1 OpenGL ES简介

谈到OpenGL ES，首先我们应该先去了解一下Android的基本架构，基本架构下图：

Android架构图

这里我们可以找到Libraries里面有我们目前要接触的库，即OpenGL ES。
根据上图可以知道Android 目前是支持使用开放的图形库的，特别是通过OpenGL ES API来支持高性能的2D和3D图形。OpenGL是一个跨平台的图形API。为3D图形处理硬件指定了一个标准的软件接口。OpenGL ES 是适用于嵌入式设备的OpenGL规范。
Android 支持OpenGL ES API版本的详细状态是：

OpenGL ES 1.0 和 1.1 能够被Android 1.0及以上版本支持
OpenGL ES 2.0 能够被Android 2.2及更高版本支持
OpenGL ES 3.0 能够被Android 4.3及更高版本支持
OpenGL ES 3.1 能够被Android 5.0及以上版本支持

2 OpenGL ES使用

在了解OpenGL的使用之前，我们需要了解两个基本类别的Android框架：GLSurfaceView和GLSurfaceView.Renderer。

2.1 GLSurfaceView

GLSurfaceView从名字就可以看出，它是一个SurfaceView。看源码可知，GLSurfaceView继承自SurfaceView，并增加了Renderer，它的作用就是专门为OpenGL显示渲染使用的。

2.2 GLSurfaceView.Renderer

此接口定义了在GLSurfaceView中绘制图形所需的方法。您必须将此接口的实现作为单独的类提供，并使用GLSurfaceView.setRenderer()将其附加到您的GLSurfaceView实例。

GLSurfaceView.Renderer要求实现以下方法：

• onSurfaceCreated()：创建GLSurfaceView时，系统调用一次该方法。使用此方法执行只需要执行一次的操作，例如设置OpenGL环境参数或初始化OpenGL图形对象。
• onDrawFrame()：系统在每次重画GLSurfaceView时调用这个方法。使用此方法作为绘制（和重新绘制）图形对象的主要执行方法。
• onSurfaceChanged()：当GLSurfaceView的发生变化时，系统调用此方法，这些变化包括GLSurfaceView的大小或设备屏幕方向的变化。例如：设备从纵向变为横向时，系统调用此方法。我们应该使用此方法来响应GLSurfaceView容器的改变。

介绍完了GlSurfaceView和GlSurfaceView.renderer之后，接下来说下如何使用GlSurfaceView：

1、创建一个GlSurfaceView
2、为这个GlSurfaceView设置渲染
3、在GlSurfaceView.renderer中绘制处理显示数据

3 OpenGL ES绘制图形

3.1 OpenGL ES环境搭建

为了在Android应用程序中使用OpenGL ES绘制图形，必须要为他们创建一个视图容器。其中最直接或者最常用的方式就是实现一个GLSurfaceView和一个GLSurfaceView.Renderer。GLSurfaceView是用OpenGL绘制图形的视图容器，GLSurfaceView.Renderer控制在该视图内绘制的内容。

3.1.1 在Manifest中声明OpenGL ES使用

了让你的应用程序能够使用OpenGL ES 2.0的API，你必须添加以下声明到manifest：

如果你的应用程序需要使用纹理压缩，你还需要声明你的应用程序需要支持哪种压缩格式，以便他们安装在兼容的设备上。

3.1.2 创建一个Activity 用于展示OpenGL ES 图形

使用OpenGL ES的应用程序的Activity和其他应用程的Activity一样，不同的地方在于你设置的Activity的布局。在许多使用OpenGL ES的app中，你可以添加TextView，Button和ListView，还可以添加GLSurfaceView。

下面的代码展示了使用GLSurfaceView做为主视图的基本实现：

public class OpenGLES20Activity extends Activity {    private GLSurfaceView mGLView;    @Override    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {        super.onCreate(savedInstanceState);        // Create a GLSurfaceView instance and set it        // as the ContentView for this Activity.        mGLView = new MyGLSurfaceView(this);        setContentView(mGLView);    }}

