Android OpenGL ES(一)----必备知识

1.手机的坐标空间

我们都知道要想在手机上随心所欲的绘制图形，就必须了解手机的坐标体系。下图就是将坐标映射到手机屏幕的坐标。

图1手机屏幕基本坐标系

2.OpenGL基本图形

在OpenGL里，只能绘制点，直线以及三角形。

三角形是最基本的图形，因为它的结构如此稳定，它随处可见，比如桥梁的结构化构件，它有三条边用来连接它的三个顶点，如果我们拿掉其中一个顶点，剩下的就是一条直线，如果我们再拿掉一个点，就只剩下一个点了。

点和直线可以用于某些效果，但是只有三角形才能用来构造拥有复杂的对象和纹理的场景。在OpenGL里，我们把单独的点放在一个组里构建出三角形，再告诉OpenGL如何连接这些点。我们想要构建的所有东西都要用点，直线和三角形定义，如果想构建更复杂的图形，例如拱形，那我们就需要用足够的点拟合这样的曲线。

3.使数据可以被OpenGL存取

当我们在模拟器或者设备上编译和运行Java代码的时候，它并不是直接运行在硬件上的，相反，它运行在一个特殊的环境上，即Dalvik虚拟机。运行在虚拟机上的代码不能直接访问本地环境，除非通过特定的API。

Dalvik虚拟机还使用了垃圾回收机制。这意味着，当虚拟机检测到一个变量，对象或者其他内存片段不在被使用时，就会这些内存释放掉以备重用，它也能腾挪内存以提高空间使用效率。

本地环境并不是这样工作的，它不期望内存块会被移来移去或者被自动释放。

Android之所以这样设计，是因为开发者在开发程序的时候不必关心特定的CPU或者机器架构，也不必关心底层的内存管理。这通常都能工作得很好，除非要与本地系统交互，必须OpenGL。OpenGL作为本地系统库直接运行在硬件上，没有虚拟机，也没有垃圾回收或内存压缩。

Dalvik方案是Android主要特点之一，但是，如果代码运行在虚拟机内部，那它怎么与OpenGL通信呢？有两种技术，第一种技术是使用Java本地接口JNI,这个技术已经由Android软件开发部提供，当调用android.opengl.GLES20包里方法时，软件开发包实际上就是在后台使用JNI调用本地系统库。

第二种技术就是改变内存分配的方式，Java有一个特殊的类集合，它们可以分配本地内存块，并且把Java数据复制到本地内存。本地内存可以被本地环境存取，而不受垃圾回收器的管理。

图2 从Dalvik到OpenGL传输数据

示例：

private float[] rectangle=｛

-0.5f,-0.5f,

0.5f,0.5f,

-0.5f,0.5f,

-0.5f,-0.5f,

0.5f,-0.5f,

0.5f,0.5f

｝

private static final int BYTES_PER_FLOAT=4;

private final FloatBuffer vertexData;

vertexData=ByteBuffer

.allocateDirect(rectangle.length*BYTES_PER_FLOAT)

.order(ByteOrder.nativeOrder())

.asFloatBuffer();

vertexData.put(rectangle);

这里加入一个整型常量和一个FloatBuffer类型变量，一个java的浮点数有32位精度，而一个字节只有8位精度，这点可能看起来很明显，每个浮点数都占4个字节，而FloatBuffer用来在本地内存存储数据。

首先，我们使用ByteBuffer.allocateDirect()分配了一块本地内存，这块内存不会被垃圾回收器管理。这个方法需要知道要分配多少个字节的内存块，因为顶点都存储在一个浮点数组里，并且每个浮点数有4个字节，所以这块内存的大小应该是rectangle.length*BYTES_PER_FLOAT。

下一行告诉字节缓冲区按照本地字节序组织它的内容。本地字节序是指，当一个值占用多个字节时，比如32位整数，字节按照从最重要位到最不重要位或者相反顺序排列。可以认为这与从左到右或者从右到左写一个数类似。知道这个排序并不重要，重要的是作为一个平台要使用相同的排序，调用order(ByteOrder.nativeOrder())可以保证这一点。

最后，我们不愿意直接操作单独的字节，而是希望使用浮点数，因此，调用asFloatBuffer()得到一个可以反映底层字节的FloatBuffer类实例。然后就可以调用vertexData.put(rectangle)把数据从Dalvik的内存复制到本地内存了。当进程结束时，这块内存会被释放掉，所以，我们一般情况下不用关心它。但是，如果你在编写代码的时候，创建了很多ByteBuffer，或者随着程序运行产生了很多
ByteBuffer，你也许想学习一些碎片化以及内存管理的技术。

4.引入OpenGL管道

把图形画到屏幕上之前，它需要在OpenGL管道中传递，这就需要使用称为着色器，这些着色器会告诉图形处理单元如何绘制数据。有两种类型的着色器，在绘制任何内容到屏幕之前，需要定义它们。

