OpenGL ES是 OpenGL三維圖形API 的子集，針對(duì)手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)。 Ophone目前支持OpenGL ES 1.0 ，OpenGL ES 1.0 是以 OpenGL 1.3 規(guī)范為基礎(chǔ)的，OpenGL ES 1.1 是以 OpenGL 1.5 規(guī)范為基礎(chǔ)的。本文主要介紹利用OpenGL ES繪制圖形方面的基本步驟。

本文內(nèi)容由三部分構(gòu)成。首先通過EGL獲得OpenGL ES的編程接口;其次介紹構(gòu)建3D程序的基本概念;最后是一個(gè)應(yīng)用程序示例。

OpenGL ES 本質(zhì)上是一個(gè)圖形渲染管線的狀態(tài)機(jī)，而 EGL 則是用于監(jiān)控這些狀態(tài)以及維護(hù)幀緩沖和其他渲染面的外部層。圖1 是一個(gè)典型的 EGL 系統(tǒng)布局圖。EGL 視窗設(shè)計(jì)是基于人們熟悉的用于 Microsoft Windows ( WGL )和 UNIX ( GLX )上的 OpenGL 的 Native 接口，與后者比較接近。 OpenGL ES 圖形管線的狀態(tài)被存儲(chǔ)于 EGL 管理的一個(gè)上下文中。幀緩沖和其他繪制渲染面通過 EGL API 創(chuàng)建、管理和銷毀。 EGL 同時(shí)也控制和提供了對(duì)設(shè)備顯示和可能的設(shè)備渲染配置的訪問。

圖1

OpenGL ES 需要一個(gè)渲染上下文和渲染面。渲染上下文中存儲(chǔ)OpenGL ES的狀態(tài)信息，渲染面用于圖元的繪制。編寫OpenGL ES之前需要EGL的操作有：

查詢?cè)O(shè)備可以支持的顯示句柄，并初始化。

創(chuàng)建渲染面，繪制OpenGL ES圖形。

創(chuàng)建渲染上下文。EGL需要?jiǎng)?chuàng)建OpenGL ES渲染上下文用于關(guān)聯(lián)到某個(gè)渲染面。

Ophone中EGL包括4個(gè)類，分別是EGLDisplay：顯示句柄、EGLConfig：配置類;EGLContext：渲染上下文;的類和EGLSurface：可渲染的視圖類。

EGL可以認(rèn)為成OpenGL ES和本地窗口系統(tǒng)之間的中間層。 本地窗口系統(tǒng)指GNU/Linux上X窗口系統(tǒng)，或者M(jìn)ac OX X's Quartz等。在EGL確定渲染面的類型前，EGL需要和底層的窗口系統(tǒng)進(jìn)行通訊。因?yàn)樵诓煌牟僮飨到y(tǒng)上的窗口系統(tǒng)的不同，EGL提供一個(gè)透明窗口類型，即EGLDisplay。它抽象了各種窗口系統(tǒng)。所以首先要?jiǎng)?chuàng)建、初始化一個(gè)EGLDisplay對(duì)象。

// EGLContext的靜態(tài)方法getEGL獲得EGL實(shí)例
EGL10 egl = (EGL10)EGLContext.getEGL();
//創(chuàng)建EGLDisplay， EGL_DEFAULT_DISPLAY獲得缺省的本地窗口系統(tǒng)類型
EGLDisplay dpy = egl.eglGetDisplay(EGL10.EGL_DEFAULT_DISPLAY);
//初始化EGLDispla的同時(shí)獲得版本號(hào)
int[] version = new int[2];
egl.eglInitialize(dpy, version);

每個(gè) EGLDisplay 在使用前都需要初始化。初始化 EGLDisplay 的同時(shí)能夠得到系統(tǒng)中 EGL 的實(shí)現(xiàn)版本號(hào)。通過版本號(hào)，合理運(yùn)用相應(yīng)OpenGL ES API，可以編寫兼容性良好的程序，以適應(yīng)更多的設(shè)備以及提供最大限度的移植性。初始化函數(shù)原型：
boolean eglInitialize(EGLDisplay display, int[] major_minor)

