OpenGL ES 案例02：GLKit绘制立方体+旋转

OpenGL + OpenGL ES +Metal 系列文章汇总

本案例是实现一个有纹理的立方体，并根据任意轴旋转，整体效果如下

• 未加光照

  
  无光照效果图

• 增加光照效果

  
  有光照效果图

增加光照的主要的思路如下

整体思路

代码的实现主要分为4部分：

• 准备工作：这部分主要的相关库的导入及属性的创建（这里不做过多阐述）
• ViewDidLoad函数：初始化OpenGL ES相关属性，加载顶点&纹理坐标数据，以及设置定时器
• GLKViewDelegate函数：视图的绘制
• update函数：定时器方法，计算旋转角度并修改矩阵堆栈，重新渲染立方体，以实现立方体的旋转

ViewDidLoad函数

这部分主要是一些初始化工作

• commonInit: OpenGL ES相关初始化
• setupVertex: 加载顶点&纹理坐标数据
• addCADisplayLink: 添加定时器

commonInit函数

OpenGL ES初始化分为五部分：

• 初始化上下文 & 设置当前上下文
• 创建GLKView对象，并设置context，加入view中
• 配置深度缓冲区
• 获取纹理图片 & 设置纹理参数
• 初始化effect，并使用effect

注：代码分为OC版本和Swift版本

• OC

- (void) commonInit{
//    1、创建context
    EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
    [EAGLContext setCurrentContext:context];
    
//    2、创建GLKView并设置代理
    CGRect frame = CGRectMake(0, 100, self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.width );
    self.glkView = [[GLKView alloc] initWithFrame:frame context:context];
    self.glkView.backgroundColor = [UIColor clearColor];
    self.glkView.delegate = self;
    
//    3、使用深度测试
    self.glkView.drawableDepthFormat = GLKViewDrawableDepthFormat24;
    
//    4、将glkView加入到view上
    [self.view addSubview:self.glkView];
    
//    5、获取纹理图片
    NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"mouse" ofType:@"jpg"];
    UIImage *image = [UIImage imageWithContentsOfFile:filePath];
    
//    6、设置纹理参数（纹理倒置翻转的策略）
    NSDictionary *options = @{GLKTextureLoaderOriginBottomLeft: @(YES)};
    GLKTextureInfo *textureInfo = [GLKTextureLoader textureWithCGImage:[image CGImage] options:options error:NULL];
    
//    7、使用effect
    self.baseEffect = [[GLKBaseEffect alloc] init];
    self.baseEffect.texture2d0.name = textureInfo.name;
    self.baseEffect.texture2d0.target = textureInfo.target;
    
}

• Swift：其中有些变量使用了懒加载具体的代码请见文末的链接

fileprivate func commonInit(){
         
 //        1、初始化上下文 & 设置当前上下文
         guard let context = EAGLContext(api: .openGLES3) else{
             return
         }
         EAGLContext.setCurrent(context)
         glkView.context = context
         
 //        读取纹理图片
         let filePath = Bundle.main.path(forResource: "mouse", ofType: "jpg")
         let image = UIImage(contentsOfFile: filePath!)
         guard let textureInfo: GLKTextureInfo = try? GLKTextureLoader.texture(with: (image?.cgImage)!, options: [GLKTextureLoaderOriginBottomLeft:NSNumber.init(integerLiteral: 1)]) else{
             return
         }
         
 //        使用effect
         effect = GLKBaseEffect()
         effect.texture2d0.name = textureInfo.name
         effect.texture2d0.target = GLKTextureTarget(rawValue: textureInfo.target)!
     }
     

setupVertex函数

这部分主要是设置顶点数据（顶点坐标 & 纹理坐标 & 法线），并将这些数据从CPU拷贝至GPU

设置顶点数据
下图是立方体的顶点坐标与纹理坐标图示

顶点坐标与纹理坐标图示

其中6个面与纹理的映射关系如下

6个面与纹理的映射关系

顶点数据使用结构体定义

• OC版本

typedef struct {
    GLKVector3 positionCoord;   //顶点坐标
    GLKVector2 textureCoord;    //纹理坐标
    GLKVector3 normal;          //法线
} CCVertex;

//初始化--这里数据的初始化方式是c语言中的结构体赋值
(CCVertex){{-0.5, 0.5, 0.5}, {0, 1}, {0, 0, 1}};

• Swift版本（暂时未包括法线）

struct CCVertex {
     var positionCoord: GLKVector3
     var textureCoord: GLKVector2
 }
 
 //初始化
 CCVertex(positionCoord: GLKVector3(v: (-0.5, 0.5, 0.5)), textureCoord: GLKVector2(v: (0, 1)))

顶点数据的具体代码见完整demo代码，这里不做过多说明

开辟缓存区，copy顶点数据到GPU
将顶点数据从内存（CPU）拷贝至显存（GPU）中
顶点缓冲区：简称VBO
顶点数组：简称VAO
在glBufferData中确认了缓存区的大小