3.1.3 创建GLSurfaceView对象

GLSurfaceView是一个特殊的View，通过这个View你可以绘制OpenGL图像。但是View本身没有做太多的事情，主要的绘制是通过设置在View里面的GLSurfaceView.Renderer 来控制的。实际上，创建这个对象的代码是很少的，你能会想尝试跳过extends的操作，只去创建一个没有被修改的GLSurfaceView实例，但是不建议这样去做。因为在某些情况下，你需要扩展这个类来捕获触摸的事件，捕获触摸的事件的方式会在后面的文章里面做介绍。
GLSurfaceView的基本代码很少，为了快速的实现，通常会在使用它的Activity中创建一个内部类来做实现：

class MyGLSurfaceView extends GLSurfaceView {    private final MyGLRenderer mRenderer;    public MyGLSurfaceView(Context context){        super(context);        // Create an OpenGL ES 2.0 context        setEGLContextClientVersion(2);        mRenderer = new MyGLRenderer();        // Set the Renderer for drawing on the GLSurfaceView        setRenderer(mRenderer);    }}

你可以通过设置GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY来让你的GLSurfaceView监听到数据变化的时候再去刷新，即修改GLSurfaceView的渲染模式。这个设置可以防止重绘GLSurfaceView，直到你调用了requestRender()，这个设置在默写层面上来说，对你的APP是更有好处的。

3.1.4 创建一个GLSurfaceView.Renderer类

实现了GLSurfaceView.Renderer 类才是真正算是开始能够在应用中使用OpenGL ES。这个类控制着与它关联的GLSurfaceView 绘制的内容。在Renderer 里面有三个方法能够被Android系统调用，以便知道在GLSurfaceView绘制什么以及如何绘制:

• onSurfaceCreated() - 在View的OpenGL环境被创建的时候调用。
• onDrawFrame() - 每一次View的重绘都会调用
• onSurfaceChanged() - 如果视图的几何形状发生变化（例如，当设备的屏幕方向改变时），则调用此方法。

下面是使用OpenGL ES 渲染器的基本实现，仅仅做的事情就是在GLSurfaceView绘制一个黑色背景。

public class MyGLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {    public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {        // Set the background frame color        GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);    }    public void onDrawFrame(GL10 unused) {        // Redraw background color        GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);    }    public void onSurfaceChanged(GL10 unused, int width, int height) {        GLES20.glViewport(0, 0, width, height);    }}

3.2 OpenGL ES定义形状

我们能够配置好基本的Android OpenGL 使用的环境。但是如果我们不了解OpenGL ES如何定义图像的一些基本知识就使用OpenGL ES进行绘图还是有点棘手的。所以能够在OpenGL ES的View里面定义要绘制的形状是进行高端绘图操作的第一步。
下面讲解Android设备屏幕相关的OpenGL ES坐标系统，定义形状，形状面的基础知识，以及定义三角形和正方形。

3.2.1 定义三角形

OpenGL ES允许你使用三维空间坐标系定义绘制的图像，所以你在绘制一个三角形之前必须要先定义它的坐标。在OpenGL中，这样做的典型方法是为坐标定义浮点数的顶点数组。
为了获得最大的效率，可以将这些坐标写入ByteBuffer，并传递到OpenGL ES图形管道进行处理。

public class Triangle {    private FloatBuffer vertexBuffer;    // // 数组中每个顶点的坐标数    static final int COORDS_PER_VERTEX = 3;    static float triangleCoords[] = {   // 按逆时针方向顺序             0.0f,  0.622008459f, 0.0f, // top            -0.5f, -0.311004243f, 0.0f, // bottom left             0.5f, -0.311004243f, 0.0f  // bottom right    };    // 设置颜色，分别为red, green, blue 和alpha (opacity)    float color[] = { 0.63671875f, 0.76953125f, 0.22265625f, 1.0f };    public Triangle() {        // // 为存放形状的坐标，初始化顶点字节缓冲        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(                // (坐标数 * 4)float占四字节        // 使用设备的本点字节序        bb.order(ByteOrder.nativeOrder());        // 从ByteBuffer创建一个浮点缓冲        vertexBuffer = bb.asFloatBuffer();        //把坐标们加入FloatBuffer中        vertexBuffer.put(triangleCoords);        //设置buffer，从第一个坐标开始读        vertexBuffer.position(0);    }}

