OpenGL ES 使用GLSL语法自定义着色器来加载图片

准备工作：

1. 使用XCode创建一个普通工程，
2. 导入一张图片，png或jpg图片
3. 创建一个CSView 继承自UIView
4. 创建2个空文件，自定义顶点着色器文件起名为 shader_v.vsh 和 自定义片元着色器起名为 shader_f.fsh，注意后缀名不能错。

• 自定义顶点着色器shader_v.vsh中的代码如下：

attribute vec4 position;
attribute vec2 textCoordinate;
varying lowp vec2 varyTextCoord;

void main() {
    varyTextCoord = textCoordinate;
    gl_Position = position;
}

• 自定义片元着色器 shader_f.fsh 中的代码如下：

precision highp float;
varying lowp vec2 varyTextCoord;
uniform sampler2D colorMap;

void main() {
    lowp vec4 temp = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
    gl_FragColor = temp;
}

• 我们已经自定义了顶点着色器和片元着色器，那么接下来我们就用这两种着色器来绘制图片，具体思路流程如下图：

image.png

1. 设置图层 setupLayer

- (void)setupLayer {
    //1.创建特殊图层
    /*
    重写layerClass，将CCView返回的图层从CALayer替换成CAEAGLLayer
    */
    self.myEagLayer = (CAEAGLLayer *)self.layer;
    //2.设置scale
    [self setContentScaleFactor:[UIScreen mainScreen].scale];
    //3.设置描述属性，这里设置不维持渲染内容以及颜色格式为RGBA8
    /*
    kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking  表示绘图表面显示后，是否保留其内容。
    kEAGLDrawablePropertyColorFormat
        可绘制表面的内部颜色缓存区格式，这个key对应的值是一个NSString指定特定颜色缓存区对象。默认是kEAGLColorFormatRGBA8；

        kEAGLColorFormatRGBA8：32位RGBA的颜色，4*8=32位
        kEAGLColorFormatRGB565：16位RGB的颜色，
        kEAGLColorFormatSRGBA8：sRGB代表了标准的红、绿、蓝，即CRT显示器、LCD显示器、投影机、打印机以及其他设备中色彩再现所使用的三个基本色素。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。
    */
    self.myEagLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@false, kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking, kEAGLColorFormatRGBA8, kEAGLDrawablePropertyColorFormat, nil];
}

/*
重写layerClass，将CCView返回的图层从CALayer替换成CAEAGLLayer
*/
+ (Class)layerClass {
    return [CAEAGLLayer class];
}

2. 设置上下文 setupContext

- (void)setupContext {
    //1.指定OpenGL ES 渲染API版本
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES2;
    //2.创建上下文
    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]) {
        return;
    }
    self.myContext = context;
}

3. 清空缓存区 deleteRenderAndFrameBuffer

- (void)deleteRenderAndFrameBuffer {
    /*
    buffer分为frame buffer 和 render buffer2个大类。
    其中frame buffer 相当于render buffer的管理者。
    frame buffer object即称FBO。
    render buffer则又可分为3类。colorBuffer、depthBuffer、stencilBuffer。
    */
    glDeleteBuffers(1, &_myColorRenderBuffer);
    self.myColorRenderBuffer = 0;
    glDeleteBuffers(1, &_myColorFrameBuffer);
    self.myColorFrameBuffer = 0;
}

4. 设置渲染缓存区 setupRenderBuffer

- (void)setupRenderBuffer {
    //1.定义一个缓存区ID
    GLuint buffer;
    //2. 申请一个缓存区标志
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    self.myColorRenderBuffer = buffer;
    //3.将标识符绑定到GL_RENDERBUFFER
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
    //4.将绘制对象drawable object's  CAEAGLLayer的存储绑定到OpenGL ESrenderBuffer对象
    [self.myContext renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:self.myEagLayer];
}

5. 设置帧缓存区 setupFrameBuffer

- (void)setupFrameBuffer {
    //1. 定义一个缓存区ID
    GLuint buffer;
    //2.申请一个缓存区标志
    glGenFramebuffers(1, &buffer);
//    glGenBuffers(1, &buffer);
    self.myColorFrameBuffer = buffer;
    //3.绑定
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, self.myColorFrameBuffer);

    /*生成帧缓存区之后，则需要将renderbuffer跟framebuffer进行绑定，
    调用glFramebufferRenderbuffer函数进行绑定到对应的附着点上，后面的绘制才能起作用
    */

