android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影

OpenGL ES 3.0学习实践

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  • android平台下OpenGL ES 3.0着色语言基础知识(上)
  • android平台下OpenGL ES 3.0着色语言基础知识(下)
  • android平台下OpenGL ES 3.0实例详解顶点属性、顶点数组
  • 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)
  • android平台下OpenGLES3.0绘制立方体的几种方式

目录

  • 绘制矩形
  • 宽高比的问题
  • 适应宽高比
  • 使用虚拟坐标空间
  • 矩阵和向量
  • 正交投影
  • 左手与右手坐标系

绘制矩形

新建一个矩形渲染器:

public class RectangleRenderer implements GLSurfaceView.Renderer

定义顶点着色器:

#version 300 es
- []

layout (location = 0) in vec4 vPosition;
layout (location = 1) in vec4 aColor;
out vec4 vColor;
void main() {
     gl_Position  =  vPosition;
     gl_PointSize = 10.0;
     vColor = aColor;
}

定义片段着色器:

#version 300 es
precision mediump float;
in vec4 vColor;
out vec4 fragColor;
void main() {
     fragColor = vColor;
}

定义坐标点数据:

private float[] vertexPoints = new float[]{
            //前两个是坐标,后三个是颜色RGB
            0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
            -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
            0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
            0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
            -0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
            -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,

            0.0f, 0.25f, 0.5f, 0.5f, 0.5f,
            0.0f, -0.25f, 0.5f, 0.5f, 0.5f,
};
public RectangleRenderer() {
        //分配内存空间,每个浮点型占4字节空间
        vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertexPoints.length * 4)
                .order(ByteOrder.nativeOrder())
                .asFloatBuffer();
        //传入指定的坐标数据
        vertexBuffer.put(vertexPoints);
        vertexBuffer.position(0);
}

开始编译和链接着色器:

@Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        //设置背景颜色
        GLES30.glClearColor(0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.5f);

        //编译
        final int vertexShaderId = ShaderUtils.compileVertexShader(vertextShader);
        final int fragmentShaderId = ShaderUtils.compileFragmentShader(fragmentShader);
        //鏈接程序片段
        mProgram = ShaderUtils.linkProgram(vertexShaderId, fragmentShaderId);
        //在OpenGLES环境中使用程序片段
        GLES30.glUseProgram(mProgram);

        aPositionLocation = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");
        aColorLocation = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "aColor");

        vertexBuffer.position(0);
        //获取顶点数组 (POSITION_COMPONENT_COUNT = 2)
        GLES30.glVertexAttribPointer(aPositionLocation, POSITION_COMPONENT_COUNT, GLES30.GL_FLOAT, false, STRIDE, vertexBuffer);

        GLES30.glEnableVertexAttribArray(aPositionLocation);

        vertexBuffer.position(POSITION_COMPONENT_COUNT);
        //颜色属性分量的数量 COLOR_COMPONENT_COUNT = 3
        GLES30.glVertexAttribPointer(aColorLocation, COLOR_COMPONENT_COUNT, GLES30.GL_FLOAT, false, STRIDE, vertexBuffer);

        GLES30.glEnableVertexAttribArray(aColorLocation);
}

注意:glVertexAttribPointer这个方法的第5个参数stride,这个参数表示:

每个顶点由size指定的顶点属性分量顺序存储。stride指定顶 点索引I和(I+1),表示的顶点数据之间的位移。如果stride为0,则每个顶点的属性数据顺序存储。如果stride大于0, 则使用该值作为获取下一个索引表示的顶点数据的跨距。

//之前定义的坐标数据中,每一行是5个数据,前两个表示坐标(x,y),后三个表示颜色(r,g,b)
private static final int STRIDE = (POSITION_COMPONENT_COUNT + COLOR_COMPONENT_COUNT) * BYTES_PER_FLOAT;
//所以这里实际是 STRIDE = (2 + 3) x 4

开始绘制:

@Override
public void onDrawFrame(GL10 gl) {
    GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    //绘制矩形
    GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 6);

    //绘制两个点
    GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_POINTS, 6, 2);
}

竖屏状态下显示:

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第1张图片
image

横屏模式下显示:

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第2张图片
image

宽高比的问题

假设实际手机分辨率以像素为单位是720x1280,我们默认使用OpenGL占用整个显示屏。
设备在竖屏模式下,那么[-1,1]的范围对应的高有1280像素,而宽却只有720像素
图像会在x轴显得扁平,如果在横屏模式,图像会在y轴显得扁平。通过上面的例子可以看到竖屏横屏模式下就有种被拉伸的感觉。

其实在OpenGL中,我们要渲染的一切物体都要映射到x轴y轴[-1, 1]的范围内,对z轴也是一样的。这个范围内的坐标被称为归一化设备坐标,其独立于屏幕实际的尺寸或形状,但是因为它们独立于实际的屏幕尺寸,如果直接使用它们,我们就会遇到刚才的问题。