• OC版本

 glGenBuffers(1, &_vertexBuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(CCVertex)*kCoordCount, self.vertices, GL_STATIC_DRAW);

• Swift版本

//2、拷贝到顶点缓冲区
         glGenBuffers(1, &vertexBuffer)
 //        绑定顶点缓冲区
         glBindBuffer(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), vertexBuffer)
 //        coppy顶点数据
         glBufferData(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), MemoryLayout<CCVertex>.size*kVertexCount, vertices, GLenum(GL_STATIC_DRAW))

打开通道
attribute的开关在ios中是默认关闭的，需要使用代码手动开启，同时通道需要打开三次（顶点，纹理，法线各需要打开一次），将顶点数据从显存中读取到GLKit的着色器中

• OC版本
  其中的NULL是可以省略的，但是加上代码可读性强

//    顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribPosition);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(CCVertex), NULL+offsetof(CCVertex, positionCoord));
    
//    纹理数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribTexCoord0);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribTexCoord0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(CCVertex), NULL+offsetof(CCVertex, textureCoord));
    
//    光照
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribNormal);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribNormal, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(CCVertex), NULL+offsetof(CCVertex, normal));

• Swift版本（暂未加光照）

glEnableVertexAttribArray(GLuint(GLKVertexAttrib.position.rawValue))
          glVertexAttribPointer(GLuint(GLKVertexAttrib.position.rawValue), 3, GLenum(GL_FLOAT), GLboolean(GL_FALSE), GLsizei(MemoryLayout<CCVertex>.size), UnsafeMutableRawPointer(bitPattern: 0))
         
         glEnableVertexAttribArray(GLuint(GLKVertexAttrib.texCoord0.rawValue))
         //这里加4的原因是因为苹果对部分包含vector类型数据的结构体加了一个padding,此处这个padding等于4个字节。CCVertex占24个字节，而不是5个float所占的20个字节
         glVertexAttribPointer(GLuint(GLKVertexAttrib.texCoord0.rawValue), 2, GLenum(GL_FLOAT), GLboolean(GL_FALSE), GLsizei(MemoryLayout<CCVertex>.size), UnsafeMutableRawPointer(bitPattern: MemoryLayout<GLKVector3>.size+4))

addCADisplayLink函数

初始化定时器，并将定时器加入runloop中，用于立方体旋转效果的实现

• OC版本

- (void)addCADisplayLink{
    
    self.angle = 0;
    self.displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(update)];
    [self.displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
    
}

• Swift版本

fileprivate func addCADisplayLink(){
         displayLink.add(to: RunLoop.main, forMode: .common)
     }

update更新

CADisplayLink定时器的刷新的频率与屏幕刷新频率一致，每次刷新都需要计算旋转角度，并应用于立方体

• OC版本

- (void) update{
    //计算旋转度数
    self.angle = (self.angle +5) % 360;
//    修改baseEffect.transform.modelviewMatrix
    self.baseEffect.transform.modelviewMatrix = GLKMatrix4MakeRotation(GLKMathDegreesToRadians(self.angle), 0.3, 1, 0.7);
    
//    重新渲染
    [self.glkView display];
}

• Swift版本

@objc fileprivate func update(){
 //        计算旋转角度
         angle = (angle + 5).truncatingRemainder(dividingBy: 360)
         
 //        修改矩阵堆栈
         effect.transform.modelviewMatrix = GLKMatrix4MakeRotation(GLKMathDegreesToRadians(angle), 0.3, 1, -0.7)
         
 //        重新渲染，回调代理方法重新绘制
         glkView.display()
     }

GLKViewDelegate代理

由于GLKView是自定义的，所以需要在前面设置delegate，当然也可以将控制器默认的view的父类改为GLKView，不需要设置delegate

代理方法的主要目的是绘制视图的内容，并根据定时器的旋转变换，重新渲染视图

• OC版本

-(void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect{

//    开启深度测试
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    
//    清除缓存区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    
//    准备绘制
    [self.baseEffect prepareToDraw];
    
//    绘图（数组绘制）
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, kCoordCount);
   
}

• Swift版本

extension ViewController: GLKViewDelegate{
     func glkView(_ view: GLKView, drawIn rect: CGRect) {
         
 //       开启深度测试
         glEnable(GLenum(GL_DEPTH_TEST));
         glClear(GLbitfield(GL_COLOR_BUFFER_BIT) | UInt32(GL_DEPTH_BUFFER_BIT))
         
         //准备绘制
         effect.prepareToDraw()
         
         //开始绘制
         glDrawArrays(GLenum(GL_TRIANGLES), 0, GLsizei(kVertexCount))
     }
 }

注：swift与OC代码的难点主要还是在于对指针的操作

完整的代码见github - 09_GLKit_立方体+旋转OC、09_GLKit立方体+旋转_Swift（未包含光照效果），分别提供了OC和Swift版本