    //4.将渲染缓存区myColorRenderBuffer 通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到 GL_COLOR_ATTACHMENT0上。
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
}

6. 开始绘制图片 renderLayer

- (void)renderLayer {
    //设置清屏颜色
    glClearColor(0.3f, 0.45f, 0.5f, 1.0f);
    //清楚屏幕
    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);

    //2. 读取顶点着色程序，片元着色程序
    NSString *vertFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shader_v" ofType:@"vsh"];
    NSString *fragFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shader_f" ofType:@"fsh"];
    NSLog(@"vertFile:%@",vertFile);
    NSLog(@"fragFile:%@",fragFile);

    //3. 加载shader
    self.myPrograme = [self loadShaders:vertFile frag:fragFile];

    //4.链接
    glLinkProgram(self.myPrograme);
    GLint linkStatus;
    //获取链接状态
    glGetProgramiv(self.myPrograme, GL_LINK_STATUS, &linkStatus);
    if (linkStatus == GL_FALSE) {
        GLchar message[512];
        glGetProgramInfoLog(self.myPrograme, sizeof(message), 0, &message[0]);
        NSString *messageString = [NSString stringWithUTF8String:message];
        NSLog(@"program link error: %@", messageString);
        return;
    }
    NSLog(@"program link success");
    //5. 使用program
    glUseProgram(self.myPrograme);

    //6. 设置顶点，纹理坐标 前3个顶点坐标，后2个是纹理坐标
    GLfloat attrArr[] =
    {
        0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
        -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, -1.0f,    0.0f, 0.0f,

        0.5f, 0.5f, -1.0f,      1.0f, 1.0f,
        -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
        0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
    };

    //7. 处理顶点数据
    //顶点缓存区
    GLuint attrBuffer;
    //申请一个缓存区标识符
    glGenBuffers(1, &attrBuffer);
    //将attrBuffer绑定到GL_ARRAY_BUFFER标识符上
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, attrBuffer);
    //把顶点数据从CPU内存复制 到GPU上
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(attrArr), attrArr, GL_DYNAMIC_DRAW);

    //8. 将顶点数据通过myProgram中传递到顶点着色程序的position
    // glGetAttribLocation,用来获取vertex， attribute的入口
    // 告诉OpenGL ES 通过glEnableVertexAttribArray
    // 最后数据是通过glVertexAttribPointer传递过去的

    // 注意：第二个参数字符串必须和shader.vsh中的输入变量：position保持一致
    GLuint position = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "position");
    // 设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(position);
    // 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
    GLuint textCoor = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "textCoordinate");
    // (2) 设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(textCoor);
    //(3) 设置读取方式
    glVertexAttribPointer(textCoor, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (float *)NULL + 3);

    //10. 加载纹理
    [self setupTexture:@"meinv"];

    //11.设置纹理采样器 sampler2D
    glUniform1i(glGetUniformLocation(self.myPrograme, "colorMap"), 0);

    //12.绘图
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);

    //13.从渲染缓存区显示到屏幕上
    [self.myContext presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}

//加载纹理
- (GLuint)setupTexture:(NSString *)fileName {
    //1.将图片转换为CGImageRef
    CGImageRef spriteImage = [UIImage imageNamed:fileName].CGImage;

    //判断图片是否获取成功
    if (!spriteImage) {
        NSLog(@"Failed to load iamge %@", fileName);
        exit(1);
    }

    //2. 读取图片的大小和宽高
    size_t width = CGImageGetWidth(spriteImage);
    size_t height = CGImageGetHeight(spriteImage);

    //3. 获取图片字节数 宽 * 高 （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);

    //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
    /*
    参数1：纹理维度
    参数2：线性过滤、为s,t坐标设置模式
    参数3：wrapMode,环绕模式
    */
    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. 载入纹理数据
    /*
    参数1：纹理模式，GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
    参数2：加载的层次，一般设置为0
    参数3：纹理的颜色值GL_RGBA
    参数4：宽
    参数5：高
    参数6：border，边界宽度
    参数7：format
    参数8：type
    参数9：纹理数据
    */
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, fw, fh, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, spriteData);