请注意，此图形的坐标以逆时针顺序定义。 绘图顺序非常重要，因为它定义了哪一面是您通常想要绘制的图形的正面，以及背面。

3.2.2 定义正方形

可以看到，在OpenGL里面定义一个三角形很简单。但是如果你想要得到一个更复杂一点的东西呢？比如一个正方形？能够找到很多办法来作到这一点，但是在OpenGL里面绘制这个图形的方式是将两个三角形画在一起。

image.png

同样，你应该以逆时针的顺序为这两个代表这个形状的三角形定义顶点，并将这些值放在一个ByteBuffer中。 为避免定义每个三角形共享的两个坐标两次，请使用图纸列表告诉OpenGL ES图形管道如何绘制这些顶点。 这是这个形状的代码：

public class Square {    //顶点缓冲区    private FloatBuffer vertexBuffer;    //绘图顺序顶点缓冲区    private ShortBuffer drawListBuffer;    // 每个顶点的坐标数    static final int COORDS_PER_VERTEX = 3;    //正方形四个顶点的坐标    static float squareCoords[] = {            -0.5f,  0.5f, 0.0f,   // top left            -0.5f, -0.5f, 0.0f,   // bottom left             0.5f, -0.5f, 0.0f,   // bottom right             0.5f,  0.5f, 0.0f }; // top right    private short drawOrder[] = { 0, 1, 2, 0, 2, 3 }; //顶点的绘制顺序    // 设置图形的RGB值和透明度    public Square() {        // initialize vertex byte buffer for shape coordinates        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(        // (坐标数 * 4))                squareCoords.length * 4);        bb.order(ByteOrder.nativeOrder());        vertexBuffer = bb.asFloatBuffer();        vertexBuffer.put(squareCoords);        vertexBuffer.position(0);        //为绘制列表初始化字节缓冲        ByteBuffer dlb = ByteBuffer.allocateDirect(        // (对应顺序的坐标数 * 2)short是2字节                drawOrder.length * 2);        dlb.order(ByteOrder.nativeOrder());        drawListBuffer = dlb.asShortBuffer();        drawListBuffer.put(drawOrder);        drawListBuffer.position(0);    }}

这个例子让你了解用OpenGL创建更复杂的形状的过程。 一般来说，您使用三角形的集合来绘制对象。

3.3 OpenGL ES绘制形状

3.3.1 初始化形状

在你做任何绘制操作之前，你必须要初始化并加载你准备绘制的形状。除非形状的结构(指原始的坐标)在执行过程中发生改变，你都应该在你的Renderer的方法onSurfaceCreated()中进行内存和效率方面的初始化工作。

public class MyGLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {    ...    private Triangle mTriangle;    private Square   mSquare;    public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {        ...        // initialize a triangle        mTriangle = new Triangle();        // initialize a square        mSquare = new Square();    }    ...}

3.3.2 绘制形状

使用OpenGLES 2.0画一个定义好的形状需要比较多的代码，因为你必须为图形渲染管线提供一大堆信息。特别的，你必须定义以下几个东西：

• Vertex Shader - 用于渲染形状的顶点的OpenGLES 图形代码。
• Fragment Shader - 用于渲染形状的外观（颜色或纹理）的OpenGLES 代码。
• Program - 一个OpenGLES对象，包含了你想要用来绘制一个或多个形状的shader。

你至少需要一个vertexshader来绘制一个形状和一个fragmentshader来为形状上色。这些形状必须被编译然后被添加到一个OpenGLES program中，program之后被用来绘制形状。下面是一个展示如何定义一个可以用来绘制形状的基本shader的例子：

public class Triangle {    private final String vertexShaderCode =        "attribute vec4 vPosition;" +        "void main() {" +        "  gl_Position = vPosition;" +        "}";    private final String fragmentShaderCode =        "precision mediump float;" +        "uniform vec4 vColor;" +        "void main() {" +        "  gl_FragColor = vColor;" +        "}";    ...}

