NO.15 - OpenGL ES 使用GLSL加载图片

作者: z夜流星 | 来源:发表于2020-08-24 00:05 被阅读0次

利用GLSL自定义的着色去加载一张图片，效果图如下

效果图

整体流程图如下

整体流程图

流程中主要分为4个模块

准备工作：项目的创建及自定义视图、属性等
自定义着色器：利用GLSL编写自定义的顶点、片元着色器
初始化：创建layer、context，清空缓存区，以及设置Render和Frame缓存区
绘制：主要是GLSL加载、顶点数据处理以及加载纹理，最后绘制到屏幕上

准备工作

项目的创建及自定义视图创建等，这里不作过多说明，主要说说着色器文件是如何创建的

command + N，开始新建文件
选择 ios --> Other --> Empty，点击next

Empty文件
输入文件名称，例如shaderv.vsh,点击create，即创建成功

shaderv.vsh

自定义着色器

自定义的着色器本质上其实是一个字符串，且在Xcode中编写时，是没有任何提示的，所以需要格外仔细！

顶点着色器

定义两个attribute修饰的变量，分别表示顶点坐标position和纹理坐标textCoordinate
定义一个与片元桥接的变量varyTextCoord，用来将纹理坐标从顶点着色器传递到片元着色器
main函数：如果顶点没有任何变换操作，则直接将顶点坐标赋值给内建变量gl_Position，如果顶点有变换，将变换后的结果即最终的顶点坐标数据，赋值给内建变量

//顶点坐标
attribute vec4 position;
纹理坐标
attribute vec2 textCoordinate;
//纹理坐标
varying lowp vec2 varyTextCoord;

void main(){
    //通过varying 修饰的varyTextCoord,将纹理坐标传递到片元着色器
    varyTextCoord = textCoordinate;
    //给内江变量gl_Position赋值
    gl_Position = position;
}

片与着色器

片元着色器中float类型的精度，如果不写，可能会报一些异常的错误
定义一个与顶点着色器的桥接变量varyTextCoord，即纹理坐标，必须与顶点着色器中一模一样，如果不一致，纹理坐标数据将无法传递
定义一个unifom修饰的纹理采样器colorMap，用于获取纹理坐标每个像素点的纹素
main函数：主要是纹理颜色的填充，通过texture2D内建函数获取最终的颜色值，有两个参数，参数1是纹理图片，参数2是纹理坐标，且返回值是一个vec4类型的颜色值，并将该值结果赋值给内建变量

//指定float的默认精度
precision highp float;
//纹理坐标
varying lowp vec2 varyTextCoord;
//纹理采样器（获取对应的纹理ID）
uniform sampler2D colorMap;

void main(){
    //texture2D(纹理采样器，纹理坐标)，获取对应坐标纹素
    //纹理坐标添加到对应像素点上，即将读取的纹素赋值给内建变量 gl_FragColor
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
}

初始化

初始化主要分为4部分

setupLayer：创建图层
setupContext：创建上下文
deleteRenderAndFrameBuffer：清理缓存区
setupRenderBuffer、setupFrameBuffer：设置RenderBuffer & FrameBuffer

setupLayer函数：创建图层
layer主要是用于显示OpenGL ES绘制内容的载体

创建特殊图层，有两种方式
- 1）直接使用view自带的layer
  由于UIView中自带的layer是继承自CALayer的，而需要创建的layer是继承自CAEAGLLayer的，所以需要重写类方法layerClass，返回[CAEAGLLayer class]
- 2）使用init创建图层
  可以直接使用[[CAEAGLLayer alloc] init]创建一个新的layer，将其add到layer上
- 在本案例中，使用的是view自带的layer
设置scale，将layer的大小设置为跟屏幕大小一致
设置描述属性
- kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking 表示绘图表面显示后，是否保留其内容。只有true 或者false两种，默认false
- kEAGLDrawablePropertyColorFormat 表示可绘制表面的内部颜色缓存区格式。有以下三种值，默认kEAGLColorFormatRGBA8

kEAGLColorFormatRGBA8 32位的RGBA颜色值（每个表示8位，所以4*8=32位）
kEAGLColorFormatRGB565 16位的RGB颜色值
kEAGLColorFormatSRGBA8 表示标准的红、绿、蓝，sRGB的色彩空间基于独立的色彩坐标，可以使色彩在不同的设备使用传输中对应于同一个色彩坐标体系，而不受这些设备各自具有的不同色彩坐标的影响。

