Android OpenGL ES 画球体

近期由于兴趣所向。開始学习OpenGL绘图。

本文以“画球体”为点，小结一下近期所学。

> 初识OpenGL ES

接触OpenGL是从Android開始的。众所周知，Android View 是线程不安全的，于是仅仅同意在主线程中对View进行操作。然而假如我们须要实现复杂的界面。特别是开发游戏，在主线程中画大量图像，会耗费比較长的时间。使得主线程没能及时响应用户输入，甚至出现ANR。

于是Android提供了一个 SurfaceView类，通过双缓冲机制（两块画布？三块画布？），同意用户非主线程操作Canvas。实现View的“异步”刷新。

Canvas类提供了非常多绘图方法：

drawPoint(...)

drawCircle(...)

drawBitmap(...)

drawRect(...)

drawText(...)

drawOval(...)

然后，假设想要实现比較复杂的效果（比方3D），Canvas就非常难胜任了。了解了一下，眼下大部分Android游戏都是用OpenGL来实现。

OpenGL是何方神圣？实际上，终于图像(无论是2D还是3D)都是显示在显示屏上，所以终于操作肯定是对一个2D的显示内存进行操作的。而OpenGL就是提供了非常多方法。帮助我们定义空间立体模型，然后通过我们输入的各种參数，计算出映射矩阵，终于在显示屏幕上体现出效果。

OpenGL ES （OpenGL for Embedded Systems）是专门OpenGL的API子集，专门用于手机等嵌入式平台。简单理解就是，专门开发给“低端”的环境。删减了非常多不必要的方法。留下了最主要的。

> 使用OpenGL ES绘图

OpenGL ES提供了两个方法去绘制空间几何图形。

1. glDrawArrays (int mode, int first, int count);

2. glDrawElements (int mode, int count, int type, Buffer indices);

參数mode有下面取值：

    GL_POINTS,

    GL_LINE_STRIP,

    GL_LINE_LOOP,

    GL_LINES,

    GL_TRIANGLES,

    GL_TRIANGLE_STRIP,

    GL_TRIANGLE_FAN.

画点，画线，画三角形。就这么多了。我们觉得，不论什么空间图形都能够由点,线,或者三角形来表示。

3. glVertexPointer( ... )

定义几何图形的全部顶点方法。调用此方法后，glDrawArrays,glDrawElements方法便会依照顶点画出图形。

由于我们接下来要画球体。是通过画非常多的三角形拼接而成（听起来挺有意思的）。所以先简单了解一下画三角形的三种模式：

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQveWFya2V5MDk=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="" width="200" height="200" />

依据顶点的顺序，

GL_TRIANGLES按三个顶点为一组独自画三角形。

GL_TRIANGL_STRIP总是以最后三个顶点组成三角形，

GL_TRIANGLE_FAN则是以第一个顶点为中心。兴许顶点分别形成三角形。

我们接下来使用 GL_TRIANGLE_STRIP这样的模式画球体。

> 使用三角形构成空间球体

我们这里利用的是极限逼近的思想。想当年。祖冲之不也是用这样的思想计算出圆周率π吗。当正多边形的边数够多，看起来非常像一个圆！

于是，我们相同觉得，当正多面体的边数够多，看起来非常像一个球！

好了。思想是有了，可是我们终于并非通过画正多面体来画。由于看起来，利用正多面体来分割一个球算起来比較麻烦。

假设用经纬线的纵横分割方法，算起来要简单非常多！

左右两条经线。上下两条纬线构成一个正方形（近似）。正方形能够看做是两个三角形构成。

途中土黄色的箭头，代表使用GL_TRIANGLE_STRIP模式绘图时採用的顶点顺序。

这样的分割方法，看起来清晰非常多，纵横经纬两层循环遍历全部顶点。

关键是：怎么计算球面的顶点坐标？(x, y, z)

> 球面顶点坐标计算

首先，我们确认两个遍历方向：

第一层：从Y轴负方向開始，角度不断添加直到Y轴正方向。（时钟6点->5点->4点->3点->2点->1点->12点）

第二层：固定Y值，以Y轴为旋转轴，360度旋转。就可以遍历全部顶点。

例如以下图。a角递增。b角做一个360度变化。

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQveWFya2V5MDk=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="" />