归一化设备坐标假定坐标空间是一个正方形,然而,我们实际的视口viewport可能不是一个正方形,就像我刚刚手机上显示的一样,图像在一个方向上被拉伸,在另外一个方向上被压扁。因此在一个竖屏设备上,归一化设备坐标上定义的图像看上去就是在水平方向上被压扁,在横屏模式下,同样的图像就在垂直方向上看起来是压扁的。

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第3张图片
image

适应宽高比

这个时候我们就需要调整坐标空间,让它把屏幕的形状考虑在内,可行的一个方法是把较小的范围固定在[-1,1]内,而按屏幕尺寸的比例调整较大的范围。

举例来说,在竖屏情况下,其宽度是720,而髙度是1280,因此我们可以把宽度范围限定在[-1,1],并把高度范围调整为[-1280/720,1280/720][-1.78,1.78]。同理,在横屏模式情况下,把宽度范围设为[-1.78,1.78],而把高度范围设为[-1,1]
通过调整已有的坐标空间,最终会改变我们可用的空间,通过这个方法,不论是竖屏模式还是横屏模式,物体看起来就都一样了。

使用虚拟坐标空间

我们需要调整坐标空间,以便我们把屏幕方向考虑进来,需要停止直接在归一化设备坐标上工作,而开始在虚拟坐标空间里工作。需要找到某种可以把虚拟空间坐标转换回归一化设备坐标的方法,让OpenGL可以正确地渲染它们,这个操作叫作正交投影,不管多远 或多近,所有的物体看上去大小总是相同的。

矩阵和向量

正交投影之前,可以先来复习一下矩阵以及向量相关的知识,因为在OpenGL中大量地使用了向量和矩阵,矩阵的最重要的用途之一就是建立正交和透视投影。其原因之一是,使用矩阵做投影只涉及对一组数据按顺序执行大量的加法和乘法,这些运算在现代GPU上执行得非常快。

  • 向量

一个向量是一个有多个元索的一维数组。在OpenGL里,一个位置通常是一个四元素向量,颜色也是一样。我们使用的大多数向量一般都有四个元素。一个位置向量,它有一个x、一个y、一个z和一个w分量。

我们在三维空间中,x,y,z分量用的比较多

  • 矩阵

—个矩阵(Matrix)是一个有多个元素的二维数组。在OpenGL里,我们一般使用矩阵作向量投影,如正交或者透视投影,并且也用它们使物体旋转(rotation)、平移(translatum)以及缩放(scaling)。我们把矩阵与每个要变换的向最相乘即可实现这些变换。

矩阵与向量相乘

\begin{bmatrix} {x_{x}}&{x_{y}}&{x_{z}}&{x_{w}}\\ {y_{x}}&{y_{y}}&{y_{z}}&{y_{w}}\\ {z_{x}}&{z_{y}}&{z_{z}}&{z_{w}}\\ {w_{x}}&{w_{y}}&{w_{z}}&{w_{w}}\\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} {x_{x}x}&{x_{y}y}&{x_{z}z}&{x_{w}w}\\ {y_{x}x}&{y_{y}y}&{y_{z}z}&{y_{w}w}\\ {z_{x}x}&{z_{y}y}&{z_{z}z}&{z_{w}w}\\ {w_{x}x}&{w_{y}y}&{w_{z}z}&{w_{w}w}\\ \end{bmatrix}

对于第一行,我们让和相乘、和相乘、和相乘以及和相乘,然后把 所有四个结果加起来得到这个结果的分量。
矩阵第一行的所有四个分都影响了那个结果x,第二行的所有4个分量都影响了那个结果y,以此类推。在矩阵的每一行内,第一个分量与向量的x相乘,第二个分量也与向虽的y相乘,以此类推。

  • 单位矩阵

这个矩阵乘以任何向量都是得到与之前结果相同的向量

\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1 \times1 + 0\times2 + 0 \times3 +0\times4\\ 0 \times1 + 1\times2 + 0 \times3 +0\times4\\ 0 \times1 + 0\times2 + 1 \times3 +0\times4\\ 0 \times1 + 0\times2 + 0 \times3 +1\times4\\ \end{bmatrix}

结果

  • 平移矩阵

平移矩阵可以把一个物体沿着指定的方向移动

计算过程:

\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 3\\ 0 & 1 & 0 & 3\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2 \\ 2 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1 \times2 + 0\times2 + 0 \times0 +3\times1\\ 0 \times2 + 1\times2 + 0 \times0 +3\times1\\ 0 \times0 + 0\times0 + 1 \times0 +0\times1\\ 0 \times2 + 0\times2 + 0 \times0 +1\times1\\ \end{bmatrix}

最终的结果:

正交投影

android中可以使用Matrix类来定义正交投影,这个类有一个称为orthoM的方法,它可以为我们生成一个正交投影。我们将使用这个投影调整坐标空间。正交投影与平移矩阵是非常相似的。

方法的参数描述:

