什么是OpenGL ES？

OpenGL（全寫(xiě)Open Graphics Library）是指定義了一個(gè)跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)的編程接口規(guī)格的專(zhuān)業(yè)的圖形程序接口。它用于三維圖像（二維的亦可），是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖形庫(kù)。

OpenGL在不同的平臺(tái)上有不同的實(shí)現(xiàn)，但是它定義好了專(zhuān)業(yè)的程序接口，不同的平臺(tái)都是遵照該接口來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，思想完全相同，方法名也是一致的，所以使用時(shí)也基本一致，只需要根據(jù)不同的語(yǔ)言環(huán)境稍有不同而已。OpenGL這套3D圖形API從1992年發(fā)布的1.0版本到目前最新2014年發(fā)布的4.5版本，在眾多平臺(tái)上多有著廣泛的使用。

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 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)。

OpenGL ES相對(duì)于OpenGL來(lái)說(shuō)，減少了許多不是必須的方法和數(shù)據(jù)類(lèi)型，去掉了不必須的功能，對(duì)代價(jià)大的功能做了限制，比OpenGL更為輕量。在OpenGL ES的世界里，沒(méi)有四邊形、多邊形，無(wú)論多復(fù)雜的圖形都是由點(diǎn)、線(xiàn)和三角形組成的，也去除了glBegin/glEnd等方法。

OpenGL ES可以做什么？

OpenGL ES是手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備三維（二維也包括）圖形處理的API，當(dāng)然是用來(lái)在嵌入式設(shè)備上的圖形處理了，OpenGL ES 強(qiáng)大的渲染能力使其成為我們?cè)谇度胧皆O(shè)備上進(jìn)行圖形處理的優(yōu)良選擇。我們經(jīng)常使用的場(chǎng)景有：

• 圖片處理。比如圖片色調(diào)轉(zhuǎn)換、美顏等。
• 攝像頭預(yù)覽效果處理。比如美顏相機(jī)等。
• 視頻處理。攝像頭預(yù)覽效果處理可以，這個(gè)自然也不在話(huà)下了。
• 3D游戲。比如神廟逃亡、都市賽車(chē)等。

OpenGL ES版本及Android支持情況

OpenGL ES當(dāng)前主要版本有1.0/1.1/2.0/3.0/3.1。這些版本的主要情況如下：

OpenGL ES1.0是基于OpenGL 1.3的，OpenGL ES1.1是基于OpenGL 1.5的。Ａndroid
1.0和更高的版本支持這個(gè)API規(guī)范。OpenGL ES 1.x是針對(duì)固定硬件管線(xiàn)的。
OpenGL ES2.0是基于OpenGL 2.0的，不兼容OpenGL ES 1.x。Android 2.2(API 8)和更高的版本支持這個(gè)API規(guī)范。OpenGL ES 2.x是針對(duì)可編程硬件管線(xiàn)的。
OpenGL ES3.0的技術(shù)特性幾乎完全來(lái)自O(shè)penGL 3.x的，向下兼容OpenGL ES 2.x。Android 4.3(API 18)及更高的版本支持這個(gè)API規(guī)范。
OpenGL ES3.1基本上可以屬于OpenGL 4.x的子集，向下兼容OpenGL ES3.0/2.0。Android 5.0（API 21）和更高的版本支持這個(gè)API規(guī)范。

OpenGL ES 2.0的優(yōu)點(diǎn)

由于OpenGL ES 3.x都向下兼容OpenGL ES 2.0，加上當(dāng)前Android手機(jī)主流雖然是4.4+，但是依舊不乏存在Android2.3、Android4.0的“老爺機(jī)”。所以學(xué)習(xí)OpenGL ES選擇2.0版本是一個(gè)相對(duì)最佳的選擇。當(dāng)然，雖然OpenGL ES 2.0并不兼容OpenGL ES 1.x，但是它們?cè)谑褂蒙嫌兄芏喙餐ㄖ帯?br />相對(duì)OpenGL ES 1.x，OpenGL ES 2.0進(jìn)行了大變革，更具靈活性，功能也更強(qiáng)大，并且渲染效率更高，效果更好。當(dāng)然，靈活性可能會(huì)讓你覺(jué)得使用起來(lái)比OpenGL ES 1.x復(fù)雜許多。
OpenGL ES 2.0中的“頂點(diǎn)著色器”取代了OpenGL ES 1.x中的“變換和光照階段”，“片元著色器”取代了“紋理顏色和環(huán)境求和”、“霧”、“Alpha測(cè)試”等階段。使得原來(lái)又OpenGL ES 1.x固定的階段需要用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)著色器處理，雖然在一定的程度上增加了代碼復(fù)雜度，但是靈活性卻大大增加，同時(shí)也能夠處理OpenGL ES 1.x中難以完成的處理任務(wù)。
下圖是OpenGL ES 1.x的固定渲染管線(xiàn)及OpenGL ES 2.0的可編程渲染管線(xiàn)圖：