如上图。随意球面上的点。三维坐标 (x0, y0, z0) 计算：(R为球半径)

x0 = R * cos(a) * sin(b);

y0 = R * sin(a);

z0 = R * cos(a) * cos(b);

> 源代码

下面部分參考或者是抄写于：http://blog.csdn.net/wuzongpo/article/details/7230285

使用OpenGL ES绘图的一般步骤是：

1，获取EGLDisplay对象

2，初始化与EGLDisplay之间的连接

3，获取EGLConfig对象

4，创建EGLContext对象

5。创建EGLSurface实例

6。连接EGLContext与EGLSurface

7，使用GL指令绘图

8，断开释放EGLContext对象

9，删除EGLSurface

10，删除EGLContext

11。终止与EGLDisplay之间的连接

Android GLSurfaceView 类，对OpenGL Api 进行了一层封装。帮忙我们管理Display,Context,Surface。我们仅仅要实现android.opengl.GLSurfaceView.Renderer接口就可以。

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;
import java.nio.FloatBuffer;

import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig;
import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;

import android.opengl.GLU;
import android.opengl.GLSurfaceView.Renderer;

public class OpenGLRenderer4 implements Renderer {

	// 环境光
	private final float[] mat_ambient = { 0.2f, 0.3f, 0.4f, 1.0f };
	private FloatBuffer mat_ambient_buf;
	// 平行入射光
	private final float[] mat_diffuse = { 0.4f, 0.6f, 0.8f, 1.0f };
	private FloatBuffer mat_diffuse_buf;
	// 高亮区域
	private final float[] mat_specular = { 0.2f * 0.4f, 0.2f * 0.6f, 0.2f * 0.8f, 1.0f };
	private FloatBuffer mat_specular_buf;

	private Sphere mSphere = new Sphere();

	public volatile float mLightX = 10f;
	public volatile float mLightY = 10f;
	public volatile float mLightZ = 10f;

	@Override
	public void onDrawFrame(GL10 gl) {
		// 清晰屏幕和深度缓存
		gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
		// 重置当前的模型观察矩阵
		gl.glLoadIdentity();

		gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
		gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

    	// 材质
    	gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_AMBIENT, mat_ambient_buf);
    	gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_DIFFUSE, mat_diffuse_buf);
    	gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SPECULAR, mat_specular_buf);
    	// 镜面指数 0~128 越小越粗糙
    	gl.glMaterialf(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SHININESS, 96.0f);

    	//光源位置
    	float[] light_position = {mLightX, mLightY, mLightZ, 0.0f};
		ByteBuffer mpbb = ByteBuffer.allocateDirect(light_position.length*4);
		mpbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
		FloatBuffer mat_posiBuf = mpbb.asFloatBuffer();
		mat_posiBuf.put(light_position);
		mat_posiBuf.position(0);
    	gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, mat_posiBuf);

    	gl.glTranslatef(0.0f, 0.0f, -3.0f);
    	mSphere.draw(gl);
	}

	@Override
	public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {

		// 设置输出屏幕大小
		gl.glViewport(0, 0, width, height);

		// 设置投影矩阵
		gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
		// 重置投影矩阵
		gl.glLoadIdentity();
		// 设置视口大小
		// gl.glFrustumf(0, width, 0, height, 0.1f, 100.0f);

		GLU.gluPerspective(gl, 90.0f, (float) width / height, 0.1f, 50.0f);

		// 选择模型观察矩阵
		gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
		// 重置模型观察矩阵
		gl.glLoadIdentity();

	}

	@Override
	public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig arg1) {
		// 对透视进行修正
		gl.glHint(GL10.GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL10.GL_FASTEST);
		// 背景：黑色
		gl.glClearColor(0, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
		// 启动阴影平滑
		gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);

		// 复位深度缓存
		gl.glClearDepthf(1.0f);
		// 启动深度測试
		gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST);
		// 所做深度測试的类型
		gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL);

		initBuffers();
	}

	private void initBuffers() {
		ByteBuffer bufTemp = ByteBuffer.allocateDirect(mat_ambient.length * 4);
		bufTemp.order(ByteOrder.nativeOrder());
		mat_ambient_buf = bufTemp.asFloatBuffer();
		mat_ambient_buf.put(mat_ambient);
		mat_ambient_buf.position(0);

		bufTemp = ByteBuffer.allocateDirect(mat_diffuse.length * 4);
		bufTemp.order(ByteOrder.nativeOrder());
		mat_diffuse_buf = bufTemp.asFloatBuffer();
		mat_diffuse_buf.put(mat_diffuse);
		mat_diffuse_buf.position(0);

		bufTemp = ByteBuffer.allocateDirect(mat_specular.length * 4);
		bufTemp.order(ByteOrder.nativeOrder());
		mat_specular_buf = bufTemp.asFloatBuffer();
		mat_specular_buf.put(mat_specular);
		mat_specular_buf.position(0);
	}
}