参数 描述
float[] m 目标数组,这个数组的长度至少有16个元素,这样它才能存储正交投影矩阵
int mOffset 结果矩阵起始的偏移值
float left x轴的最小范围
float right x轴的最大范围
float bottom y轴的最小范围
float top y轴的最大范围
float near z轴的最小范围
float far z轴的最大范围

这个方法会产生下面的正交投影矩阵:

\begin{bmatrix} \cfrac{\mathbf2}{\mathbf {right-left}} & \mathbf0 & \mathbf0 & -\cfrac{\mathbf{right+left}}{\mathbf {right-left}}\\ \\ \mathbf0 & \cfrac{\mathbf2}{\mathbf {top-bottom}} & \mathbf0 & -\cfrac{\mathbf{top+bottom}}{\mathbf {top-bottom}}\\ \\ \mathbf0 & \mathbf0 & \cfrac{-\mathbf2}{\mathbf {far-near}} & -\cfrac{\mathbf{far+near}}{\mathbf {far-near}}\\ \\ \mathbf0 & \mathbf0 & \mathbf0 & \mathbf{1} \end{bmatrix}

经过上述正交投影矩阵转换之后,转换回归一矩阵

\begin{bmatrix} \cfrac{\mathbf2}{\mathbf {1.78-(-1.78)}} & \mathbf0 & \mathbf0 & -\cfrac{\mathbf{1.78+(-1.78)}}{\mathbf {1.78-(-1.78)}}\\ \\ \mathbf0 & \cfrac{\mathbf2}{\mathbf {1-(-1)}} & \mathbf0 & -\cfrac{\mathbf{1+(-1)}}{\mathbf {1-(-1)}}\\ \\ \mathbf0 & \mathbf0 & \cfrac{-\mathbf2}{\mathbf {1-(-1)}} & -\cfrac{\mathbf{1+(-1)}}{\mathbf {1-(-1)}}\\ \\ \mathbf0 & \mathbf0 & \mathbf0 & \mathbf{1} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1.78 \\ 1 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}=

\begin{bmatrix} \cfrac{\mathbf2}{\mathbf {1.78-(-1.78)}}\times\mathbf1.78 + \mathbf0\times\mathbf1 + \mathbf0 \times\mathbf0 + -\cfrac{\mathbf{1.78+(-1.78)}}{\mathbf {1.78-(-1.78)}}\times\mathbf0\\ \\ \mathbf0\times\mathbf1 + \cfrac{\mathbf2}{\mathbf {1-(-1)}}\times\mathbf1 +\mathbf0\times\mathbf0 + -\cfrac{\mathbf{1+(-1)}}{\mathbf {1-(-1)}}\times\mathbf1\\ \\ \mathbf0 \times\mathbf1.78+ \mathbf0\times\mathbf1 + \cfrac{-\mathbf2}{\mathbf {1-(-1)}}\times\mathbf0 + -\cfrac{\mathbf{1+(-1)}}{\mathbf {1-(-1)}}\times\mathbf1\\ \\ \mathbf0\times\mathbf1.78 + \mathbf0\times\mathbf1 + \mathbf0\times\mathbf0 + \mathbf{1}\times\mathbf1 \end{bmatrix}

输出结果

RectangleRenderer类中定义目标数组

private final float[] mMatrix = new float[16];

修改顶点着色器

#version 300 es
layout (location = 0) in vec4 vPosition;
layout (location = 1) in vec4 aColor;
uniform mat4 u_Matrix;
out vec4 vColor;
void main() { 
     gl_Position  = u_Matrix * vPosition;
     gl_PointSize = 10.0;
     vColor = aColor;
}

修改onSurfaceCreated回调

@Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        ......
        //在OpenGLES环境中使用程序片段
        GLES30.glUseProgram(mProgram);

        uMatrixLocation = GLES30.glGetUniformLocation(mProgram, "u_Matrix");

        aPositionLocation = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");
        aColorLocation = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "aColor");

        ......
}

onSurfaceChanged回调中

@Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
        GLES30.glViewport(0, 0, width, height);
        final float aspectRatio = width > height ?
                (float) width / (float) height :
                (float) height / (float) width;
        if (width > height) {
            //横屏
            Matrix.orthoM(mMatrix, 0, -aspectRatio, aspectRatio, -1f, 1f, -1f, 1f);
        } else {
            //竖屏
            Matrix.orthoM(mMatrix, 0, -1f, 1f, -aspectRatio, aspectRatio, -1f, 1f);
        }
}

onDrawFrame回调中

@Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        GLES30.glUniformMatrix4fv(uMatrixLocation, 1, false, mMatrix, 0);

        //绘制矩形
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 6);

        //绘制两个点
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_POINTS, 6, 2);

}

我们来观察一下最终的横竖屏状态

竖屏状态

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第4张图片
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横屏状态

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第5张图片
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左手与右手坐标系

左手坐标系

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第6张图片
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右手坐标系

android平台下OpenGL ES 3.0从矩形中看矩阵和正交投影_第7张图片
image

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》

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