OpenGL/OpenGL ES入门: 使用OpenGL ES 渲染图片

OpenGL/OpenGL ES入门: 使用OpenGL ES 渲染图片

OpenGL小彩虹2021-07-11 20:35:34180A+A-

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OpenGL ES 渲染图片

在前面几篇文章中,我们使用了OpenGLGLKit等方式去渲染一张图片,这篇文章我们使用OpenGL ES来渲染一张图片的显示。

帧缓冲区对象(FrameBuffer)

OpenGL将绘制帧缓冲区到一个对象所需要的状态进行了封装,成为帧缓冲区对象(FBO)。 虽然帧缓冲区的名字包含一个“缓冲区”字眼,但是其实它不是缓冲区。实际上,并不存在与一个帧缓冲区对象相关联的真正内存存储空间。帧缓冲区对象是一种容器,它可以保存其他确实有内存存储并且可以进行渲染的对象,例如渲染缓冲区(RBO)和纹理缓冲区(TBO)。采用这种方式,帧缓冲区对象能够在保存OpenGL管线的输出时将需要的状态和表面绑定到一起。

使用FBO时,需要先添加图像,才能渲染到一个FBO。一旦一个FBO被创建、设置和绑定。大多数OpenGL操作就像是在渲染到一个窗口一样执行,但是输出结果将存储在绑定到FBO的图像中。

同一时间只有一个FBO可以绑定用来进行绘制,并且同一时间只有一个FBO可以绑定来进行读取。

创建新的FBO

GLuint buffer;
glGenFramebuffers(1, &buffer);
// 然后在绑定一个新的FBO来修改和使用
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, buffer);
// 将渲染缓存区RenderBuffer通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到 GL_COLOR_ATTACHMENT0上。
glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, buffer);

生成帧缓冲区之后,则需要将renderbufferframebuffer进行绑定,调用glFramebufferRenderbuffer函数进行绑定到对应的附着点上,后面的绘制才能起作用

绑定到GL_FRAMEBUFFER目标后,接下来所有的读、写帧缓冲的操作都会影响到当前绑定的帧缓冲。 也可以把帧缓冲分开绑定到读或写目标上,分别使用GL_READ_FRAMEBUFFERGL_DRAW_FRAMEBUFFER来做这件事。如果绑定到了GL_READ_FRAMEBUFFER,就能执行所有读取操作,像glReadPixels这样的函数使用了;绑定到GL_DRAW_FRAMEBUFFER上,就允许进行渲染、清空和其他的写入操作。大多数时候你不必分开用,通常把两个都绑定到GL_FRAMEBUFFER上就行

销毁FBO 在使用完FBO,或者在退出前进行清除时,要删除。

glDeleteFramebuffers(1, &buffer);

渲染缓冲区对象(RenderBuffer,RBO)

一个renderbuffer对象是通过应用分配的一个2D图像缓冲区。renderbuffer能够被用来分配和存储颜色、深度或模版值。也能够在一个framebuffer被用作颜色、深度、模版的附件。一个renderbuffer是一个类似于屏幕窗口系统提供可绘制的表面,可以为给定的FBO挑选需要的任意RBO组合。

FBO类似,RBO需要先进行绑定才能修改。绑定渲染缓冲区唯一合法目标时GL_RENDERBUFFER.

gluint buffer;
glGenRenderbuffers(1, &buffer);
glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, buffer);

OpenGL ES 渲染图片代码实例

案例目标

  • EAGL创建屏幕上的渲染表面
  • 加载顶点/片元着色器
  • 创建一个程序对象,并链接顶点/片元着色器,并链接程序对象
  • 设置视口
  • 清除颜色缓冲区
  • 渲染简单图元
  • 使颜色缓冲区的内容在EAGL窗口表现呈现

图片渲染实现流程图

OpenGL ES 渲染图片思维导图

具体代码实现

创建着色器文件

Xcode中,新建一个空白文件,如下

然后命名

文件的名字自己可以随便定义,且它的后缀名也可以自己随便定义为字符串,建议最好能够关联,比如这里的顶点着色器命名为 vsh

顶点着色器代码

// 顶点坐标
attribute vec4 position;
// 纹理坐标
attribute vec2 textCoordinate;
// 纹理坐标
varying lowp vec2 varyTextCoord;
void main() {
    varyTextCoord = textCoordinate;
    gl_Position = position;
}

这里文件里最好不要写注释,可能会出现莫名的错误。且这里没有代码提示,所以需要保证这里代码的准确性。

main函数中,通过varying修饰的varyTextCoord将纹理坐标传递到片元着色器。 最后给内建变量gl_Position赋值,这一步切记不能忘,不然所有操作都徒劳无功。

