android平台下OpenGL ES 3.0从零开始

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#OpenGL ES #OpenGL ES 3.0 #android

本教程详述了在Android平台下使用OpenGLES3.0进行图形渲染的方法，涵盖了绘制基本图形、纹理贴图、矩阵变换以及着色器编程等内容。介绍了OpenGLES3.0的图形管线，包括顶点着色器、片段着色器、图元装配、光栅化和逐片段操作。同时，讲解了OpenGLES不同版本在Android系统中的支持情况。

OpenGL ES 3.0学习实践

目录

OpenGL ES对Android平台的支持情况

OpenGL ES当前主要版本有1.0/1.1/2.0/3.0/3.1。

OpenGL ES版本Android版本描述
OpenGL ES1.0Ａndroid 1.0+OpenGL ES 1.x是针对固定硬件管线的，Ａndroid 1.0和更高的版本支持这个API规范。
OpenGL ES2.0Android 2.2(API 8)+OpenGL ES 2.x是针对可编程硬件管线的，不兼容OpenGL ES 1.x，Android 2.2(API 8)和更高的版本支持这个API规范。
OpenGL ES3.0Android 4.3(API 18)+向下兼容OpenGL ES 2.x，Android 4.3(API 18)及更高的版本支持这个API规范。
OpenGL ES3.1Android 5.0 (API 21)+向下兼容OpenGL ES3.0/2.0，Android 5.0（API 21）和更高的版本支持这个API规范
OpenGL ES 3.0概述

OpenGL ES 3.0实现了具有可编程着色功能的图形管线，由两个规范组成：OpenGL ES 3.0 API 规范和OpenGL ES着色语言3.0规范(OpenGL ES SL)。

OpenGL ES 3.0图形管线图

顶点着色器

顶点着色器实现了顶点操作的通用可编程方法，着色器（Shader）是在GPU上运行的小程序。
顶点着色器的输入包括：

  • 着色器程序一一描述顶点上执行操作的顶点着色器程序源代码或者可执行文件。
  • 顶点着色器输人(或者属性)一一用顶点数组提供的每个顶点的数据。
  • 统一变量(uniform)一一顶点(或者片段)着色器使用的不变数据。
  • 采样器一一代表顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型。

顶点着色器的输入输出模型

顶点着色器取得一个位置及相关的颜色数据作为输入属性，用一个 4x4矩阵变换位置，并输出变换后的位置和颜色。

#version 300 es
uniform mat4 u_mvpMatrix;

in vec4 a_postion;
in vec4 a_color;

out vec4 v_color;
void main(){
	v_color = a_color;
	gl_Position = u_mvpMatrix * a_postion
}
片段着色器

片段着色器片段着色器为片段上的操作实现了通用的可编程方法。
对光栅化阶段生成的每个片段执行这个着色器，采用如下输入：

  • 着色器程序——描述片段上所执行操作的片段着色器程序源代码或者可执行文件。
  • 输人变量——光姗化单元用插值为每个片段生成的顶点着色器钧出。
  • 统一变量——片段(或者顶点)着色器使用的不变数据。
  • 采样器——讨七表片段着色器所用纹理的特殊统一变量类型。

图元装配

图元装配顶点着色器之后， 0pennGL ES 3.0 图形管线的下一阶段就是图元装配。
`图元(Primitive)是三角形、直线或者点精灵等几何对象。图元的每个顶点被发送到顶点着色器的不同拷贝。
在图元装配期间，这些顶点被组合成图元。对于每个图元，必须确定图元是否位于视锥体（屏幕上可见的 3D 空间区域）内。如果图元没有完全在视锥体内，则可能需要进行裁剪。如果图元完全处于该区域之外，它就会被抛弃。裁剪之后，顶点位置被转换为屏幕坐标。也可以执行一次淘汰操作，根据图元面向前方或者后方抛弃它们。裁剪和淘汰之后，图元便准备传递给管线的下一阶段 ― 光栅化阶段。

光栅化

下一阶段是光栅化，在此阶段绘制对应的图元（点精灵、直线或者三角形）。光栅化是将图元转化为一组二维片段的过程，然后，这些片段由片段着色器处理。这些二维片段代表着可在屏幕上绘制的像素。