    //11. 释放spriteData
    free(spriteData);
    return 0;
}

//加载shader
- (GLuint)loadShaders:(NSString *)vert frag:(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 complieShader:&verShader type:GL_VERTEX_SHADER file:vert];
    [self complieShader:&fragShader type:GL_FRAGMENT_SHADER file:frag];
    //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;

}

//编译顶点着色程序、片元着色器程序
- (void)complieShader:(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];

    //2. 创建一个shader
    *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);
    //4.把着色器源代码编译成目标代码
    glCompileShader(*shader);
}

7. 由于纹理的坐标原点是左下角，而屏幕的原点坐标是左上角，所以如果不对图片进行翻转，得到的图片会是反的。可以通过以下5中方法进行翻转：

• 第一种：解压图片时,将图片源文件翻转

//6. 使用默认方式绘制， 图片是反的
//    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);

    //6.第一种： 将图片源文件翻转， 图片是正的
    CGContextTranslateCTM(spriteContext, rect.origin.x, rect.origin.y);
    CGContextTranslateCTM(spriteContext, 0, rect.size.height);
    CGContextScaleCTM(spriteContext, 1.0, -1.0);
    CGContextTranslateCTM(spriteContext, -rect.origin.x, -rect.origin.y);
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);

    //7. 画图完毕就释放上下文
    CGContextRelease(spriteContext);

• 第二种：直接从源纹理坐标数据修改

//6. 设置顶点，纹理坐标 前3个顶点坐标，后2个是纹理坐标
   // GLfloat attrArr[] =
    //{
     //   0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
      //  -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
      //  -0.5f, -0.5f, -1.0f,    0.0f, 0.0f,

      //  0.5f, 0.5f, -1.0f,      1.0f, 1.0f,
      //  -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
      //  0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
    //};
    //第二种：改变纹理坐标修改图片为正的
    GLfloat attrArr[] =
     {
     0.5f, -0.5f, 0.0f,        1.0f, 1.0f, //右下
     -0.5f, 0.5f, 0.0f,        0.0f, 0.0f, // 左上
     -0.5f, -0.5f, 0.0f,       0.0f, 1.0f, // 左下
     0.5f, 0.5f, 0.0f,         1.0f, 0.0f, // 右上
     -0.5f, 0.5f, 0.0f,        0.0f, 0.0f, // 左上
     0.5f, -0.5f, 0.0f,        1.0f, 1.0f, // 右下
     };

• 第三种：修改片元着色器,纹理坐标

void main() {
//    lowp vec4 temp = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
//    gl_FragColor = temp;

    //第三种：直接修改片元着色器的纹理坐标来让图片为正的
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, vec2(varyTextCoord.x, 1.0 - varyTextCoord.y));
}

• 第四种：修改顶点着色器,纹理坐标

void main() {
//    varyTextCoord = textCoordinate;
//    gl_Position = position;

    //第四种：修改顶点着色器的纹理坐标来翻转图片为正
    varyTextCoord = vec2(textCoordinate.x, 1.0 - textCoordinate.y);
    gl_Position = position;
}

• 第五种：旋转矩阵翻转图形,不翻转纹理, 并且要在顶点着色器中添加rotateMatrix, ju't

//旋转矩阵翻转图形,不翻转纹理
- (void)rotateTextureImage {
    //注意，想要获取shader里面的变量，这里记得要在glLinkProgram后面，后面，后面！
    //1. rotate等于shaderv.vsh中的uniform属性，rotateMatrix
    GLuint rotate = glGetUniformLocation(self.myPrograme, "rotateMatrix");

    //2.获取旋转的弧度
    float radians = 180 * 3.14159f / 180.0f;
    //3.求得弧度对于的sin\cos值
    float s = sin(radians);
    float c = cos(radians);

    //4.因为在3D课程中用的是横向量，在OpenGL ES用的是列向量
    /*
     参考Z轴旋转矩阵
     */
    GLfloat zRotation[16] = {
        c, -s, 0, 0,
        s, c, 0, 0,
        0, 0, 1, 0,
        0, 0, 0, 1
    };

    //5.设置旋转矩阵
    /*
     glUniformMatrix4fv (GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose, const GLfloat* value)
     location : 对于shader 中的ID
     count : 个数
     transpose : 转置
     value : 指针
     */
    glUniformMatrix4fv(rotate, 1, GL_FALSE, zRotation);
}

结语：想看完整代码请戳这里GLSL_LoadImage