NDK OpenGL ES 渲染系列之 OpenGL ES概念

前言

从接触到OpenGL之后发现它很神奇，为什么它能渲染出图片，要搞懂其原理，前提是要知道怎么用。本文不讲其原理，目前我的水平对底层GPU如何渲染还很难说的清楚，网上的帖子太多了，真正讲明白的没几个，至今没有发现，可能是原理过于偏低层，而国内真正研究过原理又留下自己足迹可能都是在院校或者研究所，而这些文章普遍都是英文的，不禁感慨一下，学好英文真的很重要，学会OpenGL不会过时，毕竟会用OpenGL的人也不多（相对于中国程序员基数），用的精通的人更少了（可能会有喷我，但是OpenGL用处还是挺多的）。回到本文主题，学习OpenGL ES之前，还是要了解一下OpenGL ES的概念。本文的目的是OpenGL ES的概念扫盲。也是防止自己忘记。

对于刚入门的同学，建议可以先看下LearnOpenGL-CN

OpenGL ES

OpenGL是Open Graphics Library的缩写。是跨平台，跨编程语言的编程接口的标准。用于调试硬件的2D、3D图形处理器。由于是只软件接口，所以具体底层实现依赖硬件设备制造商。

OpenGL ES是OpenGL for Embedded Systems的缩写。 是OpenGL的三维图形API子集。是针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计，去除了很多不必要和性能较低的API。

常用基本概念

顶点

物体的顶点，对于一个2D图片有四个顶点。对于一个3D正方体有8个顶点。

图元

绘制最小单元，对于OpenGL ES来说可以是点，线，三角形。

片元

图片经过计算后由若干个图元组成的集合体。如下图所示, 一个正方形是由两个三角形组成

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纹理

是一个2D图片（甚至也有1D和3D的纹理），它可以用来添加物体的细节。可以一个物体表面贴上不同的图片，如下图所示：

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着色器（shader）

着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序,可以处理顶点和片元相关计算。
着色器变量：

Attribute变量：是3D物体中每个顶点各自不同的信息所属的变量，一般顶点的位置、颜色、法向量等每个顶点各自不同的信息都是以attribute变量的方式传入顶点着色器内。
Uniform变量：是对于同一组顶点组成的单个3D物体中所有顶点都相同的量，一般为场景中当前的光源位置、当前的摄像机位置、投影系列矩阵等。
Varying变量(易变变量)：是从顶点着色器计算产生并传递到片元着色器的数据变量。顶点着色器可以使用易变变量来传递需要插值到片元的颜色、法向量、纹理坐标等任意值。
gl_Position：是OpenGL内置变量，用于存放坐标变化后要渲染的顶点数据
gl_FragColor：是OpenGL内置变量，是片元的最终颜色，在片元着色器的最后都需要对其进行赋值。

顶点着色器

概述：顶点着色器提供顶点操作的编程程序。
输入变量：Attribute变量和Uniforms变量、Sampler采样器.
输出变量：内建变量gl_Position等.

Attribute(属性变量): 用顶点数组提供的逐顶点数据.
Uniforms(统一变量) : 顶点着色器使用的不变数据，比如MVP矩阵.
Sampler(采样器) : 代表顶点着色器使用的纹理的特殊统一变量类型.
VertexShader(顶点着色器程序) : 顶点着色器程序源代码或者描述在操作顶点的可执行文件.

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片元着色器

概述：片元着色器提供片元着色操作的编程程序。
输入变量：Varying变量和Uniforms变量、Sampler采样器。
输出变量：内建变量gl_FragColor等.

Varying(易变量): 由顶点着色器传递进片元着色器没有属性attribute变量。光栅化单元用插值为每个片段生成的顶点着⾊器输出（可以理解为这部分数据是系统生成）
Uniforms(统一变量) : ⽚元着⾊器使用的不变数据，比如旋转矩阵
Sampler(采样器) : 代表片元着⾊器使⽤纹理的特殊统一变量类型.获取到纹理ID从内存中查找对应的纹理
FragShader(片元着色器程序) : 片元着色器程序源代码或者描述在操作顶点的可执行文件.

