Android OpenGL ES 畫球體

近期由於興趣所向。開始學習OpenGL繪圖。

本文以“畫球體”為點，小結一下近期所學。

> 初識OpenGL ES

接觸OpenGL是從Android開始的。眾所周知，Android View 是線程不安全的，於是僅僅同意在主線程中對View進行操作。然而假如我們須要實現復雜的界面。特別是開發游戲，在主線程中畫大量圖像，會耗費比較長的時間。使得主線程沒能及時響應用戶輸入，甚至出現ANR。

於是Android提供了一個 SurfaceView類，通過雙緩沖機制（兩塊畫布？三塊畫布？），同意用戶非主線程操作Canvas。實現View的“異步”刷新。

Canvas類提供了非常多繪圖方法：

drawPoint(...)

drawCircle(...)

drawBitmap(...)

drawRect(...)

drawText(...)

drawOval(...)

然后，假設想要實現比較復雜的效果（比方3D），Canvas就非常難勝任了。了解了一下，眼下大部分Android游戲都是用OpenGL來實現。

OpenGL是何方神聖？實際上，終於圖像(無論是2D還是3D)都是顯示在顯示屏上，所以終於操作肯定是對一個2D的顯示內存進行操作的。而OpenGL就是提供了非常多方法。幫助我們定義空間立體模型，然后通過我們輸入的各種參數，計算出映射矩陣，終於在顯示屏幕上體現出效果。

OpenGL ES （OpenGL for Embedded Systems）是專門OpenGL的API子集，專門用於手機等嵌入式平台。簡單理解就是，專門開發給“低端”的環境。刪減了非常多不必要的方法。留下了最主要的。

> 使用OpenGL ES繪圖

OpenGL ES提供了兩個方法去繪制空間幾何圖形。

1. glDrawArrays (int mode, int first, int count);

2. glDrawElements (int mode, int count, int type, Buffer indices);

參數mode有下面取值：

    GL_POINTS,

    GL_LINE_STRIP,

    GL_LINE_LOOP,

    GL_LINES,

    GL_TRIANGLES,

    GL_TRIANGLE_STRIP,

    GL_TRIANGLE_FAN.

畫點，畫線，畫三角形。就這么多了。我們覺得，不論什么空間圖形都能夠由點,線,或者三角形來表示。

3. glVertexPointer( ... )

定義幾何圖形的全部頂點方法。調用此方法后，glDrawArrays,glDrawElements方法便會依照頂點畫出圖形。

由於我們接下來要畫球體。是通過畫非常多的三角形拼接而成（聽起來挺有意思的）。所以先簡單了解一下畫三角形的三種模式：

依據頂點的順序，

GL_TRIANGLES按三個頂點為一組獨自畫三角形。

GL_TRIANGL_STRIP總是以最后三個頂點組成三角形，

GL_TRIANGLE_FAN則是以第一個頂點為中心。興許頂點分別形成三角形。

我們接下來使用 GL_TRIANGLE_STRIP這樣的模式畫球體。

> 使用三角形構成空間球體

我們這里利用的是極限逼近的思想。想當年。祖沖之不也是用這樣的思想計算出圓周率π嗎。當正多邊形的邊數夠多，看起來非常像一個圓！

於是，我們相同覺得，當正多面體的邊數夠多，看起來非常像一個球！

好了。思想是有了，可是我們終於並非通過畫正多面體來畫。由於看起來，利用正多面體來分割一個球算起來比較麻煩。

假設用經緯線的縱橫分割方法，算起來要簡單非常多！

左右兩條經線。上下兩條緯線構成一個正方形（近似）。正方形能夠看做是兩個三角形構成。

途中土黃色的箭頭，代表使用GL_TRIANGLE_STRIP模式繪圖時採用的頂點順序。

這樣的分割方法，看起來清晰非常多，縱橫經緯兩層循環遍歷全部頂點。

關鍵是：怎么計算球面的頂點坐標？(x, y, z)

> 球面頂點坐標計算

首先，我們確認兩個遍歷方向：

第一層：從Y軸負方向開始，角度不斷添加直到Y軸正方向。（時鍾6點->5點->4點->3點->2點->1點->12點）

第二層：固定Y值，以Y軸為旋轉軸，360度旋轉。就可以遍歷全部頂點。

例如以下圖。a角遞增。b角做一個360度變化。

如上圖。隨意球面上的點。三維坐標 (x0, y0, z0) 計算：(R為球半徑)

x0 = R * cos(a) * sin(b);

y0 = R * sin(a);

z0 = R * cos(a) * cos(b);

