Android(安卓)OpenGL ES 开发（二）— 绘制三角形

我的视频课程：《Android C++ OpenGL 教程》

在前一篇博客我们知道了Android中OpenGL ES是什么，然后知道了怎么搭建一个OpenGL ES的运行环境，现在我们就来开始绘制我们自己想要的图形了（绘制图片会在后面讲解，因为绘制图形是绘制图片的基础），我们最先开始绘制一个三角形，因为三角形是很多图形的基础。

一、顶点坐标系

在绘制之前，我们需要先了解Android中OpenGL ES的顶点坐标系是怎样的，如图：

其中：中心坐标（0,0）就是我们手机屏幕的中心，然后到最左边是（-1,0）、最右边是（1,0）、最上边是（0,1）、最下边是（0,-1）这样就把我们的手机屏幕分成了一个中心坐标为（0,0）上下左右长度分别为1的矩形。不管我们的手机（具体来讲是我们的GLSurfaceView）的大小是多少，都会映射到这个矩形中。这也是OpenGL中归一化的处理方式，什么都不管，反正都必须映射到这个范围内就对了。

二、设置绘制的三角形所需要的三个顶点

因为我们绘制的是三角形，所以我们需要三个顶点来确定我们的三角形的位置，比如我们要绘制如图的三角形：

由图我们知道要绘制的三角形的三个顶点坐标分别为：（-1,0）、（0,1）和（1,0）

三、本地化三角形顶点

所谓本地化就是跳出java VM（Java虚拟机）的约束（垃圾回收）范围，使我们的顶点在程序运行时一直都有自己分配的内存地址，不会因为java的GC而把顶点内存地址给回收掉，导致顶点不存在，从而引起OpenGL找不到顶点位置等错误，所以在OpenGL中我们需要把顶点坐标给本地化。

这里我们就需要分2个步骤来完成顶点的本地化：

3.1、用float数组来存储我们的顶点坐标，因为顶点坐标范围是在（-1f~1f）之间的所有小数都可以，所以我们先创建顶点数组：

float[] vertexData = {            -1.0f, 0.0f,//三角形左下角            0.0f, 1.0f,//三角形右下角            1.0f, 0.0f//三角形顶点    };

3.2、然后根据顶点数组分配底层内存地址，因为需要本地化，所以就和c/c++一样需要我们手动分配内存地址，这里用到了ByteBuffer这个类：

FloatBuffer vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertexData.length * 4)//分配内存空间（单位字节）                .order(ByteOrder.nativeOrder())//内存bit的排序方式和本地机器一致                .asFloatBuffer()//转换成float的buffer,因为我们是放float类型的顶点                .put(vertexData);//把数据放入内存中        vertexBuffer.position(0);//把索引指针指向开头位置

首先用allocateDirect分配内存大小，其大小为float数组长度乘以每一个float的大小，而float占4个字节，所以就是：vertexData.length * 4；然后设置其在内存中的对齐方式（分大端和小端对其）这里就和本地对齐方式一样：order(ByteOrder.nativeOrder())；然后设置是存储float类型数据的内存空间：asFloatBuffer()；最后再用float数组（vertexData）初始化内存中的数据：put(vertexData)。为了能从开头访问这块内存地址，还需要设置其position为0：vertexBuffer.position(0);。

这样我们的三角形的顶点内存地址就已经分配好了，并且做了本地持久化。

四、开始顶点着色器的编写（shader）

OpenGL的操作需要我们自己编写着色器（shader）程序给它，然后它会用GPU执行这个着色器程序，最终反馈执行结果给我们。我们用glsl语言来编写着色器程序，其语法方式和c语言类似，这里就不展开讲了，当学会了OpenGL编程后，可以自己学习glsl语法，然后就可以根据自己的能力编写“吊炸天”的效果了。

