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OpenGL ES -- 基础知识

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介绍 OpenGL ES 2.0 的一些基础知识

概述

OpenGL ES是基于OpenGL三维图形API的子集，主要是针对手机及PDA（掌上电脑）等嵌入式设备设计的。
经过多年的发展，OpenGL ES主要分为两个主版本，基本情况如下。
一个是OpenGL ES 1.x（主要包括1.0与1.1），其采用的是固定渲染管线，可以由硬件GPU支持或用软件模拟实现，渲染能力有限，在纯软件模拟情况下性能也较弱。
另一个是OpenGL ES 2.0，其采用的是可编程渲染管线，渲染能力大大提高。OpenGL ES2.0要求设备中必须有相应的GPU硬件支持，目前不支持在设备上用软件模拟实现。
接下来的一系列关于 OpenGL ES 的文章，都是基于 OpenGL ES 2.0 来介绍。

  • 渲染管线 Graphics Pipeline：
  • 顶点 Vertex：
  • 着色器 Shader：

基本图形

在 OpenGL 里，只能绘制点，直线以及三角形。
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。

渲染管线

我们把定义的的一些数据复制到 OpenGL 本地内存之后，到完成屏幕渲染之前，这些数据需要再 OpenGL 的管道中进行传递。
读取顶点数据 - 执行顶点着色器 - 组装图元 - 光栅化图元 - 执行片段着色器 - 写入帧缓冲区 - 显示在屏幕上

顶点

OpenGL中，我们使用独立的点集合来构建物体，这些点称为顶点。每个物体的构建都是通过顶点的聚合形成点、直线和三角形。
一个顶点就是一个代表几何对象的拐角的点，这个点又很多附加属性，最重要的就是位置，它代表了这个顶点在空间中的位置。

着色器

OpenGL中，我们把定义的一些数据绘制到屏幕上之前，它需要在 OpenGL 的渲染管线中传递，那么我们就需要使用着色器。这些着色器会告诉 GPU 如何绘制数据。
着色器分为顶点着色器和片段着色器。在绘制任何内容到屏幕之前，我们都需要定义它们。
顶点着色器（vertex shader）生成每个顶点的最终位置，针对每个顶点，它都会执行一次，一旦位置确定了，OpenGL 就可以把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（fragment shader）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，一个片段是一个小的、颜色单一的长方形区域、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 就会把他们写到一块称为帧缓冲区（frame buffer）的内存块中，然后，Android 会把这个帧缓冲区显示到屏幕上。
我们为什么要使用着色器呢？
在着色器出现之前，OpenGL 只能使用一个固定的方法集合控制很少而有限的事情，这些固定的 API 很容易使用，但是他们很难扩展，几乎不能添加一些自定义效果。在 OpenGL ES 2.0 里，设计人员使用着色器加入了可编程 API，为了保持简洁，他们把那些固定的 API 完全删除了，因此，开发者必须使用着色器。
现在我们可以使用着色器控制每个顶点应该如何绘制到屏幕上，我们也控制所有点、直线和三角形上每个片段应该如何绘制。只要我们可以用着色器语言表达出来，就可以加入任何理想的自定义效果。

光栅化技术

我们使用片段着色器为每个片段生成颜色之前，需要生成这些片段，那么这时就用到了光栅化技术。
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，
显示系统通常会把这些片段直接映射到屏幕上的像素，结果一个片段就对应一个像素。然而，事情并不总是这样，一个超高分辨率的设备可能需要较大的片段，以减少 GPU 的工作负荷。

OpenGL 的坐标归一化

对于顶点坐标而言，无论是 x 坐标还是 y 坐标，OpenGL 都会把屏幕映射到 [-1, 1] 这个范围内。这也就以为着屏幕的左边对应着 x 轴的 -1 ，而屏幕右边对应 +1，屏幕底边对应 y 轴的 -1，屏幕顶部对应 +1 。不管屏幕大小和形状，这个坐标范围都是一样的，如果我们要在屏幕上显示任何东西，都要在这个范围内绘制。
因此，在定义一些顶点坐标时，我们就需要把屏幕的坐标转换成 OpenGL 的坐标。

跨距Stride

如果我们分别要描述位置和颜色信息，我们可以用两个数组来表示，这样必须保证两个数组中顶点的位置和颜色是一一对应的。
除了这种方式，还可以选择一个数组存储两种信息的方式：“顶点1位置+顶点1颜色+顶点2位置+顶点2颜色+”，这样就引出了跨距的概念，即一个顶点和颜色占用的空间个数之和。
设置了跨距，我们调用 glVertexAttribPointer 就可以找到对应的顶点信息和颜色信息。
具体可以参考 。

绘制方法

glDrawArrays 顶点法和 glDrawElements 索引法都是从一个数据数组中提取数据渲染基本图元。

glDrawElements 只能用在 OPENGL1.1 或者更高的版本。

glDrawArrays 和 glDrawElements的性能区别

glDrawArrays传输或指定的数据是最终的真实数据,在绘制时效能更好。
而glDrawElements指定的是真实数据的调用索引,在内存/显存占用上更节省。

glDrawArrays 和 glDrawElements 的损耗说明及其使用场景

glDrawArrays 主要讲数据空间损耗在顶点的定义处;
glDrawElements 主要讲数据空间损耗在顶点索引的定义处;
如果在你的工程中，画的图形较少或者，图形虽多但很多相同的，则可采用glDrawArrays更节省数据占用的空间；相反，如果图形多，而且形状大不相同的时候，可以优先考虑采用glDrawElements函数。

绘制模式

绘制模式有如下几种：

  • GL_POINTS
  • GL_LINES
  • GL_LINE_LOOP
  • GL_LINE_STRIP
  • GL_TRIANGLES
  • GL_TRIANGLE_STRIP
  • GL_TRIANGLE_FAN

一些工具类

GLES20
GLUtils

学习资料

《OpenGL ES 应用开发实践指南 Android 卷》
《OpenGL ES 2.0游戏开发》
学习着色器：https://thebookofshaders.com/?lan=ch
一些特效：https://glslsandbox.com/
GAPID：Graphics 调试工具：可以抓取一些opengl特效的shader