Android平台下OpenGL图形编程

ref：

Jayway Team Blog中OpenGL ES简明开发教程
https://blog.jayway.com/tag/opengl-es/

OpenGL ES 开发教程
http://www.guidebee.info/wordpress/%E6%95%99%E7%A8%8B/android-opengl-es-%E5%BC%80%E5%8F%91%E6%95%99%E7%A8%8B

http://blog.csdn.net/jason0539/article/details/9164885

https://developer.android.com/guide/topics/graphics/opengl.html

http://www.guidebee.info/wordpress/archives/category/opengl-es

http://blog.csdn.net/mapdigit/article/details/7526556
http://blog.csdn.net/column/details/apidemoopengl.html

---

本文只关注于如何一步步实现在Android平台下运用OpenGl。

1、GLSurfaceView

GLSurfaceView是Android应用程序中实现OpenGl画图的重要组成部分。GLSurfaceView中封装了一个Surface。而android平台下关于图像的现实，差不多都是由Surface来实现的。

2、Renderer

有了GLSurfaceView之后，就相当于我们有了画图的纸。现在我们所需要做的就是如何在这张纸上画图。所以我们需要一支笔。
Renderer是GLSurfaceView的内部静态接口，它就相当于在此GLSurfaceView上作画的笔。我们通过实现这个接口来“作画”。最后通过GLSurfaceView的setRenderer(GLSurfaceView.Renderer renderer)方法，就可以将纸笔关联起来了。

实现Renderer需要实现它的三个接口：onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config)、 onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height)、onDrawFrame(GL10 gl)。下面就这三个接口的具体意义做个简单的介绍。

2.1、onSurfaceCreated

此方法看名字就知道它是在Surface创建的时候被调用的。因此我们可以在这个函数的实现中做一些初始化的工作。例如取出文房四宝、铺好画布、调好颜料之类的。它的函数原
型如下：
public abstract void onSurfaceCreated (GL10 gl, EGLConfig config)
第二个参数在文档中没有关于它的任何public方法和域。因此我们可以不用管它。
第一个参数非常重要。如果说Renderer是画笔的话，那么这个gl参数，就可以说是我们的手了。如何操作这支画笔，都是它说了算！所以我们绝大部分时候都是通过这个叫做gl的手来指挥Renderer画图的。

2.2 onSurfaceChanged

当GLSurfaceView大小改变时，对应的Surface大小也会改变。值得注意的是，在Surface刚创建的时候，它的size其实是0，也就是说在画第一次图之前它也会被调用一次的。（而且对于很多时候，Surface的大小是不会改变的，那么此函数就只在创建之初被调用一次而已）

原型如下：
public abstract void onSurfaceChanged (GL10 gl, int width, int height)
同样的，画图的手是必需的。
另外值得注意的是，它告诉了我们这张纸有多高多宽。这点很重要。因为在onSurfaceCreated的时候我们是不知道纸的宽高的，所以有一些和长宽相关的初始化工作还得在此函数中来做。

2.3 onDrawFrame

好了，我们的初始化工作做得差不多了，那么现在就是该真刀真枪画画的时候了！此函数就是真正给你画画用的。每调用一次就画一幅图。可能的疑问是这个函数什么时候会被调
用呢？最开始的时候肯定是会被调用的。以后会有两种模式供你选择：

1. RENDERMODE_CONTINUOUSLY
2. RENDERMODE_WHEN_DIRTY

第一种模式（RENDERMODE_CONTINUOUSLY）：
连续不断的刷，画完一幅图马上又画下一幅。这种模式很明显是用来画动画的；

第二种模式（RENDERMODE_WHEN_DIRTY）：
只有在需要重画的时候才画下一幅。这种模式就比较节约CPU和GPU一些，适合用来画不经常需要刷新的情况。多说一句，系统如何知道需要重画了呢？当然是你要告诉它……
调用GLSurfaceView的requestRender ()方法，告诉它，你脏了。