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;
import java.nio.FloatBuffer;

import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;

// 计算球面顶点
public class Sphere {

	public void draw(GL10 gl) {

		float	angleA, angleB;
    	float	cos, sin;
    	float	r1, r2;
    	float	h1, h2;
    	float	step = 30.0f;
    	float[][] v = new float[32][3];
    	ByteBuffer vbb;
    	FloatBuffer vBuf;

		vbb = ByteBuffer.allocateDirect(v.length * v[0].length * 4);
        vbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
        vBuf = vbb.asFloatBuffer();

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

    	for (angleA = -90.0f; angleA < 90.0f; angleA += step) {
    		int	n = 0;

            r1 = (float)Math.cos(angleA * Math.PI / 180.0);
    		r2 = (float)Math.cos((angleA + step) * Math.PI / 180.0);
    		h1 = (float)Math.sin(angleA * Math.PI / 180.0);
    		h2 = (float)Math.sin((angleA + step) * Math.PI / 180.0);

    		// 固定纬度, 360 度旋转遍历一条纬线
    		for (angleB = 0.0f; angleB <= 360.0f; angleB += step) {

    			cos = (float)Math.cos(angleB * Math.PI / 180.0);
    			sin = -(float)Math.sin(angleB * Math.PI / 180.0);

    			v[n][0] = (r2 * cos);
    			v[n][1] = (h2);
    			v[n][2] = (r2 * sin);
    			v[n + 1][0] = (r1 * cos);
    			v[n + 1][1] = (h1);
    			v[n + 1][2] = (r1 * sin);

    			vBuf.put(v[n]);
    			vBuf.put(v[n + 1]);

    			n += 2;  

    			if(n>31){
    				vBuf.position(0);

    	    		gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
    	    		gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
    				gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, n);

    				n = 0;
    				angleB -= step;
    			}

    		}
			vBuf.position(0);

    		gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
    		gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
			gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, n);
    	}

    	gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
    	gl.glDisableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
	}
}

import android.content.Context;
import android.opengl.GLSurfaceView;
import android.view.MotionEvent;

public class OpenGLView extends GLSurfaceView {

	private OpenGLRenderer4 mRenderer;

	private float mDownX = 0.0f;
	private float mDownY = 0.0f;

	public OpenGLView(Context context) {
		super(context);

		mRenderer = new OpenGLRenderer4();
		this.setRenderer(mRenderer);
	}

	@Override
	public boolean onTouchEvent(MotionEvent event) {
		int action = event.getActionMasked();
		switch (action) {
		case MotionEvent.ACTION_DOWN:
			mDownX = event.getX();
			mDownY = event.getY();
			return true;
		case MotionEvent.ACTION_UP:
			return true;
		case MotionEvent.ACTION_MOVE:
			float mX = event.getX();
			float mY = event.getY();
			mRenderer.mLightX += (mX-mDownX)/10;
			mRenderer.mLightY -= (mY-mDownY)/10;
			mDownX = mX;
			mDownY = mY;
			return true;
		default:
			return super.onTouchEvent(event);
		}
	}
}

import android.os.Bundle;
import android.app.Activity;
import android.view.Window;
import android.view.WindowManager;

public class MainActivity extends Activity {

	private OpenGLView mOpenGLView;

	@Override
	protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
		super.onCreate(savedInstanceState);
		// 去标题栏
		requestWindowFeature(Window.FEATURE_NO_TITLE);
		//设置全屏
		getWindow().setFlags(WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN, WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN);

		mOpenGLView = new OpenGLView(this);
		setContentView(mOpenGLView);
	}
}

> 效果图

step = 30.0f

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQveWFya2V5MDk=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" width="454" height="806" alt="" />

step = 2.0f

关于光照效果。我们以后有空再讨论。