理函数库来实现的。具体如何通过Canvas和OpenGL来绘制图形呢？这必须依赖于Android提供的View类来具体实现，下面组合几种常见的应用方式，如下所示：

Canvas

  • View + Canvas
  • SurfaceView + Canvas
  • TextureView + Canvas

OpenGL ES

  • SurfaceView + OpenGL ES
  • GLSurfaceView + OpenGL ES
  • TextureView + OpenGL ES

View + Canvas

这是一种通常使用的自绘控件方式，通过重写View类的onDraw(Canvas canvas)方法实现。当需要刷新绘制图形时，调用invalidate()方法让View对象自身进行刷新。该方案比较简单，涉及自定义逻辑较少，缺点是绘制逻辑在UI线程中进行，刷新效率不高，且不支持3D渲染。

public class CustomView extends View {
    public CustomView(Context context) {
        super(context);
    }
 
    public CustomView(Context context, @Nullable AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
    }
 
    public CustomView(Context context, @Nullable AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
        super(context, attrs, defStyleAttr);
    }
 
    @Override
    protected void onDraw(Canvas canvas) {
        // draw whatever.
    }
}

SurfaceView + Canvas

这种方式相对于View + Canvas方式在于使用SurfaceView，因此会在Android的WMS系统上创建一块自己的Surface进行渲染绘制，其绘制逻辑可以在独立的线程中进行，因此性能相对于View + Canvas方式更高效。但通常情况下需要创建一个绘制线程，以及实现SurfaceHolder.Callback接口来管理SurfaceView的生命周期，其实现逻辑相比View + Canvas略复杂。另外它依然不支持3D渲染，且Surface因不在View hierachy中，它的显示也不受View的属性控制，所以不能进行平移，缩放等变换，也不能放在其它ViewGroup中，SurfaceView 不能嵌套使用。

public class CustomSurfaceView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback, Runnable {
 
    private boolean mRunning = false;
    private SurfaceHolder mSurfaceHolder;
 
    public CustomSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        initView();
    }
 
    public CustomSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        initView();
    }
 
    public CustomSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
        super(context, attrs, defStyleAttr);
        initView();
    }
 
    private void initView() {
        getHolder().addCallback(this);
    }
 
    @Override
    public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
        mSurfaceHolder = holder;
        new Thread(this).start();
    }
 
    @Override
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
        mSurfaceHolder = holder;
    }
 
    @Override
    public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
        mRunning = false;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        mRunning = true;
        while (mRunning) {
            SystemClock.sleep(333);
            Canvas canvas = mSurfaceHolder.lockCanvas();
            if (canvas != null) {
                try {
                    synchronized (mSurfaceHolder) {
                        onRender(canvas);
                    }
                } finally {
                    mSurfaceHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);
                }
            }
        }
    }
 
    private void onRender(Canvas canvas) {
        // draw whatever.
    }
}

TextureView + Canvas

该方式同SurfaceView + Canvas方式有些类似，但由于它是通过TextureView来实现的，所以可以摒弃Surface不在View hierachy中缺陷，TextureView不会在WMS中单独创建窗口，而是作为View hierachy中的一个普通View，因此可以和其它普通View一样进行移动，旋转，缩放，动画等变化。这种方式也有自身缺点，它必须在硬件加速的窗口中才能使用，占用内存比SurfaceView要高，在5.0以前在主UI线程渲染，5.0以后有单独的渲染线程。

public class CustomTextureView extends TextureView implements TextureView.SurfaceTextureListener, Runnable {
 
    private boolean mRunning = false;
    private SurfaceTexture mSurfaceTexture;
    private Surface mSurface;
    private Rect mRect;
 
    public CustomTextureView(Context context) {
        super(context);
        initView();
    }
 
    public CustomTextureView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        initView();
    }
 
    public CustomTextureView(Context context, AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
        super(context, attrs, defStyleAttr);
        initView();
    }
 
    private void initView() {
        setSurfaceTextureListener(this);
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
        mSurfaceTexture = surface;
        mRect = new Rect(0, 0, width, height);
        mSurface = new Surface(mSurfaceTexture);
        new Thread(this).start();
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceTextureSizeChanged(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
        mSurfaceTexture = surface;
        mRect = new Rect(0, 0, width, height);
        mSurface = new Surface(mSurfaceTexture);
    }
 
    @Override
    public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
        mRunning = false;
        return false;
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceTextureUpdated(SurfaceTexture surface) {
 
    }
 
    @Override
    public void run() {
        mRunning = true;
        while (mRunning) {
            SystemClock.sleep(333);
            Canvas canvas = mSurface.lockCanvas(mRect);
            if (canvas != null) {
                try {
                    synchronized (mSurface) {
                        onRender(canvas);
                    }
                } finally {
                    mSurface.unlockCanvasAndPost(canvas);
                }
            }
        }
    }
 
    private void onRender(Canvas canvas) {
        canvas.drawColor(Color.RED);
        // draw whatever.
    }
}

