Android OpenGL ES 2.基本框架-Hello World

一.视图组件 GLSurfaceView

Android上用于显示OpenGL视图，一般是使用GLSurfaceView，一个继承自SurfaceView的组件。
它的渲染绘制在一个单独的线程中，而非主线程。
GLSurfaceView一般是结合一个GLSurfaceView的内部接口类Renderer来使用。Renderer类负责渲染图形图像，而GLSurfaceView负责触摸事件等逻辑的处理。

Renderer接口

onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config)：GLSurfaceView内的Surface被创建时会被调用到
onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height)：Surface尺寸改变时调用到
onDrawFrame(GL10 gl)：渲染绘制每一帧时调用到

所以一般情况下，首次创建GLSurfaceView时，会按顺序调用onSurfaceCreated、onSurfaceChanged、onDrawFrame这3个方法，然后每绘制一帧，都会不停地回调onDrawFrame方法。

GLSurfaceView常用方法

setEGLContextClientVersion：设置OpenGL ES版本，2.0则设置2
onPause：暂停渲染，最好是在Activity、Fragment的onPause方法内调用，减少不必要的性能开销，避免不必要的崩溃
onResume：恢复渲染，用法类比onPause
setRenderer：设置渲染器
setRenderMode：设置渲染模式
requestRender: 请求渲染，由于是请求异步线程进行渲染，所以不是同步方法，调用后不会立刻就进行渲染。渲染会回调到Renderer接口的onDrawFrame方法。
queueEvent：插入一个Runnable任务到后台渲染线程上执行。相应的，渲染线程中可以通过Activity的runOnUIThread的方法来传递事件给主线程去执行

GLSurfaceView渲染模式

RENDERMODE_CONTINUOUSLY：不停地渲染
RENDERMODE_WHEN_DIRTY：只有调用了requestRender之后才会触发渲染回调onDrawFrame方法

二.编程流程

编写GLSL：重点学习
编译GLSL，获取OpenGL程序对象：基本固定，不需要死记，理解即可。后期会进行封装，便于使用。
获取GLSL中变量的引用：理解调用方式
通过内存Buffer,将数据传递给变量引用，从而控制绘制图形、颜色：重点学习

1. 简单的GLSL

/**
 * 顶点着色器
 */
private static final String VERTEX_SHADER = "" +
        // vec4：4个分量的向量：x、y、z、w
        "attribute vec4 a_Position;\n" +
        "void main()\n" +
        "{\n" +
        // gl_Position：GL中默认定义的输出变量，决定了当前顶点的最终位置
        "    gl_Position = a_Position;\n" +
        // gl_PointSize：GL中默认定义的输出变量，决定了当前顶点的大小
        "    gl_PointSize = 40.0;\n" +
        "}";

/**
 * 片段着色器
 */
private static final String FRAGMENT_SHADER = "" +
        // 定义所有浮点数据类型的默认精度；有lowp、mediump、highp 三种，但只有部分硬件支持片段着色器使用highp。(顶点着色器默认highp)
        "precision mediump float;\n" +
        "uniform mediump vec4 u_Color;\n" +
        "void main()\n" +
        "{\n" +
        // gl_FragColor：GL中默认定义的输出变量，决定了当前片段的最终颜色
        "    gl_FragColor = u_Color;\n" +
        "}";

注意

在声明vec向量的时候，一定要标识其精度类型，否则会导致部分机型花屏，如红米note2

2.1 编译着色器

使用compileVertexShader、compileFragmentShader两个方法分别调用上面定义的顶点着色器、片段着色器。

/**
 * 编译顶点着色器
 *
 * @param shaderCode 编译代码
 * @return 着色器对象ID
 */
public static int compileVertexShader(String shaderCode) {
    return compileShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, shaderCode);
}

/**
 * 编译片段着色器
 *
 * @param shaderCode 编译代码
 * @return 着色器对象ID
 */
public static int compileFragmentShader(String shaderCode) {
    return compileShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, shaderCode);
}

/**
 * 编译片段着色器
 *
 * @param type       着色器类型
 * @param shaderCode 编译代码
 * @return 着色器对象ID
 */
private static int compileShader(int type, String shaderCode) {
    // 1.创建一个新的着色器对象
    final int shaderObjectId = GLES20.glCreateShader(type);