OpenGL ES 2.0中基本概念

學(xué)習(xí)OpenGL ES 2.0需要知道OpenGL ES 2.0相關(guān)的一些概念及知識(shí)。
在上段中提到了OpenGL ES 2.0相對(duì)1.x全新的兩個(gè)重要東西——頂點(diǎn)著色器和片元著色器。

頂點(diǎn)著色器

著色器（Shader）是在GPU上運(yùn)行的小程序。從名稱(chēng)可以看出，可通過(guò)處理它們來(lái)處理頂點(diǎn)。此程序使用OpenGL ES SL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。它是一個(gè)描述頂點(diǎn)或像素特性的簡(jiǎn)單程序。
對(duì)于發(fā)送給GPU的每一個(gè)頂點(diǎn)，都要執(zhí)行一次頂點(diǎn)著色器。其功能是把每個(gè)頂點(diǎn)在虛擬空間中的三維坐標(biāo)變換為可以在屏幕上顯示的二維坐標(biāo)，并帶有用于z-buffer的深度信息。頂點(diǎn)著色器可以操作的屬性有：位置、顏色、紋理坐標(biāo)，但是不能創(chuàng)建新的頂點(diǎn)。

頂點(diǎn)著色器的輸入輸出模型如下：

片元著色器

片元著色器計(jì)算每個(gè)像素的顏色和其它屬性。它通過(guò)應(yīng)用光照值、凹凸貼圖，陰影，鏡面高光，半透明等處理來(lái)計(jì)算像素的顏色并輸出。它也可改變像素的深度(z-buffering)或在多個(gè)渲染目標(biāo)被激活的狀態(tài)下輸出多種顏色。一個(gè)片元著色器不能產(chǎn)生復(fù)雜的效果，因?yàn)樗辉谝粋€(gè)像素上進(jìn)行操作，而不知道場(chǎng)景的幾何形狀。
片元著色器的輸入輸出模型如下：

著色器語(yǔ)言

著色器語(yǔ)言（Shading Language）是一種高級(jí)的圖形編程語(yǔ)言，僅適合于GPU編程，其源自應(yīng)用廣泛的C語(yǔ)言。對(duì)于頂點(diǎn)著色器和片元著色器的開(kāi)發(fā)都需要用到著色器語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。它是面向過(guò)程的而非面向?qū)ο蟆?br />關(guān)于著色器語(yǔ)言中的變量、語(yǔ)法在以后使用過(guò)程中會(huì)提及。想要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)著色器語(yǔ)言，請(qǐng)查閱其他相關(guān)博文和書(shū)籍。

坐標(biāo)系

OpenGL ES采用的是右手坐標(biāo)，選取屏幕中心為原點(diǎn)，從原點(diǎn)到屏幕邊緣默認(rèn)長(zhǎng)度為1，也就是說(shuō)默認(rèn)情況下，從原點(diǎn)到（1,0,0）的距離和到（0,1,0）的距離在屏幕上展示的并不相同。即向右為X正軸方向，向左為X負(fù)軸方向，向上為Y軸正軸方向，向下為Y軸負(fù)軸方向，屏幕面垂直向上為Z軸正軸方向，垂直向下為Z軸負(fù)軸方向。

圖形的繪制

前面提到OpenGL ES2.0的世界里面只有點(diǎn)、線(xiàn)、三角形，其它更為復(fù)雜的幾何形狀都是由三角形構(gòu)成的。包括正方形、圓形、正方體、球體等。但是其他更為復(fù)雜的物體，我們不可能都自己去用三角形構(gòu)建，這個(gè)時(shí)候就需要通過(guò)加載利用其他軟件（比如3DMax）構(gòu)建的3D模型。