以上都是2D图形渲染常见的方式，如果想要进行3D图形渲染或者是高级图像处理（比如滤镜、AR等效果），就必须得引入OpenGL ES来实现了。OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 是 OpenGL 三维图形 API 的子集，针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计，是一种图形渲染API的设计标准，不同的软硬件开发商在OpenGL API内部可能会有不同的实现方式。下面介绍一下在Android平台上，如何进行OpenGL ES渲染绘制，通常有以下三种方式：

SurfaceView + OpenGL ES

EGL是OpenGL API和原生窗口系统之间的接口，OpenGL ES 的平台无关性正是借助 EGL 实现的，EGL 屏蔽了不同平台的差异。如果使用OpenGL API来绘制图形就必须先构建EGL环境。

通常使用 EGL 渲染的一般步骤：

- 获取 EGLDisplay对象，建立与本地窗口系统的连接调用eglGetDisplay方法得到EGLDisplay。

- 初始化EGL方法，打开连接之后，调用eglInitialize方法初始化。

- 获取EGLConfig对象，确定渲染表面的配置信息调用eglChooseConfig方法得到 EGLConfig。

- 创建渲染表面EGLSurface通过EGLDisplay和EGLConfig，调用eglCreateWindowSurface或eglCreatePbufferSurface方法创建渲染表面得到EGLSurface。

- 创建渲染上下文EGLContext通过EGLDisplay和EGLConfig，调用eglCreateContext方法创建渲染上下文，得到EGLContext。

- 绑定上下文通过eglMakeCurrent 方法将 EGLSurface、EGLContext、EGLDisplay 三者绑定，绑定成功之后OpenGLES环境就创建好了，接下来便可以进行渲染。

- 交换缓冲OpenGLES 绘制结束后，使用eglSwapBuffers方法交换前后缓冲，将绘制内容显示到屏幕上，而屏幕外的渲染不需要调用此方法。

- 释放EGL环境绘制结束后，不再需要使用EGL时，需要取消eglMakeCurrent的绑定，销毁 EGLDisplay、EGLSurface、EGLContext三个对象。

以上EGL环境构建比较复杂，这里先不做过多解释，下面可以通过代码参考其具体实现：

public class OpenGLSurfaceView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback, Runnable {
    private boolean mRunning = false;
    private SurfaceHolder mSurfaceHolder;
 
    public OpenGLSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        initView();
    }
 
    public OpenGLSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        initView();
    }
 
    public OpenGLSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
        super(context, attrs, defStyleAttr);
        initView();
    }
 
    private void initView() {
        getHolder().addCallback(this);
    }
 
    @Override
    public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
        mSurfaceHolder = holder;
        new Thread(this).start();
    }
 
    @Override
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
        mSurfaceHolder = holder;
    }
 
    @Override
    public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
        mRunning = false;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        //创建一个EGL实例
        EGL10 egl = (EGL10) EGLContext.getEGL();
        //
        EGLDisplay dpy = egl.eglGetDisplay(EGL10.EGL_DEFAULT_DISPLAY);
        //初始化EGLDisplay
        int[] version = new int[2];
        egl.eglInitialize(dpy, version);
 
        int[] configSpec = {
                EGL10.EGL_RED_SIZE,      5,
                EGL10.EGL_GREEN_SIZE,    6,
                EGL10.EGL_BLUE_SIZE,     5,
                EGL10.EGL_DEPTH_SIZE,   16,
                EGL10.EGL_NONE
        };
 
        EGLConfig[] configs = new EGLConfig[1];
        int[] num_config = new int[1];
        //选择config创建opengl运行环境
        egl.eglChooseConfig(dpy, configSpec, configs, 1, num_config);
        EGLConfig config = configs[0];
 
        EGLContext context = egl.eglCreateContext(dpy, config,
                EGL10.EGL_NO_CONTEXT, null);
        //创建新的surface
        EGLSurface surface = egl.eglCreateWindowSurface(dpy, config, mSurfaceHolder, null);
        //将opengles环境设置为当前
        egl.eglMakeCurrent(dpy, surface, surface, context);
        //获取当前opengles画布
        GL10 gl = (GL10)context.getGL();
 
        mRunning = true;
        while (mRunning) {
            SystemClock.sleep(333);
            synchronized (mSurfaceHolder) {
                onRender(gl);
 
                //显示绘制结果到屏幕上
                egl.eglSwapBuffers(dpy, surface);
            }
        }
 
        egl.eglMakeCurrent(dpy, EGL10.EGL_NO_SURFACE, EGL10.EGL_NO_SURFACE, EGL10.EGL_NO_CONTEXT);
        egl.eglDestroySurface(dpy, surface);
        egl.eglDestroyContext(dpy, context);
        egl.eglTerminate(dpy);
    }
 
    private void onRender(GL10 gl) {
        gl.glClearColor(1.0F, 0.0F, 0.0F, 1.0F);
        // Clears the screen and depth buffer.
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT
                | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    }
}