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坐标系统

3D物体渲染到本地视图上所经转换的所有系统。
OpenGL是可以绘制3D物体的，那3D物体如何从其表示3D物体的本地坐标系一步步转换到屏蔽坐标系呢？
从下图可以看到，一个3D从分别从本地空间转换到世界空间，再到视图空间，经过裁剪空间，最后到屏幕空间，才能显示到我们手机上。

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MVP矩阵

此MVP非“MVP”; MVP是Model View Projection三者的缩写。我们从上图可以看到从不同空间进行转换时需要经过矩阵运算，大学线性代数知识可知：从一个坐标系转换到另一个坐标系时，只需要乘相应坐标变换矩阵即可。这里MVP矩阵，其实是Model Matrix、View Matrix、Projection Matrix三者相乘的结果。

根据线性代数基转换原理：乘法顺序一定要按照：Projection Matrix * View Matrix * Model Matrix。

对于矩阵的运算，在ndk编程中可以引用OpenGL Mathematics

模型矩阵

模型矩阵变换有三种变换：

• 平移变换：3D物体沿着某个方向进行平移，物体大小不变；
  glm接口：

Model = glm::translate(Model, glm::vec3(x, y, z));

• 旋转变换：物体沿着某个对称轴进行旋转，物体大小不变；
  glm接口：

Model = glm::rotate(Model, glm::radians(pitch), glm::vec3(pitchSymbolFactor, 0.0f, 0.0f));
Model = glm::rotate(Model, glm::radians(yaw), glm::vec3(0.0f, yawSymbolFactor, 0.0f));
Model = glm::rotate(Model, glm::radians(roll), glm::vec3(0.0f, 0.0f, rollSymbolFactor));

• 缩放变换：物体沿着某个方向进行缩放，物体大小发生了变化。
  glm接口：
  Model = glm::scale(Model, glm::vec3(xFactor, yFactor, zFactor));

视图矩阵

在OpenGL ES我们会用使用摄像机代替我们自己作为观察点观察物体，摄像机视角下的空间就是视图空间，所以视图矩阵变换和摄像机的位置有很大关系。
glm接口：

View = glm::lookAt(glm::vec3(cx, cy, cz), glm::vec3(tx, ty, tz), glm::vec3(upx, upy, upz));
View 返回的是观察矩阵
0为偏移量
cx,cy,cz为摄像机的坐标
tx,ty,tz为摄像机镜头方向向量
upx,upy,upz为摄像头头方向方向

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投影矩阵

OpenGL ES中常用的投影方式有两种，分别是正交投影与透视投影；

• 正交投影：如图可以看到，正交投影不会对远处物体进行缩放。
  glm接口：

Projection = glm::ortho(T left, T right, T bottom, T top, T zNear, T zFar)

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• 透视投影：如图可以看到，透视投影会对远处物体进行缩放，从而产生了“远小近大”的现象。
  glm接口：

Projection = glm::frustum(T left, T right, T bottom, T top, T nearVal, T farVal)

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高级概念

帧缓冲区（Frame Buffer Object）

简称FBO, FBO本身没有图像存储区。使用时必须帧缓存关联图像（纹理或渲染对象）关联到FBO。可以理解为画板。

顶点缓冲区（Vertex Buffer Object）

简称VBO, VBO是在GPU显存开辟一个内存空间，用于存放顶点各类属性信息，包括顶点坐标，顶点法向量，顶点颜色数据等。好处是渲染时可以直接从显存读取顶点属性信息，不需要从CPU传入，效率更高。

顶点数组缓冲区（Vertex Array Object）

简称VAO, VAO是保存了所有顶点属性信息VBO的引用，本身不存储任何顶点信息。

索引缓冲区（Element Buffer Object）

简称EBO，EBO是在GPU显存开辟一个内存空间，用于存放所有顶点位置索引indices。