其中的display是一個(gè)有效的 EGLDisplay實(shí)例。函數(shù)調(diào)用完成時(shí)， major_minor將被賦予當(dāng)前 EGL 版本號(hào)。比如 EGL1.0 ， major_minor[0]為1，major_minor[1]為0。EGLSurface包含了EGL渲染面相關(guān)的所有信息。查詢 EGLSurface配置信息有兩種方法，一是查詢所有的配置信息，從中選擇一個(gè)最為適合的;二是指定好配置信息，由系統(tǒng)給出最佳匹配結(jié)果。一般采用第二種方法。用戶通過configSpec指定出希望獲得的配置，函數(shù)eglChooseConfig通過參數(shù)Configs返回最佳的配置列表。之后利用已獲得的Configs,調(diào)用eglCreateContext創(chuàng)建一個(gè)渲染上下文，該函數(shù)返回EGLContext結(jié)構(gòu)。渲染面EGLSurface的創(chuàng)建通過函數(shù)eglCreateWindowSurface完成。一個(gè)應(yīng)用程序可以創(chuàng)建多個(gè)EGLContext。 eglMakeCurrent就是將某個(gè)渲染上下文綁定到渲染面。查詢函數(shù) eglGetCurrentContext, eglGetCurrentDisplay和eglGetCurrentSurface 分別用于獲得當(dāng)前系統(tǒng)的渲染上下文、顯示句柄和渲染面。最后EGLContext的靜態(tài)方法getGL獲得OpenGL ES的編程接口。下面的程序片段總結(jié)了上述內(nèi)容。

EGL10 egl = (EGL10)EGLContext.getEGL();
EGLDisplay dpy = egl.eglGetDisplay(EGL10.EGL_DEFAULT_DISPLAY); int[] version = new int[2];
egl.eglInitialize(dpy, version);
int[] configSpec = {
EGL10.EGL_RED_SIZE, 5,
EGL10.EGL_GREEN_SIZE, 6,
EGL10.EGL_BLUE_SIZE, 5,
EGL10.EGL_DEPTH_SIZE, 16,
EGL10.EGL_NONE
};
EGLConfig[] configs = new EGLConfig[1];
int[] num_config = new int[1];
egl.eglChooseConfig(dpy, configSpec, configs, 1, num_config);
EGLConfig config = configs[0];
EGLContext context = egl.eglCreateContext(dpy, config,
EGL10.EGL_NO_CONTEXT, null);
EGLSurface surface = egl.eglCreateWindowSurface(dpy, config,
sHolder, null);
egl.eglMakeCurrent(dpy, surface, surface, context);
GL10 gl = (GL10)context.getGL();

構(gòu)建3D圖形的點(diǎn)

點(diǎn)是構(gòu)建3D模型的基礎(chǔ)。 OpenGL ES的內(nèi)部計(jì)算是基于點(diǎn)的。 用點(diǎn)也可以表示光源的位置，物體的位置。一般我們用一組浮點(diǎn)數(shù)來表示點(diǎn)。 例如一個(gè)正方形的4個(gè)頂點(diǎn)可表示為：

float vertices[] = {
-1.0f, 1.0f, 0.0f, //左上
-1.0f, -1.0f, 0.0f, //左下
1.0f, -1.0f, 0.0f, //右下
1.0f, 1.0f, 0.0f, //右上
};

為了提高性能， 需要將浮點(diǎn)數(shù)組存入一個(gè)字節(jié)緩沖中。 所以有了下面的操作：

ByteBuffer vbb = ByteBuffer.allocateDirect(vertices.length * 4);
vbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
FloatBuffer vertexBuffer = vbb.asFloatBuffer();
vertexBuffer.put(vertices);
vertexBuffer.position(0);

其中ByteOrder.nativeOrder()是獲取本機(jī)字節(jié)順序。OpenGL ES有操作圖形渲染管線的函數(shù)，在默認(rèn)情況下這些函數(shù)功能的使用狀態(tài)是處于關(guān)閉的。 啟用和關(guān)閉這些函數(shù)可以用glEnableClientState、glDisableClientState來完成。

// 指定需要啟用定點(diǎn)數(shù)組
gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
// 說明啟用數(shù)組的類型和字節(jié)緩沖，類型為GL_FLOAT
gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, vertexBuffer);
// 不再需要時(shí)，關(guān)閉頂點(diǎn)數(shù)組
gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);

