Android开发笔记（一百五十四）OpenGL的画笔工具GL10

上一篇文章介绍了OpenGL绘制三维图形的流程，其实没有传说中的那么玄乎，只要放平常心把它当作一个普通控件就好了，接下来继续介绍OpenGL具体的绘图操作，这项工作得靠三维图形的画笔GL10来完成了。

GL10作为三维空间的画笔，它所描绘的三维物体却要显示在二维平面上，显而易见这不是一个简单的伙计。为了理顺物体从三维空间到二维平面的变换关系，有必要搞清楚OpenGL关于三维空间的几个基本概念。下面就概括介绍一下GL10编码的三类常见方法：

一、颜色的取值范围

Android中的三原色，不管是红色还是绿色还是蓝色，取值范围都是0到255，对应的十六进制数值则为00到FF，颜色数值越小表示亮度越弱，数值越大表示亮度越强。但在OpenGL之中，颜色的取值范围却是0.0到1.0，其中0.0对应Android标准的0，1.0对应Android标准的255，同理，OpenGL值为0.5的颜色对应Android标准的128。
GL10与颜色有关的方法主要有两个，说明如下：
glClearColor : 设置背景颜色。以下代码表示给三维空间设置白色背景：

        // 设置白色背景。四个参数依次为透明度alpha、红色red、绿色green、蓝色blue
        gl.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

glColor4f : 设置画笔颜色。以下代码表示把画笔颜色设置为橙色：

        // 设置画笔颜色为橙色
        gl.glColor4f(0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f);

二、三维坐标系

三维空间用来表达立体形状，需要三个方向的坐标，分别为水平方向的x轴和y轴，以及垂直方向的z轴。如下图的三维坐标系所示，三维空间有个M点，该点在x轴上的投影为P点，在y轴上的投影为Q点，在z轴上的投影为R点，因此M点的坐标位置就是（P, Q, R）。

既然三维空间中的每个点都存在x、y、z三个方向的坐标值，那么与物体位置有关的方法均需提供x、y、z三方向的数值。比如物体的旋转方法glRotatef、平移方法glTranslatef、缩放方法glScalef，要分别指定物体在三个坐标轴上的旋转方向、平移距离、缩放倍率。具体的方法调用例子如下所示：

        // 沿着y轴的负方向旋转90度
        gl.glRotatef(90, 0, -1, 0);
        // 沿x轴方向移动1个单位
        gl.glTranslatef(1, 0, 0);
        // x，y，z三方向各缩放0.1倍
        gl.glScalef(0.1f, 0.1f, 0.1f);

三、坐标矩阵变换

有了三维坐标系，还要把三维物体投影到二维平面上，才能在手机屏幕中绘制三维图形。这个投影操作主要有三个步骤，下面分别展开叙述：

1、设置绘图区域

前面说过OpenGL使用GLSurfaceView这个控件作为绘图场所，于是允许绘制的区域范围自然落在GLSurfaceView内部。设置绘图区域的方法是glViewport，它指定了该区域左上角的平面坐标，以及区域的宽度和高度。当然一般OpenGL的绘图范围与GLSurfaceView的大小重合，所以倘若GLSurfaceView控件的宽度为width，高度为height，则设置绘图区域的方法调用示例如下：

        // 设置输出屏幕大小
        gl.glViewport(0, 0, width, height);

