【Qt for Android】OpenGL ES 绘制彩色立方体

Qt 内置对OpenGL ES的支持，选用Qt进行OpenGL ES的开发是非常方便的，许多辅助类都已经具备。从Qt 5.0开始增加了一个QWindow类，该类既可以使用OpenGL绘制3D图形，也可以使用QPainter绘制2D传统的GDI+图形，5.0以前的QGLWidget不推荐再使用。在即将到来（官方时间是今年秋天）Qt 5.4会完全废弃QGLWidget，作为替代将会新增QOpenGLWidget和QOpenGLWindow类来方便OpenGL的编程。

好了废话不多说了，今天我会使用OpenGL ES绘制一个彩色立方体，先在桌面平台编译运行成功后，再针对Android平台编译一次即可，下面是在Android上的运行效果，基于同一个着色器绘制了四个相同的彩色立方体。

为了使用OpenGL，我从QWindow类和QOpenGLFunctions类派生出了一个OpenGLWindow类，该类声明如下：

class OpenGLWindow : public QWindow, protected QOpenGLFunctions
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit OpenGLWindow(QWindow *parent = 0);
    ~OpenGLWindow();

    virtual void initialize();
    virtual void render(QPainter *painter);
    virtual void render(double currentTime = 0.0);      // elapsed seconds from program started.

protected:
    void exposeEvent(QExposeEvent *event);

private:
    QOpenGLPaintDevice *m_device;
    QOpenGLContext *m_context;
    QTime   startTime;
    GLuint m_program;
//    QOpenGLShaderProgram *m_shaderProgram;
 };

由于继承自QWindow因此可以使用QWindow提供的OpenGL环境，不需要EGL来控制本地窗口显示图形。同时由于继承自QOpenGLFunctions，所以在OpenGLWindow类的成员函数中可以直接使用 gl* 风格的原生的OpenGL API。在Qt中提供了很多封装好的OpenGL便捷类，如QOpenGLShaderProgram可以很方便的对着色器程序进行操作，但这样做可能对不熟悉Qt的人不友好，所以这里我不用Qt提供的便捷类，而直接使用原生的C风格的 OpenGL API进行操作，这完全是可以的（这也是我喜欢Qt的原因之一：提供自身类库的同时，允许你使用非Qt的类，并提供二者之间的转换，如Qt中的容器类QVector、QMap、QString可以和C++标准库中的相应容器相互转换）。甚至你可以混合使用Qt的OpenGL类和原生的OpenGL API。

下面看看几个关键的函数。首先是initialize()负责着色器的创建、编译、链接等操作，并设置背景色。代码如下，其中被注释的部分是使用Qt自带类库实现相同的功能。

void OpenGLWindow::initialize()
{
    const char *vertexShaderSrc =
            "attribute vec4 a_position; \n"
            "uniform mat4 u_mvp; \n"
            "varying vec4 v_color; \n"
            "void main()               \n"
            "{                         \n"
            "      v_color = a_position*0.7 + 0.5;  \n"
            "      gl_Position = u_mvp * a_position; \n"
            "}                              \n";
    const char *fragmentShaderSrc =
            "varying vec4 v_color; \n"
            "void main()                    \n"
            "{                              \n"
            "   gl_FragColor = v_color; \n"
            "}                              \n";

    GLuint vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSrc, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);

    GLuint fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSrc, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);

    m_program = glCreateProgram();
    glAttachShader(m_program, vertexShader);
    glAttachShader(m_program, fragmentShader);
    glLinkProgram(m_program);

//    // add vertex shader(compiled internal)
//    m_shaderProgram->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex, vertexShaderSrc);
//    // add fragment shader(compiled internal)
//    m_shaderProgram->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment, fragmentShaderSrc);
//    // link shaders to program
//    m_shaderProgram->link();


    // set the background clear color.
    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
}