邊

邊是連接兩個(gè)點(diǎn)的一條線，是多邊形面的邊緣。

多邊形

多邊形是由邊構(gòu)成的單閉合環(huán)。 OpenGL ES中的多邊形必須是凸多邊形，即在多邊形的內(nèi)部任意取兩點(diǎn)， 如果連接這兩個(gè)點(diǎn)的線段都在多變的內(nèi)部，這個(gè)多邊形就是凸多邊形。 繪制多邊形時(shí)需要指定渲染的方向, 分為順時(shí)針和逆時(shí)針。 因?yàn)榉较驔Q定了多邊形的朝向， 即正面和背面。 避免渲染那些被遮擋的部分可以了有效提高程序性能。 函數(shù)glFrontFace定義了渲染頂點(diǎn)的方向。

// 設(shè)置CCW方向?yàn)椤罢妗?，CCW即CounterClockWise，逆時(shí)針
glFrontFace(GL_CCW);
// 設(shè)置CW方向?yàn)椤罢妗?，CW即ClockWise，順時(shí)針
glFrontFace(GL_CW);

渲染

有了以上的概念講解后，現(xiàn)在要進(jìn)行最主要的工作—渲染。渲染是把物體坐標(biāo)所指定的圖元轉(zhuǎn)化成幀緩沖區(qū)中的圖像。圖像和頂點(diǎn)坐標(biāo)有著密切的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系通過繪制模式給出。常用到得繪制模式有GL_POINTS、GL_LINE_STRIP、

GL_LINE_LOOP、GL_LINES、 GL_TRIANGLES、GL_TRIANGLE_STRIP、GL_TRIANGLE_FAN。下面分別介紹：
GL_POINTS：把每一個(gè)頂點(diǎn)作為一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理，頂點(diǎn)n即定義了點(diǎn)n，共繪制n個(gè)點(diǎn)。

GL_LINES：把每一個(gè)頂點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的線段，頂點(diǎn)2n-1和2n之間共定義了n個(gè)線段，總共繪制N/2條線段。，如果N為奇數(shù)，則忽略最后一個(gè)頂點(diǎn)。

GL_LINE_STRIP：繪制從第一個(gè)頂點(diǎn)到最后一個(gè)頂點(diǎn)依次相連的一組線段，第n和n+1個(gè)頂點(diǎn)定義了線段n，總共繪制N-1條線段。

GL_LINE_LOOP：繪制從定義第一個(gè)頂點(diǎn)到最后一個(gè)頂點(diǎn)依次相連的一組線段，然后最后一個(gè)頂點(diǎn)與第一個(gè)頂點(diǎn)相連。第n和n+1個(gè)頂點(diǎn)定義了線段n，然后最后一個(gè)線段是由頂點(diǎn)N和1之間定義，總共繪制N條線段。

GL_TRIANGLES：把每三個(gè)頂點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的三角形。頂點(diǎn)3n-2，3n-1和3n定義了第n個(gè)三角形，總共繪制N/3個(gè)三角形。

GL_TRIANGLE_STRIP：繪制一組相連的三角形。對(duì)于奇數(shù)點(diǎn)n，頂點(diǎn)n，n+1和n+2定義了第n個(gè)三角形;對(duì)于偶數(shù)n，頂點(diǎn)n+1，n和n+2定義了第n個(gè)三角形，總共繪制N-2個(gè)三角形。

GL_TRIANGLE_FAN：繪制一組相連的三角形。三角形是由第一個(gè)頂點(diǎn)及其后給定的頂點(diǎn)所確定。頂點(diǎn)1，n+1和n+2定義了第n個(gè)三角形，總共繪制N-2個(gè)三角形。

繪制函數(shù)：

void glDrawArrays(int mode, int first, int count)
void glDrawElements(int mode, int count, int type, Buffer indices)

glDrawArrays創(chuàng)建一個(gè)幾何圖元序列，使用每個(gè)被的數(shù)組中從first開始，到first + count – 1結(jié)束的數(shù)組元素， mode為繪制模式。

glDrawElements使用count個(gè)元素定義一個(gè)圖元序列，type是indices數(shù)組中的數(shù)據(jù)類型，mode為繪制模式，indices數(shù)組存儲(chǔ)頂