4.1、编写顶点着色器（vertex_shader.glsl），位置我们放在：res/raw/路径下

attribute vec4 av_Position;//用于在java代码中获取的属性void main(){    gl_Position = av_Position;//gl_Position是内置变量，opengl绘制顶点就是根据它的值绘制的，所以我们需要把我们自己的值赋值给它。}

这段shader很短，但是足够说明OpenGL中顶点坐标的使用方法了：

首先解释一下attribute vec4 av_Position这句的意思：

attribute是表示顶点属性的，只能用在顶点坐标里面，然后在应用程序（java代码）中可以获取其变量，然后为其赋值。vec4是一个包含4个值（x,y,z,w）的向量，x和y表示2d平面，加上z就是3d的图像了，最后的w是摄像机的距离，因为我们绘制的是2d图形，所以最后z和w的值可以不用管，OpenGL会有默认值1。所以这句话的意思就是：声明了一个名字叫av_Position的包含4个向量的attribute类型的变量，用于我们在java代码中获取并把我们的顶点（FloatBuffer vertexBuffer）值赋值给它。这样OpenGL执行这段着色器代码（程序）时，就有了具体的顶点数据，就会在相应的顶点之间绘制图形（我们定义的三角形）了。

然后void main(){}是程序中函数，和c中是一样的。

最后是gl_Position = av_Position，这里的gl_Position是glsl中内置的最终顶点变量，我们要绘制的顶点就是传递给它。这段代码就是把我们设置的顶点数据传递给gl_Position，然后OpenGL就知道在哪里绘制顶点了。

五、片元着色器程序编写（shader）

上面我们只是写了我们的三角形绘制顶点的着色器程序，而三角形是 “顶点+颜色（样式）” 组成的，所以我们就需要告诉OpenGL我们绘制的三角形是什么颜色的，这就需要片元着色器程序了。

编写片元着色器程序（fragment_shader.glsl）

precision mediump float;//声明用中等精度的floatuniform vec4 af_Color;//用于在java层传递颜色数据void main(){    gl_FragColor = af_Color;//gl_FragColor内置变量，opengl渲染的颜色就是获取的它的值，这里我们把我们自己的值赋值给它。}

这里的precision mediump float 表明用中等精度的float类型来保存变量，其他还可以设置高精度和低精度，一般中等精度就可以了，精度不同，执行的效率也会有差别。

然后这里是用了uniform这个类型来声明变量，uniform是用于应用程序（java代码中）向顶点和片元着色器传递数据，和attribute的区别在于，attribute是只能用在顶点着色器程序中，并且它里面包含的是具体的顶点的数据，每次执行时都需要从顶点内存里面获取新的值，而uniform始终都是用同一个变量。vec4 af_Color也是声明一个4个分量的变量af_Color，这个里面保存的是颜色的值了（rgba四个分量)。

最后gl_FragColor也是glsl中内置的变量，用于最终渲染颜色的赋值，这里我们就把我们自己的颜色赋值给gl_FragColor就行，是操作每一个像素的rgba。

通过第四步和第五步，我们已经设置好了顶点和颜色的着色器程序，接下来就可以让OpenGL加载这2个着色器程序，然后执行里面的代码，最终绘制出我们想要的图形（三角形）了。

六、加载并编译着色器语言

6.1、通过GLES20.glCreateShader(shaderType)创建（顶点或片元）类型的代码程序，如：

创建顶点类型的着色器代码程序：

int vertexShader = GLES20.glCreateShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER)

片元传入：GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER。

6.2、加载shader源码并编译shader

GLES20.glShaderSource(shader, source);//这里更加我们创建的类型加载相应类型的着色器（如：顶点类型）GLES20.glCompileShader(shader);//编译我们自己写的着色器代码程序

6.3、实际创建并返回一个渲染程序（program）

int program = GLES20.glCreateProgram();//创建一个program程序

6.4、将着色器程序添加到渲染程序中

GLES20.glAttachShader(program, vertexShader);//把顶点着色器加入program程序中GLES20.glAttachShader(program, fragmentShader);//把片元着色器加入program程序中