OpenGL ES 3.0 光栅化阶段

逐片段操作

片段着色器之后，下一个阶段就是逐片段操作。

OpenGL ES 数据存储

android中的程序都是运行在虚拟机中的，而OpenGL作为本地系统库是运行在硬件上的，虚拟机与OpenGL数据传输的方式由两种

  • 第一种：使用Java调用本地接口JNI的方式，当我们使用GLES20包里的方法时，内部实现其实就是调用本地方法。
  • 第二种：改变内存的分配方式，Java当中有个特殊的类(如ByteBuffer)集合，可以直接分配本地内存块，并把Java的数据复制到本地内存，本地内存可以被本地环境存取，而不受垃圾回收器管控。

从虚拟机到本地环境的数据传输过程

项目地址：
https://github.com/byhook/opengles4android

参考：
《OpenGL ES 3.0 编程指南第2版》
《OpenGL ES应用开发实践指南Android卷》

17、Android OpenGL ES 开发入门指南
soda5的博客
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本文详细介绍了在Android平台上使用OpenGL ES进行图形开发的完整流程，涵盖环境搭建、形状绘制、投影与相机视图设置、图形旋转动画以及基于用户输入的交互实现。通过逐步示例，帮助开发者掌握OpenGL ES的核心概念与实际应用，适合初学者入门学习高性能移动图形编程。
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【OPENGL ES 3.0 学习笔记】第十四天：几何形状实例化
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OpenGL实例化渲染函数glDrawArraysInstanced和glDrawElementsInstanced通过减少绘制调用次数显著提升渲染效率。前者适用于无重复顶点的物体，直接通过顶点数组绘制多个实例，利用gl_InstanceID区分实例；后者配合索引缓冲区复用顶点数据，更适合存在重复顶点的复杂模型。两者均通过设置glVertexAttribDivisor控制属性更新频率，实现差异化渲染。这种技术可大幅降低CPU-GPU通信开销，适用于粒子系统、建筑群等场景的批量高效渲染。
LearnOpenGL - Android OpenGL ES 3.0 绘制三角形
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经过一段时间 OpenGL 的学习，我们已经掌握了如何使用 glwf 在桌面端绘制简单图形。现在让我们把目光投向移动端，看看如何在 Android 上使用 OpenGL 绘制图形。本文假设你对 Android 基础有所了解，并使用 Kotlin 编写示例 demo，项目的代码你可以在中找到。本文参考了以下资料Android OpenGL开发——图像绘制详解android平台下OpenGL ES 3.0实例详解顶点缓冲区对象(VBO)和顶点数组对象(VAO)
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利用 FBO（Framebuffer Object），我们可以实现离屏渲染。在前面的章节中，当我们调用 glDrawElements 后，手机屏幕上就会显示出绘制的图像。这意味着 OpenGL 将数据直接渲染到了手机屏幕上。通过使用 FBO，我们可以将数据渲染到纹理上，而不是直接渲染到屏幕，这个过程称为离屏渲染。通过离屏渲染，我们可以在最终显示之前对图像进行复杂的处理。这种方法非常有用，比如在后期处理效果（如模糊、HDR、阴影等）中，或者在渲染多个场景以进行纹理贴图、环境映射等操作时。
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另外，为了防止形变效果的跳变，我们还需要平滑函数满足在边界处输出值为 0 （或者接近于 0 ），表示此边界为是否发生形变的临界线。
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在Android用opengl es3.0写的，由于模拟器不支持opengl es3.0 所以调试时用真机
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OpenGL ES 3.0