    // 2.获取创建状态
    if (shaderObjectId == 0) {
        // 在OpenGL中，都是通过整型值去作为OpenGL对象的引用。之后进行操作的时候都是将这个整型值传回给OpenGL进行操作。
        // 返回值0代表着创建对象失败。
        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Could not create new shader.");
        }
        return 0;
    }

    // 3.将着色器代码上传到着色器对象中
    GLES20.glShaderSource(shaderObjectId, shaderCode);

    // 4.编译着色器对象
    GLES20.glCompileShader(shaderObjectId);

    // 5.获取编译状态：OpenGL将想要获取的值放入长度为1的数组的首位
    final int[] compileStatus = new int[1];
    GLES20.glGetShaderiv(shaderObjectId, GLES20.GL_COMPILE_STATUS, compileStatus, 0);

    if (LoggerConfig.ON) {
        // 打印编译的着色器信息
        Log.v(TAG, "Results of compiling source:" + "\n" + shaderCode + "\n:"
                + GLES20.glGetShaderInfoLog(shaderObjectId));
    }

    // 6.验证编译状态
    if (compileStatus[0] == 0) {
        // 如果编译失败，则删除创建的着色器对象
        GLES20.glDeleteShader(shaderObjectId);

        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Compilation of shader failed.");
        }

        // 7.返回着色器对象：失败，为0
        return 0;
    }

    // 7.返回着色器对象：成功，非0
    return shaderObjectId;
}

2.2 创建OpenGL程序对象，链接顶点着色器、片段着色器

/**
 * 创建OpenGL程序对象
 *
 * @param vertexShader   顶点着色器代码
 * @param fragmentShader 片段着色器代码
 */
protected void makeProgram(String vertexShader, String fragmentShader) {
    // 步骤1：编译顶点着色器
    int vertexShaderId = ShaderHelper.compileVertexShader(vertexShader);
    // 步骤2：编译片段着色器
    int fragmentShaderId = ShaderHelper.compileFragmentShader(fragmentShader);
    // 步骤3：将顶点着色器、片段着色器进行链接，组装成一个OpenGL程序
    mProgram = ShaderHelper.linkProgram(vertexShaderId, fragmentShaderId);

    if (LoggerConfig.ON) {
        ShaderHelper.validateProgram(mProgram);
    }

    // 步骤4：通知OpenGL开始使用该程序
    GLES20.glUseProgram(mProgram);
}

/**
 * 创建OpenGL程序：通过链接顶点着色器、片段着色器
 *
 * @param vertexShaderId   顶点着色器ID
 * @param fragmentShaderId 片段着色器ID
 * @return OpenGL程序ID
 */
public static int linkProgram(int vertexShaderId, int fragmentShaderId) {

    // 1.创建一个OpenGL程序对象
    final int programObjectId = GLES20.glCreateProgram();

    // 2.获取创建状态
    if (programObjectId == 0) {
        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Could not create new program");
        }
        return 0;
    }

    // 3.将顶点着色器依附到OpenGL程序对象
    GLES20.glAttachShader(programObjectId, vertexShaderId);
    // 3.将片段着色器依附到OpenGL程序对象
    GLES20.glAttachShader(programObjectId, fragmentShaderId);

    // 4.将两个着色器链接到OpenGL程序对象
    GLES20.glLinkProgram(programObjectId);

    // 5.获取链接状态：OpenGL将想要获取的值放入长度为1的数组的首位
    final int[] linkStatus = new int[1];
    GLES20.glGetProgramiv(programObjectId, GLES20.GL_LINK_STATUS, linkStatus, 0);

    if (LoggerConfig.ON) {
        // 打印链接信息
        Log.v(TAG, "Results of linking program:\n"
                + GLES20.glGetProgramInfoLog(programObjectId));
    }

    // 6.验证链接状态
    if (linkStatus[0] == 0) {
        // 链接失败则删除程序对象
        GLES20.glDeleteProgram(programObjectId);
        if (LoggerConfig.ON) {
            Log.w(TAG, "Linking of program failed.");
        }
        // 7.返回程序对象：失败，为0
        return 0;
    }