从上面的代码可以看到，相对于SurfaceView + Canvas的绘制方式，主要有以下两点变化：

  • 在while(true)循环前后增加了EGL环境构造的代码
  • onRender()方法内参数用的是GL10而不是Canvas

GLSurfaceView + OpenGL ES

由于构建EGL环境比较繁琐，以及还需要健壮地维护一个线程，直接使用SurfaceView进行OpenGL绘制并不方便。幸好Android平台提供GLSurfaceView类，很好地封装了这些逻辑，使开发者能够快速地进行OpenGL的渲染开发。要使用GLSurfaceView类进行图形渲染，需要实现GLSurfaceView.Renderer接口，该接口提供一个onDrawFrame(GL10 gl)方法，在该方法内实现具体的渲染逻辑。

public class OpenGLGLSurfaceView extends GLSurfaceView implements GLSurfaceView.Renderer {
    public OpenGLGLSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        setRenderer(this);
    }
 
    public OpenGLGLSurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        setRenderer(this);
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        // pass through
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
        gl.glViewport(0, 0, width, height);
    }
 
    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        gl.glClearColor(1.0F, 0.0F, 0.0F, 1.0F);
        // Clears the screen and depth buffer.
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT
                | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    }
}

TextureView + OpenGL ES

该方式跟SurfaceView + OpenGL ES使用方法比较类似，使用该方法有个好处是它是通过TextureView来实现的，所以可以摒弃Surface不在View hierachy中缺陷，TextureView不会在WMS中单独创建窗口，而是作为View hierachy中的一个普通View，因此可以和其它普通View一样进行移动，旋转，缩放，动画等变化。这里使用TextureView类在构建EGL环境时需要注意，传入eglCreateWindowSurface()的参数是SurfaceTexture实例。

public class OpenGLTextureView extends TextureView implements TextureView.SurfaceTextureListener, Runnable {
    private boolean mRunning = false;
    private SurfaceTexture mSurfaceTexture;
 
    public OpenGLTextureView(Context context) {
        super(context);
        initView();
    }
 
    public OpenGLTextureView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        initView();
    }
 
    public OpenGLTextureView(Context context, AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
        super(context, attrs, defStyleAttr);
        initView();
    }
 
    private void initView() {
        setSurfaceTextureListener(this);
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
        mSurfaceTexture = surface;
        new Thread(this).start();
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceTextureSizeChanged(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
        mSurfaceTexture = surface;
    }
 
    @Override
    public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
        mRunning = false;
        return false;
    }
 
    @Override
    public void onSurfaceTextureUpdated(SurfaceTexture surface) {
 
    }
 
    @Override
    public void run() {
        //创建一个EGL实例
        EGL10 egl = (EGL10) EGLContext.getEGL();
        //
        EGLDisplay dpy = egl.eglGetDisplay(EGL10.EGL_DEFAULT_DISPLAY);
        //初始化EGLDisplay
        int[] version = new int[2];
        egl.eglInitialize(dpy, version);
 
        int[] configSpec = {
                EGL10.EGL_RED_SIZE,      5,
                EGL10.EGL_GREEN_SIZE,    6,
                EGL10.EGL_BLUE_SIZE,     5,
                EGL10.EGL_DEPTH_SIZE,   16,
                EGL10.EGL_NONE
        };
 
        EGLConfig[] configs = new EGLConfig[1];
        int[] num_config = new int[1];
        //选择config创建opengl运行环境
        egl.eglChooseConfig(dpy, configSpec, configs, 1, num_config);
        EGLConfig config = configs[0];
 
        EGLContext context = egl.eglCreateContext(dpy, config,
                EGL10.EGL_NO_CONTEXT, null);
        //创建新的surface
        EGLSurface surface = egl.eglCreateWindowSurface(dpy, config, mSurfaceTexture, null);
        //将opengles环境设置为当前
        egl.eglMakeCurrent(dpy, surface, surface, context);
        //获取当前opengles画布
        GL10 gl = (GL10)context.getGL();
 
        mRunning = true;
        while (mRunning) {
            SystemClock.sleep(333);
            synchronized (mSurfaceTexture) {
                onRender(gl);
 
                //显示绘制结果到屏幕上
                egl.eglSwapBuffers(dpy, surface);
            }
        }
 
        egl.eglMakeCurrent(dpy, EGL10.EGL_NO_SURFACE, EGL10.EGL_NO_SURFACE, EGL10.EGL_NO_CONTEXT);
        egl.eglDestroySurface(dpy, surface);
        egl.eglDestroyContext(dpy, context);
        egl.eglTerminate(dpy);
    }
 
    private void onRender(GL10 gl) {
        gl.glClearColor(1.0F, 0.0F, 1.0F, 1.0F);
        // Clears the screen and depth buffer.
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT
                | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    }
}

代码示例参考

https://github.com/sunjinbo/hiopengl/tree/master/app/src/main/java/com/hiopengl/android/graphics

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