Android OpenGL ES 画球体

2022-07-27 12:18:20

最近因为兴趣所向，开始学习OpenGL绘图。本文以“画球体”为点，小结一下最近所学。


> 初识OpenGL ES

接触OpenGL是从Android开始的。众所周知，Android View 是线程不安全的，于是只允许在主线程中对View进行操作。然而假如我们需要实现复杂的界面，特别是开发游戏，在主线程中画大量图像，会耗费比较长的时间，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？），允许用户非主线程操作Canvas，实现View的“异步”刷新。
Canvas类提供了很多画图方法：
drawPoint(...)
drawCircle(...)
drawBitmap(...)
drawRect(...)
drawText(...)
drawOval(...)

然后，如果想要实现比较复杂的效果（比如3D），Canvas就很难胜任了。了解了一下，目前大部分Android游戏都是用OpenGL来实现。

OpenGL是何方神圣？实际上，最终图像(不管是2D还是3D)都是显示在显示屏上，所以最终操作肯定是对一个2D的显示内存进行操作的。而OpenGL就是提供了很多方法，帮助我们定义空间立体模型，然后通过我们输入的各种参数，计算出映射矩阵，最终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。删减了很多不必要的方法，留下了最基本的。


> 使用OpenGL ES画图

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);
参数mode有以下取值：
    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！我们认为，任何空间图形都可以由点,线,或者三角形来表示。
3. glVertexPointer( ... )
定义几何图形的所有顶点方法。调用此方法后，glDrawArrays,glDrawElements方法便会按照顶点画出图形。

因为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：
Android OpenGL ES 画球体Android OpenGL ES 画球体Android OpenGL ES 画球体
根据顶点的顺序，
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，后续顶点分别形成三角形。
我们接下来使用 GL_TRIANGLE_STRIP这种模式画球体。

> 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，祖冲之不也是用这种思想计算出圆周率π吗。当正多边形的边数够多，看起来很像一个圆！
Android OpenGL ES 画球体
于是，我们同样认为，当正多面体的边数够多，看起来很像一个球！
Android OpenGL ES 画球体
好了，思想是有了，但是我们最终并不是通过画正多面体来画。因为看起来，利用正多面体来切割一个球算起来比较麻烦。
如果用经纬线的纵横切割方法，算起来要简单很多！
Android OpenGL ES 画球体
左右两条经线，上下两条纬线构成一个正方形（近似）。正方形可以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模式画图时采用的顶点顺序。
这种切割方法，看起来清晰很多，纵横经纬两层循环遍历所有顶点。
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轴负方向开始，角度不断增加直到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。即可遍历所有顶点。
如下图，a角递增，b角做一个360度变化。
Android OpenGL ES 画球体
如上图，任意球面上的点，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);

> 源码

以下部分参考或者是抄写于：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指令画图
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。我们只要实现android.opengl.GLSurfaceView.Renderer接口即可。

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) {
		// 清楚屏幕和深度缓存
		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);
		// 启动深度测试
		gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST);
		// 所做深度测试的类型
		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
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step = 2.0f
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关于光照效果，我们以后有空再讨论。

Android OpenGL ES 画球体,布布扣,bubuko.com

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