再来看看QWindow的QExposeEvent事件，当QWindow需要重绘时会调用该事件的处理函数exposeEvent()，这里我对该事件的处理函数进行了重写。isExposed()用来判断当前窗口是否显示在屏幕上（onScreen or offScreen），只有显示在屏幕上时才重绘（虽然窗口需要重绘，但是由于没有显示在屏幕上，重绘了也没人看得见，所以加这个判断可以减少不必要的绘图操作）。首先创建OpenGL上下文，然后进行调用相应的初始化函数，这两步只在第一次被执行，以后不会再执行。接下来是该函数的核心部分，调用render()函数在后端缓冲区进行图形渲染，然后交换前端和后端缓冲区，让后端缓冲区图形显示到界面上。

void OpenGLWindow::exposeEvent(QExposeEvent *event)
{
    Q_UNUSED(event)
    static bool needInit = true;

    // Returns true if this window is exposed in the windowing system.
    if (isExposed())
    {
        if (m_context == nullptr)
        {
            m_context = new QOpenGLContext(this);
            m_context->setFormat(requestedFormat());
            m_context->create();
        }
        m_context->makeCurrent(this);

        if (needInit)
        {
            initializeOpenGLFunctions();
            this->initialize();
            needInit = false;
        }

        // calculate elapsed seconds from program started.
        double duration = startTime.msecsTo(QTime::currentTime()) / 1000.0;
        render(duration);

        m_context->swapBuffers(this);
    }
}

最后看看render()渲染函数，这个也是学习OpenGL的主要部分。

在render()函数的开始部分创建了一个QOpenGLPaintDevice实例，该示例用于绘制QPainter的绘图操作，这里可以忽略，删掉也可以。接下来就是定义立方体的顶点位置，以及顶点索引。创建2个顶点缓冲区对象(vertex buffer object)，通过glBufferData()函数将立方体的顶点位置和顶点所以放到顶点缓冲区对象中，将顶点位置通过glVertexAttribPointer()传递给顶点着色器。计算model/view/projection，然后将结果通过glUniformMatrix4fv()传递给顶点着色器中的mvp，最后使用glDrawElement()绘制立方体。立方体每个点的颜色由其所在的位置决定，所以不同位置的顶点具有不同颜色。

void OpenGLWindow::render(double currentTime)
{
    if (m_device == nullptr)
        m_device = new QOpenGLPaintDevice;
    m_device->setSize(this->size());

    static GLfloat vCubeVertices[] = {
        -0.5f,  0.5f,  0.5f,  // v0
        -0.5f, -0.5f,  0.5f,  // v1
         0.5f, -0.5f,  0.5f,  // v2
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  // v3
         0.5f, -0.5f, -0.5f,  // v4
         0.5f,  0.5f, -0.5f,  // v5
        -0.5f,  0.5f, -0.5f,  // v6
        -0.5f, -0.5f, -0.5f, // v7
    };
    static GLushort vCubeIndices[] = {
        0, 1, 2, 0, 2, 3,   // front face
        5, 6, 7, 4, 5, 7,   // back face
        0, 1, 7, 0, 6, 7,   // left face
        2, 3, 4, 3, 4, 5,   // right face
        0, 3, 5, 0, 5, 6,   // top face
        1, 2, 4, 1, 4, 7    // bottom face
    };

    glViewport(0, 0, width(), height());
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    glUseProgram(m_program);

    GLuint vbos[2];
    glGenBuffers(2, vbos);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vCubeVertices), vCubeVertices, GL_STATIC_DRAW);

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(vCubeIndices), vCubeIndices, GL_STATIC_DRAW);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
    glBindAttribLocation(m_program, 0, "a_position");

    static GLfloat angle = 0.0;
    GLuint mvpLoc = glGetUniformLocation(m_program, "u_mvp");
    QMatrix4x4 model, view, projection, mvp;
    model.rotate(angle + 5, QVector3D(1,0,0));
    model.rotate(angle - 5, QVector3D(0,1,0));
    model.scale(0.5, 0.5, 0.5);
    view.translate(0.5, 0.5, 0);
    angle += 10;
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    /* draw another cube in different place with the same shader */
    view.translate(-1.0, 0, 0);
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    view.translate(0.0, -1.0, 0);
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    view.translate(1.0, 0, 0);
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    QPainter painter(m_device);
    render(&painter);

    glDeleteBuffers(2, vbos);
}

好了大致就这样了~