> 源代碼

下面部分參考或者是抄寫於：http://blog.csdn.net/wuzongpo/article/details/7230285

使用OpenGL ES繪圖的一般步驟是：

1，獲取EGLDisplay對象

2，初始化與EGLDisplay之間的連接

3，獲取EGLConfig對象

4，創建EGLContext對象

5。創建EGLSurface實例

6。連接EGLContext與EGLSurface

7，使用GL指令繪圖

8，斷開釋放EGLContext對象

9，刪除EGLSurface

10，刪除EGLContext

11。終止與EGLDisplay之間的連接

Android GLSurfaceView 類，對OpenGL Api 進行了一層封裝。幫忙我們管理Display,Context,Surface。我們僅僅要實現android.opengl.GLSurfaceView.Renderer接口就可以。

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;
import java.nio.FloatBuffer;

import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig;
import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;

import android.opengl.GLU;
import android.opengl.GLSurfaceView.Renderer;

public class OpenGLRenderer4 implements Renderer {

	// 環境光
	private final float[] mat_ambient = { 0.2f, 0.3f, 0.4f, 1.0f };
	private FloatBuffer mat_ambient_buf;
	// 平行入射光
	private final float[] mat_diffuse = { 0.4f, 0.6f, 0.8f, 1.0f };
	private FloatBuffer mat_diffuse_buf;
	// 高亮區域
	private final float[] mat_specular = { 0.2f * 0.4f, 0.2f * 0.6f, 0.2f * 0.8f, 1.0f };
	private FloatBuffer mat_specular_buf;

	private Sphere mSphere = new Sphere();
	
	public volatile float mLightX = 10f;
	public volatile float mLightY = 10f;
	public volatile float mLightZ = 10f;

	@Override
	public void onDrawFrame(GL10 gl) {
		// 清晰屏幕和深度緩存
		gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
		// 重置當前的模型觀察矩陣
		gl.glLoadIdentity();

		gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
		gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);
		
    	// 材質
    	gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_AMBIENT, mat_ambient_buf);
    	gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_DIFFUSE, mat_diffuse_buf);
    	gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SPECULAR, mat_specular_buf);
    	// 鏡面指數 0~128 越小越粗糙
    	gl.glMaterialf(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SHININESS, 96.0f);
    	
    	//光源位置
    	float[] light_position = {mLightX, mLightY, mLightZ, 0.0f};
		ByteBuffer mpbb = ByteBuffer.allocateDirect(light_position.length*4);
		mpbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
		FloatBuffer mat_posiBuf = mpbb.asFloatBuffer();
		mat_posiBuf.put(light_position);
		mat_posiBuf.position(0);
    	gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, mat_posiBuf);
    	
    	gl.glTranslatef(0.0f, 0.0f, -3.0f);
    	mSphere.draw(gl);
	}

	@Override
	public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
		
		// 設置輸出屏幕大小
		gl.glViewport(0, 0, width, height);

		// 設置投影矩陣
		gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
		// 重置投影矩陣
		gl.glLoadIdentity();
		// 設置視口大小
		// gl.glFrustumf(0, width, 0, height, 0.1f, 100.0f);

		GLU.gluPerspective(gl, 90.0f, (float) width / height, 0.1f, 50.0f);

		// 選擇模型觀察矩陣
		gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
		// 重置模型觀察矩陣
		gl.glLoadIdentity();

	}

	@Override
	public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig arg1) {
		// 對透視進行修正
		gl.glHint(GL10.GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL10.GL_FASTEST);
		// 背景：黑色
		gl.glClearColor(0, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
		// 啟動陰影平滑
		gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);

		// 復位深度緩存
		gl.glClearDepthf(1.0f);
		// 啟動深度測試
		gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST);
		// 所做深度測試的類型
		gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL);

		initBuffers();
	}

	private void initBuffers() {
		ByteBuffer bufTemp = ByteBuffer.allocateDirect(mat_ambient.length * 4);
		bufTemp.order(ByteOrder.nativeOrder());
		mat_ambient_buf = bufTemp.asFloatBuffer();
		mat_ambient_buf.put(mat_ambient);
		mat_ambient_buf.position(0);

		bufTemp = ByteBuffer.allocateDirect(mat_diffuse.length * 4);
		bufTemp.order(ByteOrder.nativeOrder());
		mat_diffuse_buf = bufTemp.asFloatBuffer();
		mat_diffuse_buf.put(mat_diffuse);
		mat_diffuse_buf.position(0);

		bufTemp = ByteBuffer.allocateDirect(mat_specular.length * 4);
		bufTemp.order(ByteOrder.nativeOrder());
		mat_specular_buf = bufTemp.asFloatBuffer();
		mat_specular_buf.put(mat_specular);
		mat_specular_buf.position(0);
	}
}