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OpenGL ES 3.0 英文版 第1章——OpenGL ES 3.0简介 　　第1章简单介绍OpenGL ES，概述了OpenGL ES 3.0图形管线，讨论了OpenGL ES 3.0的设计理念和限制，最后介绍了OpenGL ES 3.0中使用的一些约定和类型。 　　第2章——你好，三角形：一个OpenGL ES 3.0示例 　　第2章介绍绘制三角形的一个简单OpenGL ES 3.0示例。我们的目的是说明OpenGL ES 3.0程序的样子，向读者介绍一些API概念，并说明如何构建和运行OpenGL ES 3.0示例程序。 　　第3章——EGL简介 　　第3章介绍EGL——为OpenGL ES 3.0创建表面和渲染上下文的API。我们说明与原生窗口系统通信、选择配置和创建EGL渲染上下文及表面的方法，传授足够多的EGL知识，你可以了解到启动OpenGL ES 3.0进行渲染所需的所有知识。 　　第4章——着色器和程序 　　着色器对象和程序对象是OpenGL ES 3.0中最基本的对象。第4章介绍创建着色器对象、编译着色器和检查编译错误的方法。这一章还说明如何创建程序对象、将着色器对象连接到程序对象以及链接最终程序对象的方法。我们讨论如何查询程序对象的信息以及加载统一变量（uniform）的方法。此外，你将学习有关源着色器和程序二进制代码之间的差别以及它们的使用方法。 　　第5章——OpenGL ES着色语言 　　第5章介绍编写着色器所需的着色语言的基础知识。这些着色语言基础知识包括变量和类型、构造器、结构、数组、统一变量、统一变量块（uniform block）和输入/输出变量。该章还描述着色语言的某些更细微的部分，例如精度限定符和不变性。 　　第6章——顶点属性、顶点数组和缓冲区对象 　　从第6章开始（到第11章为止），我们将详细介绍管线，教授设置和编程图形管线各个部分的方法。这一旅程从介绍几何形状输入图形管线的方法开始，包含了对顶点属性、顶点数组和缓冲区对象的讨论。 　　第7章——图元装配和光栅化 　　在前一章讨论几何形状输入图形管线的方法之后，第7章将讨论几何形状如何装配成图元，介绍OpenGL ES 3.0中所有可用的图元类型，包括点精灵、直线、三角形、三角形条带和三角扇形。此外，我们还说明了在顶点上进行坐标变换的方法，并简单介绍了OpenGL ES 3.0管线的光栅化阶段。 　　第8章——顶点着色器 　　我们所介绍的管线的下一部分是顶点着色器。第8章概述了顶点着色器如何融入管线以及OpenGL ES 着色语言中可用于顶点着色器的特殊变量，介绍了多个顶点着色器的示例，包括逐像素照明和蒙皮（skinning）。我们还给出了用顶点着色器实现OpenGL ES 1.0（和1.1）固定功能管线的示例。 　　第9章——纹理 　　第9章开始介绍片段着色器，描述OpenGL ES 3.0中所有可用的纹理功能。该章提供了创建纹理、加载纹理数据以及纹理渲染的细节，描述了纹理包装模式、纹理过滤、纹理格式、压缩纹理、采样器对象、不可变纹理、像素解包缓冲区对象和Mip贴图。该章介绍了OpenGL ES 3.0支持的所有纹理类型：2D纹理、立方图、2D纹理数组和3D纹理。 　　第10章——片段着色器 　　第9章的重点是如何在片段着色器中使用纹理，第10章介绍编写片段着色器所需知道的其他知识。该章概述了片段着色器和所有可用的特殊内建变量，还演示了用片段着色器实现OpenGL ES 1.1中所有固定功能技术的方法。多重纹理、雾化、Alpha测试和用户裁剪平面的例子都使用片段着色器实现。 　　第11章——片段操作 　　第11章讨论可以适用于整个帧缓冲区或者在OpenGL ES 3.0片段管线中执行片段着色器后适用于单个片段的操作。这些操作包括剪裁测试、模板测试、深度测试、多重采样、混合和抖动。本章介绍OpenGL ES 3.0图形管线的最后阶段。 　　第12章——帧缓冲区对象 　　第12章讨论使用帧缓冲区对象渲染屏幕外表面。帧缓冲区对象有多种用法，最常见的是渲染到一个纹理。本章提供API帧缓冲区对象部分的完整概述。理解帧缓冲区对象对于实现许多高级特效（如反射、阴影贴图和后处理）至关重要。 　　第13章——同步对象和栅栏 　　第13章概述同步对象和栅栏，它们是在OpenGL ES 3.0主机应用和GPU执行中同步的有效图元。我们讨论同步对象和栅栏的使用方法，并以一个示例作为结束。 　　第14章——OpenGL ES 3.0高级编程 　　第14章是核心章节，将本书介绍的许多主题串联在一起。我们已经选择了高级渲染技术的一个样本，并展示了实现这些功能的示例。该章包含使用法线贴图的逐像素照明、环境贴图、粒子系统、图像后处理、程序纹理、阴影贴图、地形渲染
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