6.5、链接源程序

GLES20.glLinkProgram(program);//最终链接顶点和片元着色器，后面在program中就可以访问顶点和片元着色器里面的属性了。

通过上面5个步骤，我们就将用glsl写的着色器程序变成了我们可以在应用程序（java代码）中可以获取里面的变量并操作变量的具体的程序（program）了。

七、接下来就是传递顶点坐标和颜色值给着色器程序：

7.1、获取顶点变量

int aPositionHandl  = GLES20.glGetAttribLocation(programId, "av_Position");//获取顶点属性，后面会给它赋值（即：把我们的顶点赋值给它）

这里的av_Position就是顶点着色器中的attribute变量，后续操作就可以用返回值aPositionHandl这个句柄了。

7.2、获取颜色变量

int afColor = GLES20.glGetUniformLocation(program, "af_Color");//获取片元变量，后面可以通过它设置片元要显示的颜色。

这里的af_Color就是片元着色器中的uniform变量。后面可以对它赋值来改变三角形的颜色。

7.3、开始执行着色器程序

GLES20.glUseProgram(programId);//开始绘制之前，先设置使用当前programId这个程序。

7.4、首先激活顶点属性

GLES20.glEnableVertexAttribArray(aPositionHandl);//激活顶点属性数组，激活后才能对它赋值

7.4、向顶点属性传递顶点数组的值

GLES20.glVertexAttribPointer(aPositionHandl, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 8, vertexBuffer);//现在就是把我们的顶点vertexBuffer赋值给顶点着色器里面的变量。

第一参数就是我们的顶点属性的句柄

第二个参数是我们用的几个分量表示的一个点，这里用的（x,y）2个分量，所以就填入2

第三个参数表示顶点的数据类型，因为我们用的float类型，所以就填入GL_FLOAT类型

第四个参数是是否做归一化处理，如果我们的坐标不在（-1,1）之间，就需要，由于我们的坐标是在（-1,1）之间，所以不需要，填入false

第五个参数是每个点所占空间大小，因为是（x，y）2个点，每个点是4个字节，所以一个点占8个空间大小，这个设置好后，OpenGL才知道8个字节表示一个点，就能按照这个规则，依次取出所有的点的值。

第六个参数就是OpenGL要从哪个内存中取出这些点的数据。

7.4、最后绘制这些顶点

GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, 3);//绘制三角形，从我们的顶点数组里面第0个位置开始，绘制顶点的个数为3（因为三角形只有三个顶点）