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;
import java.nio.FloatBuffer;

import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;

// 計算球面頂點
public class Sphere {
	
	public void draw(GL10 gl) {

		float	angleA, angleB;
    	float	cos, sin;
    	float	r1, r2;
    	float	h1, h2;
    	float	step = 30.0f;
    	float[][] v = new float[32][3];
    	ByteBuffer vbb;
    	FloatBuffer vBuf;
    	
		vbb = ByteBuffer.allocateDirect(v.length * v[0].length * 4);
        vbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
        vBuf = vbb.asFloatBuffer();

    	gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
    	gl.glEnableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
    	
    	for (angleA = -90.0f; angleA < 90.0f; angleA += step) {
    		int	n = 0;

            r1 = (float)Math.cos(angleA * Math.PI / 180.0);
    		r2 = (float)Math.cos((angleA + step) * Math.PI / 180.0);
    		h1 = (float)Math.sin(angleA * Math.PI / 180.0);
    		h2 = (float)Math.sin((angleA + step) * Math.PI / 180.0);

    		// 固定緯度, 360 度旋轉遍歷一條緯線
    		for (angleB = 0.0f; angleB <= 360.0f; angleB += step) {
   
    			cos = (float)Math.cos(angleB * Math.PI / 180.0);
    			sin = -(float)Math.sin(angleB * Math.PI / 180.0);

    			v[n][0] = (r2 * cos);
    			v[n][1] = (h2);
    			v[n][2] = (r2 * sin);
    			v[n + 1][0] = (r1 * cos);
    			v[n + 1][1] = (h1);
    			v[n + 1][2] = (r1 * sin);

    			vBuf.put(v[n]);
    			vBuf.put(v[n + 1]);

    			n += 2;  
    			
    			if(n>31){
    				vBuf.position(0);

    	    		gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
    	    		gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
    				gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, n);
    				
    				n = 0;
    				angleB -= step;
    			}
    			
    		}
			vBuf.position(0);

    		gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
    		gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, vBuf);
			gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, n);
    	}
    	
    	gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
    	gl.glDisableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
	}
}

import android.content.Context;
import android.opengl.GLSurfaceView;
import android.view.MotionEvent;

public class OpenGLView extends GLSurfaceView {

	private OpenGLRenderer4 mRenderer;
	
	private float mDownX = 0.0f;
	private float mDownY = 0.0f;

	public OpenGLView(Context context) {
		super(context);

		mRenderer = new OpenGLRenderer4();
		this.setRenderer(mRenderer);
	}

	@Override
	public boolean onTouchEvent(MotionEvent event) {
		int action = event.getActionMasked();
		switch (action) {
		case MotionEvent.ACTION_DOWN:
			mDownX = event.getX();
			mDownY = event.getY();
			return true;
		case MotionEvent.ACTION_UP:
			return true;
		case MotionEvent.ACTION_MOVE:
			float mX = event.getX();
			float mY = event.getY();
			mRenderer.mLightX += (mX-mDownX)/10;
			mRenderer.mLightY -= (mY-mDownY)/10;
			mDownX = mX;
			mDownY = mY;
			return true;
		default:
			return super.onTouchEvent(event);
		}
	}
}

import android.os.Bundle;
import android.app.Activity;
import android.view.Window;
import android.view.WindowManager;

public class MainActivity extends Activity {

	private OpenGLView mOpenGLView;

	@Override
	protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
		super.onCreate(savedInstanceState);
		// 去標題欄
		requestWindowFeature(Window.FEATURE_NO_TITLE);
		//設置全屏
		getWindow().setFlags(WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN, WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN);
		
		mOpenGLView = new OpenGLView(this);
		setContentView(mOpenGLView);
	}
}

> 效果圖

step = 30.0f

step = 2.0f

關於光照效果。我們以后有空再討論。