这两种模式在什么地方设置呢? GLSurfaceView的setRenderMode(int renderMode)方法。可以供你设置你需要的刷新模式。

还是来看看这个函数的原型吧： public abstract void onDrawFrame (GL10 gl) 很简单，只有手。

3、 Android下OpenGL绘图基本流程：

我们从画一个三角形开始说起：

3.1 MyRender

经过前面的介绍，我们应该知道现在需要做的事，就是写好Renderer的三个接口方法。
我们需要重新写一个类实现它，然后重写这三个方法。
class MyRender implements GLSurfaceView.Renderer
OK，笔已经拿好了。“铺好纸”是非常关键的一步。虽然我们说GLSurfaceView就是我们作图的纸，但是“铺”好这张纸，却也非常的重要。

下面我们重点讲下，这纸该怎么铺。OpenGL这张纸可不是一般的纸啊。最起码，它是三维的。然而实际的显示屏幕却是一个平面。所以这纸还不好“铺”。

首先，不一定整张纸都用来作画吧，Surface不一定全部都用上（当然，一般情况下我们是全部用上的）。那么我们需要计划好，哪部分区域用来作画。
gl.glViewport(0, 0, width, height);
根据这里的参数width和height，我们可以知道这个宽高需要在onSurfaceChanged里得知。

然后，这一步很关键。如何在平面上画三维坐标的点或图形呢？OpenGL有一个坐标系，如下图：

我们需要将这个坐标系和我们的GLSurfaceView里的Surface做一个映射关系。
glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
gl.glLoadIdentity();
gl.glFrustumf(-400, 400, -240, 240, 0.3f, 100);

glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION); 是说我们现在改变的是坐标系与Surface的映射关系（投影矩阵）。

下一句 gl.glLoadIdentity(); 是将以前的改变都清掉（之前对投影矩阵的任何改变）。

glFrustumf (float left, float right, float bottom, float top, float zNear, float zFar) 这个函数非常Powerful。它实现了Surface和坐标系之间的映射关系。它是以透视投影的方式来进行映射的。

透视投影的意思见下图：

映射说明：
1、 前面一个矩形表示的是我们平面作图的范围。即Surface的作图范围。它有四条边，
我们将它们暂时命名edgeLeft、edgeRight、edgeTop、edgeBottom。
2、 glFrustumf 参数中的left、right、bottom、top指的是作图范围的四条edge在OpenGL x = -400的位置。同理top、right、bottom的值表示的是edgeRight、edgeTop、edgeBottom这几条边在坐标系中的位置。
3、上面第二点定出了作图范围的x和y的范围。那么对于3D的OpenGL这张纸来说，我们还需要定出z的范围。首先，要想象一下，相机或者眼睛在坐标系的哪个位置？
默认的眼睛的位置在OpenGL坐标的原点处(0,0,0)。视线方向是平行于Z轴往里看。
near表示的是眼睛到作图平面的距离(绝对值哦！)，far表示眼睛到最远可见处的平面范围。于是，默认情况下z的作图范围就是在-near到-far的位置。
4、好了，我们已经确定好x、y、z方向的作图范围了。回过头来，就可以发现，这张“立体”的纸，是一个方椎体切去头部的平截头体。我们所画的物体坐标落在这个区域范围内的部分将可以被我们看到（即在屏幕里画出来）。OK，至此，我们把纸终于铺好了。

glMatrixMode函数的选项(参数)有后面三种：GL_PROJECTION，GL_MODELVIEW和GL_TEXTURE；

• GL_PROJECTION，是投影的意思，就是要对投影相关进行操作，也就是把物体投影到一个平面上，就像我们照相一样，把3维物体投到2维的平面上。这样，接下来的语句可以是跟透视相关的函数，比如glFrustum()或gluPerspective()；
• GL_MODELVIEW，是对模型视景的操作，接下来的语句描绘一个以模型为基础的适应，这样来设置参数，接下来用到的就是像gluLookAt()这样的函数；
• GL_TEXTURE，就是对纹理相关进行操作；