投影

OpenGL ES 的世界是3D的，但是手機(jī)屏幕能夠給我展示的終究是一個(gè)平面，只不過(guò)是在繪制的過(guò)程中利用色彩和線(xiàn)條讓畫(huà)面呈現(xiàn)出3D的效果。OpenGL ES將這種從3D到2D的轉(zhuǎn)換過(guò)程利用投影的方式使計(jì)算相對(duì)使用者來(lái)說(shuō)變得簡(jiǎn)單可設(shè)置。
OpenGL ES中有兩種投影方式：正交投影和透視投影。正交投影，物體不會(huì)隨距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位置而大小發(fā)生變化。而透視投影，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，物體越小，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)越近，物體越大。

光照

如果利用直接給出顏色的方式來(lái)對(duì)3D場(chǎng)景中的物體進(jìn)行著色渲染，很難使3D場(chǎng)景擁有較強(qiáng)的真實(shí)感。一般來(lái)說(shuō)，曲面物體比平面物體更能體現(xiàn)出光照效果。想用數(shù)學(xué)模型完全模擬真實(shí)世界的光照情況是很難的，而OpenGL ES 2.0采用的光照模型相對(duì)真實(shí)世界的光照是進(jìn)行了很大的簡(jiǎn)化。在OpenGL ES 2.0中，光照由三種元素組成（也可以說(shuō)是三種通道組成），分別為環(huán)境光、鏡面光及散射光。

環(huán)境光是指從四面八方照射到物體上，其具體公式為：

環(huán)境光照射結(jié)果=材質(zhì)反射系數(shù)∗環(huán)境光強(qiáng)度

散射光是指現(xiàn)實(shí)世界中組草的物體表面被光照射時(shí)，反射光在各個(gè)方向基本均勻的情況，其具體公式為：

散射光照射結(jié)果=材質(zhì)的反射系數(shù)∗散射光強(qiáng)度∗max(cos(入射角)，0)

實(shí)際開(kāi)發(fā)中往往分兩步計(jì)算：  

散射光最終強(qiáng)度=散射光強(qiáng)度∗max(cos(入射角)，0)

散射光照射結(jié)果=材質(zhì)的反射系數(shù)∗散射光最終強(qiáng)度

鏡面光是指現(xiàn)實(shí)世界中光滑的表面被照射時(shí)會(huì)有方向很集中的反射光，與散射光最終強(qiáng)度依賴(lài)于入射光與被照射點(diǎn)的法向量夾角不同，鏡面光的強(qiáng)度還依賴(lài)于觀(guān)察者的位置，具體公式如下：

實(shí)際開(kāi)發(fā)中也是往往分兩步計(jì)算：  

紋理映射

現(xiàn)實(shí)世界中的物體往往是絢麗多彩的，要模擬現(xiàn)實(shí)世界的絢麗多彩，繪制出更加真實(shí)、酷炫的3D物體，就需要用到紋理映射了。紋理映射是將2D的紋理映射到3D場(chǎng)景中的立體物體上。

其它

其它更多的諸如3D模型加載、貼圖、陰影、粒子、混合與霧、標(biāo)志板、天空盒和與天空穹等知識(shí)后續(xù)學(xué)習(xí)使用時(shí)再詳細(xì)介紹。

OpenGL ES 2.0過(guò)程及理解

從OpenGL ES 2.0的渲染管線(xiàn)圖中，可以看到OpenGL ES 2.0渲染過(guò)程為：
讀取頂點(diǎn)數(shù)據(jù)——執(zhí)行頂點(diǎn)著色器——組裝圖元——光柵化圖元——執(zhí)行片元著色器——寫(xiě)入幀緩沖區(qū)——顯示到屏幕上。

• OpenGL作為本地庫(kù)直接運(yùn)行在硬件上，沒(méi)有虛擬機(jī)，也沒(méi)有垃圾回收或者內(nèi)存壓縮。在Java層定義圖像的數(shù)據(jù)需要能被OpenGL存取，因此，需要把內(nèi)存從Java堆復(fù)制到本地堆。
• 頂點(diǎn)著色器是針對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)都會(huì)執(zhí)行的程序，是確定每個(gè)頂點(diǎn)的位置。同理，片元著色器是針對(duì)每個(gè)片元都會(huì)執(zhí)行的程序，確定每個(gè)片元的顏色。
• 著色器需要進(jìn)行編譯，然后鏈接到OpenGL程序中。一個(gè)OpenGL的程序就是把一個(gè)頂點(diǎn)著色器和一個(gè)片段著色器鏈接在一起變成單個(gè)對(duì)象。

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