片元着色器代码

// 纹理坐标
varying lowp vec2 varyTextCoord;
// 纹理采样器(获取对应的纹理ID)
uniform sampler2D colorMap;
void main() {
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
}

texture2D(纹理采样器,纹理坐标)获取对应坐标的纹理的像素,gl_FragColor也是内建变量,这一步也不能忘记写。

设置图层

    // 创建特殊图层
    self.myEagLayer = (CAEAGLLayer *)self.layer;
    // 设置scale
    [self setContentScaleFactor:[[UIScreen mainScreen]scale]];
    // 设置属性
    self.myEagLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@false,kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking, kEAGLColorFormatRGBA8,kEAGLDrawablePropertyColorFormat,nil];

CAEAGLLayer是专门提供给OpenGL专门使用的一个特殊图层,此外必要要重写layerClass,将图层CALayer替换成CAEAGLLayer

+ (Class)layerClass {
    return [CAEAGLLayer class];
}

如果不写,则会出现下面的错误提示:

然后进行设置描述属性,kEAGLDrawablePropertyRetainedBackingkEAGLDrawablePropertyColorFormat

kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking表示绘图表面显示后,是否保留其内容。
kEAGLDrawablePropertyColorFormat则表示可绘制表面的内部颜色缓存区格式,这个key对应的值是一个NSString指定特定颜色缓存区对象。默认是kEAGLColorFormatRGBA8

kEAGLColorFormatRGBA8:32位RGBA的颜色,4*8=32位.
kEAGLColorFormatRGB565:16位RGB的颜色,
kEAGLColorFormatSRGBA8:sRGB代表了标准的红、绿、蓝,即CRT显示器、LCD显示器、投影机、打印机以及其他设备中色彩再现所使用的三个基本色素。sRGB的色彩空间基于独立的色彩坐标,可以使色彩在不同的设备使用传输中对应于同一个色彩坐标体系,而不受这些设备各自具有的不同色彩坐标的影响。

设置上下文

    // 指定OpenGL ES 渲染API版本,我们使用3.0
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES3;
    // 创建图形上下文
    EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc]initWithAPI:api];
    // 判断是否创建成功
    if (!context) {
        NSLog(@"Create context failed!");
        return;
    }
    // 设置图形上下文
    if (![EAGLContext setCurrentContext:context]) {
        NSLog(@"setCurrentContext failed!");
        return;
    }
    // 将局部context,变成全局的
    self.myContext = context;

清空缓存区

    glDeleteBuffers(1, &_myColorRenderBuffer);
    self.myColorRenderBuffer = 0;
    glDeleteBuffers(1, &_myColorFrameBuffer);
    self.myColorFrameBuffer = 0;

buffer分为framebufferrenderbuffer。其中framebuffer相当于renderbuffer的管理者。frame buffer object 即称为FBOrenderbuffer则又可以分为三种:colorBufferdepthBufferstencilBuffer.

设置RenderBuffer

    GLuint buffer;
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    self.myColorRenderBuffer = buffer;
    
    // 将标识符绑定到GL_RENDERBUFFER
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
    // 将可绘制对象drawable object's CAEAGLLayer的存储绑定到OpenGL ES renderBuffer对象 [self.myContext renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:self.myEagLayer]; 

设置FrameBuffer

    GLuint buffer;
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    self.myColorFrameBuffer = buffer;
    
    // 将标识符绑定到GL_FRAMEBUFFER
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, self.myColorFrameBuffer);
    
    // 将渲染缓存区myColorRenderBuffer 通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到 GL_COLOR_ATTACHMENT0上。
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);

生成帧缓存区之后,则需要将renderbufferframebuffer进行绑定,调用glFramebufferRenderbuffer函数进行绑定到对应的附着点上,后面的绘制才能起作用

绘制

进行绘制的常规步骤:

  • 设置清屏颜色、清屏、视口大小
    // 设置清屏颜色
    glClearColor(0.3f, 0.45f, 0.5f, 1.0f);
    // 清除屏幕
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    // 设置视口大小
    CGFloat scale = [[UIScreen mainScreen]scale];
    glViewport(self.frame.origin.x * scale, self.frame.origin.y * scale, self.frame.size.width * scale, self.frame.size.height * scale);
  • 读取顶点着色程序、片元着色程序
    NSString *vertFile = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"shaderv" ofType:@"vsh"];
    NSString *fragFile = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"shaderf" ofType:@"fsh"];
  • 加载shader
- (GLuint)loadShaders:(NSString *)vert Withfrag:(NSString *)frag {
    // 定义2个临时着色器对象
    GLuint verShader, fragShader;
    // 创建program
    GLint program = glCreateProgram();
    