这里是以顶点数组的方式来绘制图形

第一个参数表示绘制的方式：GLES20.GL_TRIANGLES，单个三角形的方式，还有其他方式，我们后面会讲解。

第二个参数表示从哪个位置开始绘制，因为顶点坐标里面只有3个坐标点，所以从0开始绘制。

第三个参数表示绘制多少个点，这里显然绘制三个点。

以上就是OpenGL的执行过程：

坐标点（顶点或纹理）->编写着色器程序->加载着色器程序并编译生成program->获取program中的变量->program变量赋值->最终绘制。

注：在加载着色器程序的时候还需要检查是否加载成功等结果，还有绘制图形时的清屏操作会在实例代码中给出完整的例子。

八、核心代码

8.1、加载着色器程序生成program（WlShaderUtil.java）

package com.ywl5320.opengldemo;import android.content.Context;import android.opengl.GLES20;import android.util.Log;import java.io.BufferedReader;import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.io.InputStreamReader;public class WlShaderUtil {    public static String readRawTxt(Context context, int rawId) {        InputStream inputStream = context.getResources().openRawResource(rawId);        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));        StringBuffer sb = new StringBuffer();        String line;        try        {            while((line = reader.readLine()) != null)            {                sb.append(line).append("\n");            }            reader.close();        }        catch (Exception e)        {            e.printStackTrace();        }        return sb.toString();    }    public static int loadShader(int shaderType, String source)    {        int shader = GLES20.glCreateShader(shaderType);        if(shader != 0)        {            GLES20.glShaderSource(shader, source);            GLES20.glCompileShader(shader);            int[] compile = new int[1];            GLES20.glGetShaderiv(shader, GLES20.GL_COMPILE_STATUS, compile, 0);            if(compile[0] != GLES20.GL_TRUE)            {                Log.d("ywl5320", "shader compile error");                GLES20.glDeleteShader(shader);                shader = 0;            }        }        return shader;    }    public static int createProgram(String vertexSource, String fragmentSource)    {        int vertexShader = loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, vertexSource);        if(vertexShader == 0)        {            return 0;        }        int fragmentShader = loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentSource);        if(fragmentShader == 0)        {            return 0;        }        int program = GLES20.glCreateProgram();        if(program != 0)        {            GLES20.glAttachShader(program, vertexShader);            GLES20.glAttachShader(program, fragmentShader);            GLES20.glLinkProgram(program);            int[] linsStatus = new int[1];            GLES20.glGetProgramiv(program, GLES20.GL_LINK_STATUS, linsStatus, 0);            if(linsStatus[0] != GLES20.GL_TRUE)            {                Log.d("ywl5320", "link program error");                GLES20.glDeleteProgram(program);                program = 0;            }        }        return  program;    }}

8.2、WlRender.java

package com.ywl5320.opengldemo;import android.content.Context;import android.opengl.GLES20;import android.opengl.GLSurfaceView;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.ByteOrder;import java.nio.FloatBuffer;import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig;import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;public class WlRender implements GLSurfaceView.Renderer{    private Context context;    private final float[] vertexData ={            -1f, 0f,            0f, 1f,            1f, 0f    };    private FloatBuffer vertexBuffer;    private int program;    private int avPosition;    private int afColor;    public WlRender(Context context)    {        this.context = context;        vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertexData.length * 4)                .order(ByteOrder.nativeOrder())                .asFloatBuffer()                .put(vertexData);        vertexBuffer.position(0);    }    @Override    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {        String vertexSource = WlShaderUtil.readRawTxt(context, R.raw.vertex_shader);        String fragmentSource = WlShaderUtil.readRawTxt(context, R.raw.fragment_shader);        program = WlShaderUtil.createProgram(vertexSource, fragmentSource);        if(program > 0)        {            avPosition = GLES20.glGetAttribLocation(program, "av_Position");            afColor = GLES20.glGetUniformLocation(program, "af_Color");        }    }    @Override    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {        GLES20.glViewport(0, 0, width, height);    }    @Override    public void onDrawFrame(GL10 gl) {        GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);        GLES20.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);        GLES20.glUseProgram(program);        GLES20.glUniform4f(afColor, 1f, 0f, 0f, 1f);        GLES20.glEnableVertexAttribArray(avPosition);        GLES20.glVertexAttribPointer(avPosition, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 8, vertexBuffer);        GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, 3);    }}

这里用到了通过uniform类型变量传值的方式：

GLES20.glUniform4f(afColor, 1f, 0f, 0f, 1f);//分别设置片元变量的rgba四个值（前面的glUniform4f:表示这是uniform类型的变量的4个float类型的值）

给片元着色器中的颜色变量afColor设置argb的值为：(1f, 0f, 0f,1f)——红色

然后其他的代码和上一篇博客一样。

九、最终效果如下：

十、总结

通过本篇文章，我们了解了Android中OpenGL ES的顶点坐标加载过程，在OpenGL ES中最复杂的图像就是三角形，其他任意图像都可以通过三角形来组合出来，这也为我们后续的功能打下了基础，务必好好理解里面的流程和逻辑。

GitHub：Android-OpenGL-ES

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