Shader们包含了OpenGLShading Language (GLSL)代码，必须在使用前编译。要编译这些代码，在你的Renderer类中创建一个工具类方法:

private int loadShader(int type, String shaderCode) {        //根据type创建顶点着色器或者片元着色器        //创建一个vertex shader类型(GLES20.GL_VERTEX_SHADER)        //或一个fragment shader类型(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER)        int shader = GLES20.glCreateShader(type);        //将资源加入到着色器中，并编译        GLES20.glShaderSource(shader, shaderCode);        GLES20.glCompileShader(shader);        return shader;    }

为了绘制你的形状，你必须编译shader代码，添加它们到一个OpenGLES program 对象然后链接这个program。在renderer对象的构造器中做这些事情，从而只需做一次即可。

注:编译OpenGLES shader们和链接linkingprogram们是很耗CPU的，所以你应该避免多次做这些事。如果在运行时你不知道shader的内容，你应该只创建一次code然后缓存它们以避免多次创建。

public class Triangle() {    ...    private final int mProgram;    public Triangle() {        ...        //编译shader代码        int vertexShader = MyGLRenderer.loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER,                                        vertexShaderCode);        int fragmentShader = MyGLRenderer.loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER,                                        fragmentShaderCode);        // // 创建空的OpenGL ES Program        mProgram = GLES20.glCreateProgram();        // 将vertex shader(顶点着色器)添加到program        GLES20.glAttachShader(mProgram, vertexShader);        // 将fragment shader（片元着色器）添加到program        GLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader);        // 创建可执行的 OpenGL ES program        GLES20.glLinkProgram(mProgram);    }}

此时，你已经准备好增加真正的绘制调用了。需要为渲染管线指定很多参数来告诉它你想画什么以及如何画。因为绘制操作因形状而异，让你的形状类包含自己的绘制逻辑是个很好主意。

创建一个draw()方法负责绘制形状。下面的代码设置位置和颜色值到形状的vertexshader和fragmentshader，然后执行绘制功能:

private int mPositionHandle;private int mColorHandle;//顶点个数private final int vertexCount = triangleCoords.length / COORDS_PER_VERTEX; //顶点之间的偏移量private final int vertexStride = COORDS_PER_VERTEX * 4; // 每个顶点四个字节public void draw() {    // // 添加program到OpenGL ES环境中    GLES20.glUseProgram(mProgram);    // 获取指向vertex shader(顶点着色器)的成员vPosition的handle    mPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");    // 启用一个指向三角形的顶点数组的handle    GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);    // 准备三角形的坐标数据    GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, COORDS_PER_VERTEX,                                 GLES20.GL_FLOAT, false,                                 vertexStride, vertexBuffer);    // 获取指向fragment shader（片元着色器）的成员vColor的handle    mColorHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "vColor");    // 设置绘制三角形的颜色    GLES20.glUniform4fv(mColorHandle, 1, color, 0);    // 绘制三角形    GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, vertexCount);    // Disable vertex array    GLES20.glDisableVertexAttribArray(mPositionHandle);}

一旦完成了所有这些代码，绘制该对象只需要在渲染器的onDrawFrame（）方法中调用draw（）方法：

public void onDrawFrame(GL10 unused) {    ...    mTriangle.draw();}

当你运行程序的时候，你就应该看到以下的内容：

竖屏 横屏

此例子中的代码还有很多问题。首先，它不会打动你和你的朋友。其次，三角形会在你从竖屏变为横屏时被压扁。三角形变形的原因是其顶点们没有跟据屏幕的宽高比进行修正。而且这里展示出来的三角形是静止的，这样的图形是有点无聊的，在“添加动画”的文章中，我们会使用OpenGL ES 的视图管线来旋转此形状。
源码地址：https://github.com/Xiaoben336/OpenGLES20Study
在下一篇文章，我们将使用投影和摄像头视图来修正显示的问题。

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