    // 编译顶点着色程序、片元着色器程序
    //参数1:编译完存储的底层地址
    //参数2:编译的类型,GL_VERTEX_SHADER(顶点)、GL_FRAGMENT_SHADER(片元)
    //参数3:文件路径
    [self compileShader:&verShader type:GL_VERTEX_SHADER file:vert];
    [self compileShader:&fragShader type:GL_FRAGMENT_SHADER file:frag];
    
    // 创建最终的程序
    glAttachShader(program, verShader);
    glAttachShader(program, fragShader);
    
    // 释放不需要的shader
    glDeleteShader(verShader);
    glDeleteShader(fragShader);
    return program;
}
  • 编译shader
- (void)compileShader:(GLuint *)shader type:(GLenum)type file:(NSString *)file {
    // 读取文件路径字符串
    NSString* content = [NSString stringWithContentsOfFile:file encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
    const GLchar* source = (GLchar *)[content UTF8String];
    
    // 创建一个shader(根据type类型)
    *shader = glCreateShader(type);
    
    // 将着色器源码附加到着色器对象上。
    //参数1:shader,要编译的着色器对象 *shader
    //参数2:numOfStrings,传递的源码字符串数量 1个
    //参数3:strings,着色器程序的源码(真正的着色器程序源码)
    //参数4:lenOfStrings,长度,具有每个字符串长度的数组,或NULL,这意味着字符串是NULL终止的
    glShaderSource(*shader, 1, &source,NULL);
    
    // 把着色器源代码编译成目标代码
    glCompileShader(*shader);
}
  • 链接、使用glLinkProgram
    // 链接(这里的self.myPrograme就是在上面加载得到的)
    glLinkProgram(self.myPrograme);
    GLint linkStatus;
    // 获取链接状态
    glGetProgramiv(self.myPrograme, GL_LINK_STATUS, &linkStatus);
    if (linkStatus == GL_FALSE) {
        // 打印报错信息
        GLchar message[512];
        glGetProgramInfoLog(self.myPrograme, sizeof(message), 0, &message[0]);
        NSString *messageString = [NSString stringWithUTF8String:message];
        NSLog(@"Program Link Error:%@",messageString);
        return;
    }
    
    NSLog(@"Program Link Success!");
    // 使用program
    glUseProgram(self.myPrograme);
  • 设置顶点、纹理坐标,并处理
    // 前3个是顶点坐标,后2个是纹理坐标
    GLfloat attrArr[] =
    {
        0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
        -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, -1.0f,    0.0f, 0.0f,
        
        0.5f, 0.5f, -1.0f,      1.0f, 1.0f,
        -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
        0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
    };
    
    
    // -----处理顶点数据--------
    // 1.顶点缓存区
    GLuint attrBuffer;
    // 2.申请一个缓存区标识符
    glGenBuffers(1, &attrBuffer);
    // 3.将attrBuffer绑定到GL_ARRAY_BUFFER标识符上
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, attrBuffer);
    // 4.把顶点数据从CPU内存复制到GPU上
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(attrArr), attrArr, GL_DYNAMIC_DRAW);

    // 将顶点数据通过myPrograme中的传递到顶点着色程序的position
    // 1.glGetAttribLocation,用来获取vertex attribute的入口的.
    // 2.告诉OpenGL ES,通过glEnableVertexAttribArray,
    // 3.最后数据是通过glVertexAttribPointer传递过去的。
    
    // 注意:第二参数字符串必须和shaderv.vsh中的输入变量:position保持一致
    GLuint position = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "position");
    
    // 设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(position);
    
    // 设置读取方式
    //参数1:index,顶点数据的索引
    //参数2:size,每个顶点属性的组件数量,1,2,3,或者4.默认初始值是4.
    //参数3:type,数据中的每个组件的类型,常用的有GL_FLOAT,GL_BYTE,GL_SHORT。默认初始值为GL_FLOAT
    //参数4:normalized,固定点数据值是否应该归一化,或者直接转换为固定值。(GL_FALSE)
    //参数5:stride,连续顶点属性之间的偏移量,默认为0;
    //参数6:指定一个指针,指向数组中的第一个顶点属性的第一个组件。默认为0
    glVertexAttribPointer(position, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, NULL);
    
    
    // ----处理纹理数据-------
    // glGetAttribLocation,用来获取vertex attribute的入口的.
    //注意:第二参数字符串必须和shaderv.vsh中的输入变量:textCoordinate保持一致
    GLuint textCoor = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "textCoordinate");
    
    // 设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(textCoor);
    