//1、创建图层
- (void)setupLayer{
//    1、创建特殊图层

    self.myEagLayer = (CAEAGLLayer*)self.layer;
    
//    2、设置scale
    [self setContentScaleFactor:[[UIScreen mainScreen] scale]];
    
//    3、设置描述属性
    self.myEagLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@false, kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking, kEAGLColorFormatRGBA8, kEAGLDrawablePropertyColorFormat, nil];
}

+ (Class)layerClass{
    return [CAEAGLLayer class];
}

setupContext函数：创建上下文
上下文主要是用于保存OpenGL ES中的状态，是一个状态机，不论是GLKit还是GLSL，都是需要context的，主要创建流程如下

创建Context，并指定OpenGL ES 渲染API的版本号（2、3均可），且判断是否创建成功
设置当前的context为创建的context，并判断是都设置成功
将其赋值给全局的context

//2、创建上下文
- (void)setupContext{
//    1、指定OpenGL ES 渲染API版本
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES2;
//    2、创建图形上下文
    EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:api];
//    3、判断是否创建成功
    if (!context) {
        NSLog(@"Create context failed!");
        return;
    }
//    4、设置图形上下文
    if (![EAGLContext setCurrentContext:context]) {
        NSLog(@"setCurrentContext failed");
        return;
    }
//    5、将局部变量赋值给全局变量
    self.myContext = context;
}

deleteRenderAndFrameBuffer函数：清理缓存区
清理缓冲区的目的在于清除残留数据，防止残留数据对本次操作造成影响
需要清空两个缓存区：RenderBuffer和FrameBuffer

//3、清空缓存区
- (void)deleteRenderAndFrameBuffer{
//    清空渲染缓存区
    glDeleteBuffers(1, &_myColorRenderBuffer);
    self.myColorRenderBuffer = 0;
    
//    清空帧缓存区
    glDeleteBuffers(1, &_myColorFrameBuffer);
    self.myColorFrameBuffer = 0;
}

设置RenderBUffe & FrameBuffer
首先了解一下RenderBuffer和FrameBuffer

RenderBuffer：是一个通过应用分配的2D图像缓冲区，需要附着在FrameBuffer上
FrameBuffer：是一个收集颜色、深度和模板缓存区的附着点，简称FBO，即是一个管理者，用来管理RenderBuffer，且FrameBuffer没有实际的存储功能，真正实现存储的是RenderBuffer

两者间的关系如下图：

RenderBuffer和FrameBuffer两者关系

FrameBuffer有3个附着点

颜色附着点（Color Attachment）：管理纹理、颜色缓冲区
深度附着点（depth Attachment）：会影响颜色缓冲区，管理深度缓冲区（Depth Buffer）
模板附着点（Stencil Attachment）：管理模板缓冲区（Stencil Buffer）

RenderBuffer有3种缓存区

深度缓存区（Depth Buffer）：存储深度值等
纹理缓存区：存储纹理坐标中对应的纹素、颜色值等
模板缓存区（Stencil Buffer）：存储模板

setupRenderBuffer函数
主要是创建RenderBufferID并申请标识符，将标识符绑定至GL_RENDERBUFFER，并且将layer的相关存储绑定到RenderBuffer对象

//4、设置RenderBuffer
- (void)setupRenderBuffer{
//    1、定义一个缓存区ID
    GLuint buffer;
    
//    2、申请一个缓存区标识符
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    
//    3、赋值给全局变量
    self.myColorRenderBuffer = buffer;
    
//    4、将标识符绑定到GL_RENDERBUFFER
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
    
//    5、将可绘制对象drawable object的CAEAGLLayer的存储绑定到OpenGL ES renderBuffer对象
    [self.myContext renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:self.myEagLayer];
}

setupFrameBuffer函数
主要是创建FrameBuffer的ID并申请标识符，将标识符绑定至GL_FRAMEBUFFER，然后将RenderBuffer通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到FrameBuffer中的GL_COLOR_ATTACHMENT0附着点上，通过FrameBuffer来管理RenderBuffer，RenderBuffer存储相关数据到相应缓存区

//5、设置FrameBuffer
- (void)setupFrameBuffer{
//    1、定义一个ID
    GLuint buffer;
    
//    2、申请一个缓存区标识符
    glGenBuffers(1, &buffer);
    
//    3、赋值给全局变量
    self.myColorFrameBuffer = buffer;
    