點(diǎn)的索引值。

應(yīng)用舉例

利用上面講解的內(nèi)容給出一個(gè)Ophone上繪制一個(gè)3D球形的程序。效果圖如下：

圖2 球形示例

主要的繪制程序：

static private FloatBuffer vertex;//頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的字節(jié)緩沖
static private FloatBuffer normal;//法向量對(duì)應(yīng)的字節(jié)緩沖
float[] lightPos = new float[] {10.0f, 10.0f, 10.0f, 1.0f };//光源的坐標(biāo)
private static final int STEP = 24;//
private static final float RADIUS = 1.0f;//半徑
protected void init(GL10 gl) {
gl.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);//設(shè)置背景顏色
gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, lightPos, 0);
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);//啟用光照
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0); //打開光源
gl.glClearDepthf(1.0f);//設(shè)置深度緩存
gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL);//設(shè)置深度緩存比較函數(shù)，GL_LEQUAL表示新的像素的深度緩存值小于等于當(dāng)前像素的深度緩存值時(shí)通過深度測(cè)試
gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST);//啟用深度緩存
gl.glEnable(GL10.GL_CULL_FACE);
gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);//設(shè)置陰影模式GL_SMOOTH
}
protected void drawFrame(GL10 gl) {
gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT |
GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
gl.glLoadIdentity();
GLU.gluLookAt(gl, 0, 0, 7f, 0f, 0f, 0f, 0f, 1.0f, 0.0f);//
drawSphere(gl, RADIUS, STEP, STEP); //繪制球形
}
public static void gluLookAt (GL10 gl, float eyeX, float eyeY, float eyeZ, float centerX, float centerY, float centerZ, float upX, float upY, float upZ)

它共接受三組坐標(biāo)，分別為eye、 center和up。eye表示我們眼睛在"世界坐標(biāo)系"中的位置，center表示眼睛"看"的那個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，up坐標(biāo)表示觀察者本身的方向,如果將觀察點(diǎn)比喻成我們的眼睛，那么這個(gè)up則表示我們是正立還是倒立異或某一個(gè)角度在看，這里是正立方式，所以是{0，1，0}。

private static void drawSphere(GL10 gl, float radius,
int stacks, int slices) {
vertex=allocateFloatBuffer( 4* 6 * stacks * (slices+1) );
normal=allocateFloatBuffer( 4* 6 * stacks * (slices+1) );
int i, j, triangles;
float slicestep, stackstep;
stackstep = ((float)Math.PI) / stacks;
slicestep = 2.0f * ((float)Math.PI) / slices;
for (i = 0; i < stacks; ++i)
{
float a = i * stackstep;
float b = a + stackstep;
float s0 = (float)Math.sin(a);
float s1 = (float)Math.sin(b);
float c0 = (float)Math.cos(a);
float c1 = (float)Math.cos(b);
float nv;
for (j = 0; j <= slices; ++j)
{
float c = j * slicestep;
float x = (float)Math.cos(c);
float y = (float)Math.sin(c);
nv=x * s0;
normal.put(nv);
vertex.put( nv * radius);
nv=y * s0;
normal.put(nv);
vertex.put( nv * radius);
nv=c0;
normal.put(nv);
vertex.put( nv * radius);
nv=x * s1;
normal.put(nv);
vertex.put( nv * radius);
nv=y * s1;
normal.put(nv);
vertex.put( nv * radius);
nv=c1;
normal.put(nv);
vertex.put( nv * radius);
}
}
normal.position(0);
vertex.position(0);
gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, vertex);
gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, normal);
gl.glEnableClientState (GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
gl.glEnableClientState (GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
triangles = (slices + 1) * 2;
for(i = 0; i < stacks; i++)
gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_STRIP,
i * triangles, triangles);
gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
gl.glDisableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
}
private static FloatBuffer allocateFloatBuffer(int capacity){
ByteBuffer vbb = ByteBuffer.allocateDirect(capacity);
vbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
return vbb.asFloatBuffer();
}

總結(jié)：

本文介紹了Ophone中利用OpenGL ES繪制圖形的基本概念和方法。OpenGL ES中還有很多其他內(nèi)容，諸如紋理、光照和材質(zhì)、混合、霧、蒙板、反射、3D模型的加載等。利用OpenGL ES函數(shù)可以繪制豐富的圖形應(yīng)用和游戲界面。