顶点着色器：生成每个顶点的最终位置，针对每个顶点，它都会执行一次，一旦最终位置确定了，OpenGL就可以这些可见顶点的集合组装成点，直线以及三角形。

片段着色器：为组成点，直线或者三角形的每个片段生成最终的颜色，针对每个片段，它都会执行一次，一个片段是一个小小的，单一的颜色的长方形区域，类似于计算机屏幕上的一个像素。

一旦最后的颜色生成了，OpenGL就会把它们写到一块称为帧缓冲区的内存块中，然后，Android会把这个帧缓冲区显示到屏幕上。

图3 OpenGL管道概述

5.创建顶点着色器

在Android项目中创建raw文件，把着色器放入该文件夹下，便于引用。

示例simple_vertex_shader.glsl：

attribute vec4 a_Position;

void main()

{

gl_Position=a_Position;

}

这些着色器使用GLSL定义，GLSL是OpenGL的着色语言；这个着色语言的语法结构与C语言相似。

对于我们定义过的每个单一的定点，顶点着色器都会被调用一次；当它被调用的时候，它会在a_Position属性里接收当前顶点的位置，这个属性被定义为vec4类型。

一个vec4是包含了4个分量的向量；在位置的上下文中，可以认为这4个分量是X,Y,Z和W坐标，X,Y和Z对应一个三维位置，而W是一个特殊的坐标，后面会专门讲解W坐标，现在暂时略过。如果没有指定，默认情况下，OpenGL都是把向量的前三个坐标设为0，并把最后一个坐标设为1。

一个顶点会有几个属性，比如颜色和位置。关键词"attribute"就是把这些属性放进着色器的手段。

之后，可以定义main()，这是着色器的主要入口点；它所做的就是把前面定义过的位置复制到指定的输出变量gl_Position；这个着色器一定要给gl_Position赋值；OpenGL会把gl_Position中存储的位置当作顶点的最终位置，并把这些顶点组装成点，直线和三角形。

6.创建片段着色器

光栅化技术

移动设备的显示屏是由成千上万个小的，独立的部件组成，它们被称为像素；这些像素中的每一个都有能力显示几百万种不同颜色范围中的一种。然而，这实际上是一种视觉技巧：大多数显示器并不能真正创造几百万种颜色，所以每个像素通常是由三个单独的子构建构成的，它们发出红色，绿色，和蓝色的光，因为每个像素都非常小，人的眼睛会把红色，绿色和蓝色的光混合在一起，从而创造出巨量的颜色范围；把足够多的单独的像素放在一起，就能显示出多种颜色。

OpenGL通过“光栅化”的过程把每个点，直线及三角形分解成大量的小片段，它们可以映射到移动设备显示屏上，从而生成一幅图像。这些片段类似于显示屏上的像素，每个都包含单一的纯色。为了表示颜色，每个片段都有4个分量：其中红色，绿色，蓝色用来表示颜色，阿尔法分量用来表示透明度，

图4光栅化：生成片段

编写代码示例simple_fragment_shader.glsl:

precision mediump float;

uniform vec4 u_Color;

void main()

{

gl_FragColor=u_Color;

}

这个片段着色器中，文件顶部的第一行代码定义了所有浮点数据类型的默认精度。这就像Java代码中选择浮点数还是双精度浮点数一样。

可以选择lowp,mediump,highp，它们分别对应低精度，中精度及高精度；然而，只有某些硬件实现支持在片段着色器中使用highp。

细心阅读的可以发现为什么顶点着色器没有定义精度，其实顶点着色器同样也可以定义精度，但是对于一个顶点而言，精确度是最重要的，OpenGL设计者决定把顶点着色器的精度默认设置成最高级-highp。

你可能已经猜到了，高精度数据类型更加准确，但是这是以降低性能为代价的；对于片段着色器，出于最大兼容性的考虑，选择了mediump，这也是基于速度和质量的权衡。

这个片段着色器的剩余部分与早前定义的顶点着色器一样。不过这次我们要传递一个uniform，它叫做u_Color。它不像属性，每个顶点都要设置一个；一个uniform会让每个顶点都使用同一个值，除非我们在次改变它。如定点着色器中的位置所使用的属性一样，u_Color也是一个四分量向量，但是在颜色的上下文中，这四分量分别对应红色，绿色，蓝色和阿尔法。

接着我们定义了main()，它是这个着色器的住入口点，它把我们在uniform里定义的颜色复制到那个特殊的输出变量---gl_FragColor。着色器一定要给gl_FragColor赋值，OpenGL会使用这个颜色作为当前片段的最终颜色。

记住一个句话就完全了解片段着色器：片段着色器的主要目的就是告诉GPU每个片段的最终颜色应该是什么。

记住一个句话就完全了解顶点着色器：顶点着色器的主要目的就是确定每个顶点的最终位置。

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