顺便说下，OpenGL里面的操作，很多是基于对矩阵的操作的，比如位移，旋转，缩放，所以，
这里其实说的规范一点就是glMatrixMode是用来指定哪一个矩阵是当前矩阵，而它的参数代表要操作的目标：

• GL_PROJECTION是对投影矩阵操作；
• GL_MODELVIEW是对模型视景矩阵操作；
• GL_TEXTURE是对纹理矩阵进行随后的操作；

3.2 画图之前先构图

Android 的 OpenGL 作图，不同于一般的作图，这点我们不得不感慨。它将数据和画完全分开来。例如，我们要画一个三角形。很显然，三角形有三个点。我们在画图之前首先要构图，比如每个点在哪个地方。我们将这些数据放在一个一个数组缓冲区中，放好这些数据之后，再统一一起画出来。

下面，主要讲下，如何将顶点数据和颜色数据放入符合 Android OpenGL 的数组缓冲区中。

首先我们要明白的是，OpenGL 是一个非常底层的画图接口，它所使用的缓冲区存储结构是和我们的 Java 程序中不相同的。Java 是大端字节序(BigEdian)，而 OpenGL 所需要的数据是小端字节序(LittleEdian)。所以，我们在将 Java 的缓冲区转化为 OpenGL 可用的缓冲区时需要作一些工作。

byte 数据缓冲区

不管我们的数据是整型的还是浮点型的，为了完成 BigEdian 到 LittleEdian 的转换，我们都首先需要一个 ByteBuffer。我们通过它来得到一个可以改变字节序的缓冲区。

ByteBuffer mBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(pointCount*dimension*4);
mBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder());

注意，我们应该用“allocateDirect”来分配内存空间，因为这样才可以 order 排序。最后我们就可以通过：
resultBuffer = mBuffer.asFloatBuffer();
resultBuffer = mBuffer.asIntBuffer();
将字节缓冲区转化为整型或者浮点型缓冲区了。

3.3 终于画图了！

有了前面所有的准备工作之后，有一个好消息可以告诉你，我们终于可以画图了！而且，有了前面这么多工作，真正画图的工作其实比较简单。

3.3.1、清理好你的纸

前面我们说过了，在画图之前，一定要把纸给清理干净喽：

gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

另外，之前我们在映射坐标系的时候，用了glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);来指定改变的是投影矩阵。那么现在要画图了，所以我们需要指定改变的是“视图矩阵”：

gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
gl.glLoadIdentity();

3.3.2、启用数组

我们的前面说过，画图的数据都放在数组缓冲区里，最后再一起传过来作画。那么我们首先要告诉 OpenGL，我们需要用到哪些数组。例如我们需要顶点数组和颜色数组：

gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
gl.glEnableClientState(GL10.GL_COLOR_ARRAY);

3.3.3、指定数组数据

我们前面已经构造好了我们的数据缓冲区，floatBuffer（或 IntBuffer）。现在我们只需要将这个数据缓冲区和对应的功能绑定起来就好了：

gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, VertexBuffer);
gl.glColorPointer(4, GL10.GL_FLOAT, 0, colorBuffer);

这两句话分别绑定了顶点数据数组和颜色数据数组。其中第一个参数表示的是每个点有几个坐标。例如顶点，有 x、y、z值，所以是 3；而颜色是 r、g、b、a 值，所以是 4。

3.3.4、画图！

gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLES, 0, 3);

第一个参数指明了画图的类型——三角形（android 似乎只支持画三角形、点、线，不支持画多边形）。后面两个参数指明，从哪个顶点开始画，画多少个顶点。

OK！至此，我们的第一个三角形就画出来了，来看看效果吧。