//    4、将标识符绑定到GL_FRAMEBUFFER
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, self.myColorFrameBuffer);
    
//    5、将渲染缓存区的myColorRenderBuffer 通过 glFramebufferRenderbuffer函数绑定到GL_COLOR_ATTACHMENT0上
    /*
     glFramebufferRenderbuffer (GLenum target, GLenum attachment, GLenum renderbuffertarget, GLuint renderbuffer)
     参数1：绑定到的目标
     参数2：FrameBuffer的附着点
     参数3：需要绑定的渲染缓冲区目标
     参数4：渲染缓冲区
     */
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
}

注：绑定renderBuffer和FrameBuffer是有顺序的，先有RenderBuffer，才有FrameBuffer

绘制

绘制的整体流程图所示:

绘制的整体流程图

主要包含5部分

初始化：初始化背景颜色，清理缓存，并设置视口大小
GLSL自定义着色器加载：对自定义着色器进行加载，大致步骤为读取-->加载-->编译-->program链接-->使用
顶点数据设置及处理：将顶点坐标和纹理坐标读取到自定义的顶点着色器中
加载纹理：将png/jpg图片解压成位图，并读取纹理每个像素点的纹素
绘制：开始绘制，存储到RenderBuffer,从RenderBuffer将图片显示到屏幕上

初始化
需要注意的是，需要将视口的大小设置为与屏幕大小一致

//    设置清屏颜色 & 清除屏幕
    glClearColor(0.3f, 0.45f, 0.5f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    
//    1、设置视口大小
    CGFloat scale = [[UIScreen mainScreen] scale];
    glViewport(self.frame.origin.x * scale, self.frame.origin.y * scale, self.frame.size.width * scale, self.frame.size.height * scale);

GLSL自定义着色器加载
自定义着色器的加载主要分为以下几步

读取自定义着色器
compileShader & loadShaders函数：编译&加载着色器
链接program & 判断链接是否成功
使用program

读取自定义着色器
读取自定义着色器文件的前提是需要获得文件的路径，将其传入loadShaders函数进行加载

NSString *vertFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shaderv" ofType:@"vsh"];
NSString *fragFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shaderf" ofType:@"fsh"];

loadShaders函数 & compileShader函数

compileShader函数:在将着色器加载/附着到program上时，需要先进行编译，分为以下几步

根据文件路径读取着色器文件中的源码字符串，并将其转换为c中的字符串，类型为GLchar

根据传入的着色器类型type，调用glCreateShader函数创建一个带有唯一标识ID的着色器，此时着色器中并没有附加相对应的源码

将读取的着色器源码通过glShaderSource函数附加到创建的shader上，并将shader的ID返回给loadShaders函数中shader，以ID来获取并使用对应的着色器

通过glCompileShader函数将shader上附加的源码编译成目标代码

//编译shader
- (void)compileShader:(GLuint *)shader type:(GLenum)type file:(NSString *)file{
    //1.读取文件路径字符串
    NSString* content = [NSString stringWithContentsOfFile:file encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
    const GLchar* source = (GLchar *)[content UTF8String];

    NSLog(@"content %@， source %s", content, source);
    //2.创建一个shader（根据type类型）
    *shader = glCreateShader(type);

    //3.将着色器源码附加到着色器对象上。
    //参数1：shader,要编译的着色器对象 *shader
    //参数2：numOfStrings,传递的源码字符串数量 1个
    //参数3：strings,着色器程序的源码（真正的着色器程序源码）
    //参数4：lenOfStrings,长度，具有每个字符串长度的数组，或NULL，这意味着字符串是NULL终止的
    glShaderSource(*shader, 1, &source,NULL);
    
    NSLog(@"shader %d", *shader);

    //4.把着色器源代码编译成目标代码
    glCompileShader(*shader);
}

loadShaders函数:分别将顶点着色器和片元着色器编译完成后，并返回着色器对应的ID，然后通过glAttachShader函数将顶点和片元的shader分别附着到program上，然后释放不再使用的shader，并赋值给全局的program

//加载shader
-(GLuint)loadShaders:(NSString *)vert Withfrag:(NSString *)frag
{
    //1.定义2个零时着色器对象
    GLuint verShader, fragShader;
    //创建program
    GLint program = glCreateProgram();

    //2.编译顶点着色程序、片元着色器程序
    //参数1：编译完存储的底层地址
    //参数2：编译的类型，GL_VERTEX_SHADER（顶点）、GL_FRAGMENT_SHADER(片元)
    //参数3：文件路径
    [self compileShader:&verShader type:GL_VERTEX_SHADER file:vert];
    [self compileShader:&fragShader type:GL_FRAGMENT_SHADER file:frag];
    