    // 7.返回程序对象：成功，非0
    return programObjectId;
}

/**
 * 验证OpenGL程序对象状态
 *
 * @param programObjectId OpenGL程序ID
 * @return 是否可用
 */
public static boolean validateProgram(int programObjectId) {
    GLES20.glValidateProgram(programObjectId);

    final int[] validateStatus = new int[1];
    GLES20.glGetProgramiv(programObjectId, GLES20.GL_VALIDATE_STATUS, validateStatus, 0);
    Log.v(TAG, "Results of validating program: " + validateStatus[0]
            + "\nLog:" + GLES20.glGetProgramInfoLog(programObjectId));

    return validateStatus[0] != 0;
}

3. 获取GLSL中的索引

根据索引的类型，调用不同的方法去获取索引，索引的值类型都是int

// 获取顶点坐标属性在OpenGL程序中的索引
aPositionLocation = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, A_POSITION);

// 获取颜色Uniform在OpenGL程序中的索引
uColorLocation = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, U_COLOR);

4.1 将数据传递到Native层内存缓冲中

/**
 * Float类型占4Byte
 */
private static final int BYTES_PER_FLOAT = 4;

/**
 * 创建一个FloatBuffer
 */
public static FloatBuffer createFloatBuffer(float[] array) {
    FloatBuffer buffer = ByteBuffer
            // 分配顶点坐标分量个数 * Float占的Byte位数
            .allocateDirect(array.length * BYTES_PER_FLOAT)
            // 按照本地字节序排序
            .order(ByteOrder.nativeOrder())
            // Byte类型转Float类型
            .asFloatBuffer();

    // 将Java Dalvik的内存数据复制到Native内存中
    buffer.put(array);
    return buffer;
}

4.2 将内存堆中的值传递给GLSL引用

接下来，我们把顶点信息传递给GLSL中的顶点位置引用

// 将缓冲区的指针移动到头部，保证数据是从最开始处读取
mVertexData.position(0);
// 关联顶点坐标属性和缓存数据
// 1. 位置索引；
// 2. 每个顶点属性需要关联的分量个数(必须为1、2、3或者4。初始值为4。)；
// 3. 数据类型；
// 4. 指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化(GL_TRUE)或者直接转换为固定点值(GL_FALSE)(只有使用整数数据时)
// 5. 指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0。
// 6. 数据缓冲区
GLES20.glVertexAttribPointer(aPositionLocation, POSITION_COMPONENT_COUNT, GLES20.GL_FLOAT,
        false, 0, mVertexData);

// 通知GL程序使用指定的顶点属性索引
GLES20.glEnableVertexAttribArray(aPositionLocation);

然后，我们给图形上色

// 更新u_Color的值，即更新画笔颜色
GLES20.glUniform4f(uColorLocation, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

最后，再根据需求绘制不同的图形。当前案例中，我就只绘制一个点。

// 使用数组绘制图形：1.绘制的图形类型；2.从顶点数组读取的起点；3.从顶点数组读取的数据长度
GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_POINTS, 0, 1);

注意：这里一定要先上色，再绘制图形，否则会导致颜色在当前这一帧使用失败，要下一帧才能生效。

刷屏颜色

// 设置刷新屏幕时候使用的颜色值,顺序是RGBA，值的范围从0~1。这里不会立刻刷新，只有在GLES20.glClear调用时使用该颜色值才刷新。
GLES20.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
// 使用glClearColor设置的颜色，刷新Surface
GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

注意

Buffer数据在传递给GLSL之前，一定要调用position方法将指针移到正确的位置，当前是0，之后会有课程讲解到非0的情况。

// 将缓冲区的指针移动到头部，保证数据是从最开始处读取
mVertexData.position(0);

将数组数据put进buffer之后，指针并不是在首位，所以一定要position到0，至关重要！否则会有很多奇妙的错误！如:

java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: remaining() < count < needed

效果

基础框架效果图

参考

见Android OpenGL ES学习资料所列举的博客、资料。

GitHub代码工程

本系列课程所有相关代码请参考我的GitHub项目GLStudio。

课程目录

本系列课程目录详见简书 - Android OpenGL ES教程规划