Android OpenGL 基础入门

　　Android 自从2.2 版本之后之后开始支持OpenGL，在没有支持OpenGL 的 GPU的情况下，也可以使用（通过软件来模拟）。在Android上使用Opengl操作的对象是GLSurfaceView，这是一个继承自View的扩展。

　　在Android上Opengl是通过Vertex Shader 和 Fragment Shader 这两种定点着色器程序来实现图片的加载和渲染的，中文称为定点着色器和片段着色器。一个完整的Opengl程序需要创建定点着色器和片段着色器并将他们Link起来组成一个完整的OpenGL程序。

　　顶点着色器的作用是为每一个顶点生成坐标，因此每个顶点都要运行一遍顶点着色器程序，一旦顶点坐标计算出来之后，OpenGL就能够使用这些顶点来组成点，线，和三角形。所有任意的图形都是由这三种基本元素来描述的。下图是顶点着色器进行坐标转换的过程（稍微有点复杂）：

　　这个过程包含了从原始的对象坐标经过模型视图转换生成眼坐标，再经过投影转换生成裁剪坐标，再通过w坐标的归一化转换成为NDC（顶点坐标由（x,y,z,w）构成，在shader程序中一般用一个四维向量vec4来描述），最终通过视口变换生成屏幕坐标显示在屏幕上。这一系列的转换都是通过矩阵来完成的，转换过程和原理是Opengl的精华内容，对于需要进入3D世界的同学需要掌握。在2D世界中我们只需要了解NDC就行了，这里就把NDC叫做OpenGL 坐标，加上Normalized 的修饰是因为这些坐标的值都在（-1,1)之间，OpenGL坐标表示见下图：

　　OpenGL坐标原点在屏幕中央，左右坐标范围为[-1,1]，在2d环境中坐标值只存在(x,y)，并且坐标范围都只能在-1 到 1之间，屏幕中心坐标为(0,0)。因此如果需要指定一张图片的显示位置，指定坐标需要根据这个坐标系来，此外为了保证图片显示比例（长宽比例），在portrait 到 landscape 之间变换的时候一般需要乘以一个aspectRatio (width / height) 来重新设定坐标值。

　　了解了Opengl坐标，在来了解一下屏幕坐标（屏幕坐标的坐标原点在左上角）和纹理坐标（纹理坐标的坐标原点在左下角）：

屏幕坐标系                

　　纹理坐标系

　　片段着色器的作用是为点，线或者三角形的每一个顶点的片段（Fragment）生成渲染后的最终颜色。片段就是一个小的单色矩形区域，可以简单的认为是屏幕上的一个像素点。

　　以上基本知识基本上可以处理Opengl实现2D图像的绘制和处理。下面来简单看一下Shader的写法，在Android平台上Shader程序一般以字符串的形式出现，或者在res/raw/目录下以*.glsl的格式出现，如果是以单独的文件出现，需要定义专门的文件读入接口来加载Shader程序。这里就介绍一下字符串的形式的Shader程序，来看下面简单的Vertex Shader 和 Fragment Shader：

    private static final String VERTEX_SHADER =
        "attribute vec4 a_position;\n" +
        "attribute vec2 a_texcoord;\n" +
        "varying vec2 v_texcoord;\n" +
        "void main() {\n" +
        "  gl_Position = a_position;\n" +
        "  v_texcoord = a_texcoord;\n" +
        "}\n";

    private static final String FRAGMENT_SHADER =
        "precision mediump float;\n" +
        "uniform sampler2D tex_sampler;\n" +
        "varying vec2 v_texcoord;\n" +
        "void main() {\n" +
        "  gl_FragColor = texture2D(tex_sampler, v_texcoord);\n" +
        "}\n";

　　先看一下VERTEX_SHADER，定义了两种类型的变量 atrribute 和 varying。

　　其中 attribute变量是只能在vertex shader中使用的变量。（它不能在fragment shader中声明attribute变量，也不能被fragment shader中使用），一般用attribute变量来表示一些顶点的数据，这些顶点数据包含了顶点坐标，法线，纹理坐标，顶点颜色等。应用中一般用函数glBindAttribLocation（）来绑定每个attribute变量的位置，然后用函数glVertexAttribPointer()为每个attribute变量赋值。

　　varying被称为易变量，一般用于从Vertex Shader 向 Fragment Shader传递数据，上面例子中在VertexShader中定义了attribute 类型的二维向量a_texcoord，并将该值赋值给varying类型的二维向量 v_texcoord。此外对于Vertex Shader 在main() 中必须将顶点坐标赋值给系统变量gl_Position。

　　看一下FRAGMENT_SHADER，定义了两种类型的变量，uniform 和 varying。此外还多了一句 precision mediump float，这句话用于定义数据精度，Opengl中可以设置三种类型的精度（lowp,medium 和 highp），对于Vertex Shader来说，Opengl使用的是默认最高精度级别（highp），因此没有定义。

　　uniform变量是APP序传递给（vertex和fragment）shader的变量。通过函数glUniform**（）函数赋值的。 在（vertex和fragment）shader程序内部，uniform变量就像是C语言里面的常量（const ），它不能被shader程序修改（shader只能用，不能改）。如果uniform变量在vertex和fragment两者之间声明方式完全一样，则它可以在vertex和fragment共享使用。 （相当于一个被vertex和fragment shader共享的全局变量）uniform变量一般用来表示：变换矩阵，材质，光照参数和颜色等信息。

　　对于Fragment Shader也需对gl_FragColor赋值。

　　现在对基本的Shader有了了解，来看一下Android怎么使用Shader程序。先说明一下Opengl中的资源一般都是用一个句柄（handle）来引用，句柄一般由gl***接口返回，代表一个特定的资源。

　　在Android上使用gl，需要用到一些列接口，这里按照一般的调用顺序来列一下基本的接口（暂不包含错误处理）

　　1. 和创建Shader相关的：glCreateShader -> glShaderSource -> glCompileShader , 通过这几个接口的调用最终返回一个Shader的句柄

　　2. 和创建Shader程序相关的（每个shader程序都必须包含Vertex Shader 和 Fragment Shader两部分）：glCreateProgram -> glAttachShader -> glLinkProgram，通过这些接口的调用最终返回个Program的句柄。

　　3. 获取Shader内部变量赋值和传递数据到gl，对于不同类型的数据使用不同的接口：GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "tex_sampler")，GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "a_texcoord")，以上两个接口中mProgram 代表glCreateProgram返回的 Shader程序句柄，“a_texcoord”和"tex_sampler"是 Vertex Shader和 Fragment Shader中定义的变量，通过这两个接口获取了变量的句柄，便于向这些变量中传入值。获得变量的句柄之后就要向其中传值，一般通过glVertexAttribPointer()来完成，详细参数这里没有列出，在实例代码中可以学习一下，传值之后需要使glEnableVertexAttribArray才能将数据传入到gl中，传入数据使用glDrawArrays() 。

　　这里介绍了Opengl的基本知识，下一篇结合实例介绍一下Opengl在Android上的使用。