    NSLog(@"verShader %d, fragShader: %d", verShader, fragShader);

    //3.创建最终的程序
    glAttachShader(program, verShader);
    glAttachShader(program, fragShader);

    //4.释放不需要的shader
    glDeleteShader(verShader);
    glDeleteShader(fragShader);

    return program;
}

链接program

通过glLinkProgram函数链接program
可以通过glGetProgramiv函数通过制定值GL_LINK_STATUS获取链接的状态，判断链接是成功还是失败
如果链接失败，可以通过glGetProgramIngoLog函数获取错误信息日志，根据错误信息一致去排查问题

使用program
通过glUseProgram函数来使用链接成功的program

 glUseProgram(self.myPrograme);

顶点数据设置及处理

通过数组存储顶点数据，并将顶点坐标和纹理坐标读取到自定义的顶点着色器中
分为以下三步

设置顶点数据：主要是初始化顶点坐标和纹理坐标
开辟顶点缓存区：用于将顶点数据从CPU拷贝至GPU
打开顶点/片元的通道
设置顶点数据没什么好说的，就是以一个一维数组，下面说说后面的两步

开辟顶点缓存区
开启顶点缓存区，这部分其实跟之前使用GLKit框架开启缓存区步骤是一致的，没什么变化，有以下四步

通过GLuint定义一个顶点缓存区ID
通过glGenBuffers函数，申请一个顶点缓存区标识符
通过glBindBuffers函数，将缓存区的标识符绑定到GL_ARRAY_BUFFER
通过glBufferData函数，将顶点数据copy到GPU中

    GLuint attrBuffer;
    glGenBuffers(1, &attrBuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, attrBuffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(attrArr), attrArr, GL_DYNAMIC_DRAW);

打开顶点/片元的通道
在iOS中，attribute通道默认是关闭的，需要手动开启，而数据有顶点坐标和纹理坐标两种，需要分别开启两次，这里的开启与GLKit框架中是有所区别的，

由于本案例使用的是自定义着色器，所以需要自己获取vertex attribut的入口，
在GLKit中使用的是封装好的固定着色器，直接指定入口即可

使用自定义着色器打开通道，一般有以下三步（相对于GLKit而言，只多了一个获取入口的步骤，后面两步是没有多大变化的）

通过glGetAttribLocation函数，获取vertex attribute的入口，需要传入两个参数，一个是program，一个是自定义着色器文件中变量名字符串，这里着重强调下！！！第二个参数的字符串必须与着色器文件中对应的变量名保持一致！
通过glEnableVertexAttribArray函数，设置合适的格式从buffer里读取数据，即设置读取入口
通过glVertexAttribPointer函数，设置读取方式

//     (1)注意：第二参数字符串必须和shaderv.vsh中的输入变量：position保持一致
    GLuint position = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "position");
//     (2).设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(position);
//     (3).设置读取方式
//          参数1：index,顶点数据的索引
//          参数2：size,每个顶点属性的组件数量，1，2，3，或者4.默认初始值是4.
//                 参数3：type,数据中的每个组件的类型，常用的有GL_FLOAT,GL_BYTE,GL_SHORT。默认初始值为GL_FLOAT
//          参数4：normalized,固定点数据值是否应该归一化，或者直接转换为固定值。（GL_FALSE）
//          参数5：stride,连续顶点属性之间的偏移量，默认为0；
//          参数6：指定一个指针，指向数组中的第一个顶点属性的第一个组件。默认为0
    glVertexAttribPointer(position, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat)*5, NULL);
    
//    9、处理纹理数据
//    (1).glGetAttribLocation,用来获取vertex attribute的入口的.
//    注意：第二参数字符串必须和shaderv.vsh中的输入变量：textCoordinate保持一致
//    (2).设置合适的格式从buffer里面读取数据
//    (3).设置读取方式
    GLuint textColor = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "textCoordinate");
    glEnableVertexAttribArray(textColor);
    glVertexAttribPointer(textColor, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat)*5, (float *)NULL+3);