    // 设置读取方式
    //参数1:index,顶点数据的索引
    //参数2:size,每个顶点属性的组件数量,1,2,3,或者4.默认初始值是4.
    //参数3:type,数据中的每个组件的类型,常用的有GL_FLOAT,GL_BYTE,GL_SHORT。默认初始值为GL_FLOAT
    //参数4:normalized,固定点数据值是否应该归一化,或者直接转换为固定值。(GL_FALSE)
    //参数5:stride,连续顶点属性之间的偏移量,默认为0;
    //参数6:指定一个指针,指向数组中的第一个顶点属性的第一个组件。默认为0
    glVertexAttribPointer(textCoor, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat)*5, (float *)NULL + 3);

这部分代码,在之前的篇章中都详细的讲解过,所以这里不再着重解释,代码中的注释,也能过帮助你很好的理解。

  • 加载纹理
    // 将 UIImage 转换为 CGImageRef
    CGImageRef spriteImage = [UIImage imageNamed:fileName].CGImage;
    
    //判断图片是否获取成功
    if (!spriteImage) {
        NSLog(@"Failed to load image %@", fileName);
        exit(1);
    }
    
    // 读取图片的大小,宽和高
    size_t width = CGImageGetWidth(spriteImage);
    size_t height = CGImageGetHeight(spriteImage);
    
    // 获取图片字节数 宽*高*4(RGBA)
    GLubyte * spriteData = (GLubyte *) calloc(width * height * 4, sizeof(GLubyte));
    
    // 创建上下文
    /*
     参数1:data,指向要渲染的绘制图像的内存地址
     参数2:width,bitmap的宽度,单位为像素
     参数3:height,bitmap的高度,单位为像素
     参数4:bitPerComponent,内存中像素的每个组件的位数,比如32位RGBA,就设置为8
     参数5:bytesPerRow,bitmap的没一行的内存所占的比特数
     参数6:colorSpace,bitmap上使用的颜色空间  kCGImageAlphaPremultipliedLast:RGBA
     */
    CGContextRef spriteContext = CGBitmapContextCreate(spriteData, width, height, 8, width*4,CGImageGetColorSpace(spriteImage), kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    

    // 在CGContextRef上--> 将图片绘制出来
    /*
     CGContextDrawImage 使用的是Core Graphics框架,坐标系与UIKit 不一样。UIKit框架的原点在屏幕的左上角,Core Graphics框架的原点在屏幕的左下角。
     CGContextDrawImage 
     参数1:绘图上下文
     参数2:rect坐标
     参数3:绘制的图片
     */
    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, width, height);
   
    // 使用默认方式绘制
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);
   
    // 画图完毕就释放上下文
    CGContextRelease(spriteContext);
    
    // 绑定纹理到默认的纹理ID(
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    
    // 设置纹理属性
    /*
     参数1:纹理维度
     参数2:线性过滤、为s,t坐标设置模式
     参数3:wrapMode,环绕模式
     */
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR );
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR );
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    
    float fw = width, fh = height;
    
    // 载入纹理2D数据
    /*
     参数1:纹理模式,GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
     参数2:加载的层次,一般设置为0
     参数3:纹理的颜色值GL_RGBA
     参数4:宽
     参数5:高
     参数6:border,边界宽度
     参数7:format
     参数8:type
     参数9:纹理数据
     */
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, fw, fh, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, spriteData);
    
    //11.释放spriteData
    free(spriteData);   

上面代码绘制出来的图片是翻转过来的,原因在代码中也有注释,CGContextDrawImage 使用的是Core Graphics框架,坐标系与UIKit 不一样。UIKit框架的原点在屏幕的左上角,Core Graphics框架的原点在屏幕的左下角。

解决图片翻转问题

利用下面代码,可修改这个问题

    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, width, height);
    CGContextTranslateCTM(spriteContext, 0, rect.size.height);
    CGContextScaleCTM(spriteContext, 1.0, -1.0);
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);

原因解释:
第一步:
CGContextTranslateCTM(spriteContext, 0, rect.size.height);,在y轴方向移动rect.size.height的距离

第二步:
CGContextScaleCTM(spriteContext, 1.0, -1.0);,这句代码表示在y轴方向进行旋转,效果如下图

经过上面2个步骤,图形即可翻转过来。

设置纹理采样器、绘图、从渲染缓冲区显示到屏幕上

    // 设置纹理采样器 sampler2D
    glUniform1i(glGetUniformLocation(self.myPrograme, "colorMap"), 0);
    
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
    
    // 从渲染缓冲区显示到屏幕上
    [self.myContext presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];

最终效果图:

未翻转:

翻转后:

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