加载纹理
这部分的内容主要是将png/jpg图片解压成位图，并通过自定义着色器读取纹理每个像素点的纹素，包含两部分
setupTexture函数
将png/jpg解压成位图，加载成纹理数据，其中纹理的解压缩使用的都是CoreGraphic，加载纹理的流程如下图

setupTexture函数流程

纹理解压缩：将UIImage转换为CGImageRef
图片重绘：使用CGContextRef常见的上下文，调用CGContextDrawImage函数使用默认方式进行绘制，再绘制之前，需要获取图片的大小、宽、高等数据，因为绘制时需要使用这些数据
绑定纹理：通过glBindTexture函数绑定，当只有一个纹理的时候，默认的纹理ID是0，且0一直是激活状态，因此是可以省略glGenTexture的
设置纹理属性：通过glTexParameteri函数分别设置放大/缩小的过滤方式和 S/T的环绕模式
载入纹理：通过glTexImage2D函数载入纹理，载入完成后，释放指向纹理数据的指针

//     从图片中加载纹理
- (GLuint)setupTexture: (NSString *)fileName {
//    1、将UIImage转换为CGImageRef & 判断图片是否获取成功
    CGImageRef spriteImage = [UIImage imageNamed:fileName].CGImage;
    
    if (!spriteImage) {
        NSLog(@"Failed to lead image %@", fileName);
        exit(1);
    }
    
//    2、读取图片的大小、宽和高
    size_t width = CGImageGetWidth(spriteImage);
    size_t height = CGImageGetHeight(spriteImage);
    
//    3、获取图片字节数 宽*高*4（RGBA）
    GLubyte *spriteData = (GLubyte *)calloc(width*height*4, sizeof(GLubyte));
    
//    4、创建上下文
    /*
    参数1：data,指向要渲染的绘制图像的内存地址
    参数2：width,bitmap的宽度，单位为像素
    参数3：height,bitmap的高度，单位为像素
    参数4：bitPerComponent,内存中像素的每个组件的位数，比如32位RGBA，就设置为8
    参数5：bytesPerRow,bitmap的没一行的内存所占的比特数
    参数6：colorSpace,bitmap上使用的颜色空间  kCGImageAlphaPremultipliedLast：RGBA
    */
    CGContextRef spriteContext = CGBitmapContextCreate(spriteData, width, height, 8, width*4, CGImageGetColorSpace(spriteImage), kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    NSLog(@"kCGImageAlphaPremultipliedLast %d", kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    
    
//    5、在CGContextRef上 --- 将图片绘制出来
    /*
    CGContextDrawImage 使用的是Core Graphics框架，坐标系与UIKit 不一样。UIKit框架的原点在屏幕的左上角，Core Graphics框架的原点在屏幕的左下角。
    CGContextDrawImage
    参数1：绘图上下文
    参数2：rect坐标
    参数3：绘制的图片
    */
    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, width, height);
    
//    6、使用默认方式绘制
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);
    
//    7、画图完毕就释放上下文
    CGContextRelease(spriteContext);
    
//    8、绑定纹理到默认的纹理ID
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    
//    9、设置纹理属性
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    
    float fw = width, fh = height;
//    10、载入纹理2D数据
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, fw, fh, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, spriteData);
    
//    11、释放spriteData
    free(spriteData);
    return 0;
}

总结:图片解压缩的一般步骤

将UIImage 转换为CGImageRef & 判断图片是否获取成功
设置图的大小，宽和高
获取图片字节数 = 宽高4（rgba）
创建CGContextRef上下文
使用CGContextDrawImage绘制图片

设置纹理采样器

主要是获取纹理中对应像素点的的颜色值，即纹素

通过glGetUniformLocation函数，获取fragment uniform的入口，需要传入两个参数，一个是program，一个是自定义片元着色器文件中变量名字符串colorMap，这里着重强调下！！！第二个参数的字符串必须与着色器文件中对应的变量名保持一致！
通过glUniform1i函数获取纹素，有两个参数，第一个参数是 fragment uniform的入口，本质也是一个ID，第二个参数是纹理的ID，使用的是默认的ID 0

glUniform1i(glGetUniformLocation(self.myPrograme, "colorMap"), 0);

绘制
开始绘制，存储到RenderBuffer,从RenderBuffer将图片显示到屏幕上

*调用glDrawArrays函数指定图元连接方式进行绘制

context调用presentRenderbuffer函数将绘制好的图片渲染到屏幕上进行显示

//    12、绘制
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
    
//    13、从渲染缓存区显示到屏幕上
    [self.myContext presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];

NO.15 - OpenGL ES 使用GLSL加载图片

准备工作

自定义着色器

初始化

绘制

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