2、调整镜头参数

框住了绘图区域，还要把三维物体在二维平面上的投影一点一点描绘进去才行，这中间的坐标变换计算由OpenGL内部自行完成，开发者无需关注具体的运算逻辑。好比日常生活中的拍照，用户只管拿起手机咔嚓一下，根本不用关心摄像头怎么生成照片。用户所关心的照片效果，不外乎景物是大还是小，是远还是近；用专业一点的术语来讲，景物的大小由镜头的焦距决定，景物的远近由镜头的视距决定。
对于镜头的焦距而言，拍摄同样尺寸的照片，广角镜头看到的景物比标准镜头看到的景物更多，这意味着单个景物在广角镜头中会比较小，从而照片面积不增大、容纳的景物却变多了。
对于镜头的视距而言，它表示镜头的视力好坏，即最近能看到多近的景物，最远能看到多远的景物。在日常生活当中，每个人的睫毛离自己的眼睛太近了，这么近的东西能看得清楚吗？所以必须规定一下，最近只能看清楚比如离眼睛十厘米的物体。很遥远的景物自然也是看不清楚的，所以也要规定一下，比如最远只能看到一公里之内的人影。这个能看清景物的最近距离和最远距离，就构成了镜头的视距。
所以，镜头的焦距是横向的，它反映了画面的广度；而镜头的视距是纵向的，它反映了画面的深度。在OpenGL中，这些镜头参数的调节依赖于GL10的gluPerspective方法，具体的参数调整代码举例如下：

        // 设置投影矩阵，对应gluPerspective（调整相机参数）、glFrustumf（调整透视投影）、glOrthof（调整正投影）
        gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
        // 重置投影矩阵，即去掉所有的参数调整操作
        gl.glLoadIdentity();
        // 设置透视图视窗大小。第二个参数是焦距的角度，第四个参数是能看清的最近距离，第五个参数是能看清的最远距离
        GLU.gluPerspective(gl, 40, (float) width / height, 0.1f, 20.0f);

3、挪动观测方位

调整好了镜头的拍照参数，要不要再摆个POSE，来个花式摄影？比如用户跃上好几级台阶，居高临下拍摄；也可俯下身子，从下向上拍摄；还能把手机横过来拍或者倒过来拍。要是怕摄影家累坏了，不妨叫摆拍的模特自己挪动身影，或者走进或者走远，往左靠一点或者往右靠一点，还可以躺下来甚至倒立过来。
因此，不管是挪动相机的位置，还是挪动物体的位置，都会让照片里的景物发生变化。挪动相机的位置，依靠的是GL10的gluLookAt方法；至于挪动物体的位置，依靠的则是旋转方法glRotatef、平移方法glTranslatef，以及缩放方法glScalef了。下面是OpenGL挪动相机位置的方法调用代码：

        // 选择模型观察矩阵，对应gluLookAt（人动）、glTranslatef/glScalef/glRotatef（物动）
        gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
        // 重置模型矩阵，即去掉所有的位置挪动操作
        gl.glLoadIdentity();
        // 设置镜头的方位。第二到第四个参数为相机的位置坐标，第五到第七个参数为相机画面中心点的坐标，第八到第十个参数为朝上的坐标方向，比如第八个参数为1表示x轴朝上，第九个参数为1表示y轴朝上，第十个参数为1表示z轴朝上
        GLU.gluLookAt(gl, 10.0f, 8.0f, 6.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

注意到前面调整相机参数和挪动相机位置这两个动作，都事先调用了glMatrixMode与glLoadIdentity方法，这是什么缘故呢？其实这两个方法结合起来只不过是状态重置操作，好比把手机恢复出厂设置，接下来重新进行状态设置。glMatrixMode方法的参数指定了重置操作的类型，像GL10.GL_PROJECTION类型涵盖了所有的镜头参数调整方法，包括gluPerspective（调整相机参数）、glFrustumf（调整透视投影）、glOrthof（调整正投影）三种方法，每次重置GL10.GL_PROJECTION类型，意味着之前的这三种参数设置统统失效。而GL10.GL_MODELVIEW类型涵盖的是位置变换的相关方法，包括挪动相机的gluLookAt方法，以及挪动物体的glTranslatef/glScalef/glRotatef方法，每次重置GL10.GL_MODELVIEW类型，意味着之前的位置挪动统统失效。

现在了解了以上的三维绘图的常见方法，接下来再看OpenGL的应用代码就会比较轻松了。先来看看一个最简单的三维立方体是如何实现的，下面是OpenGL绘制立方体的代码例子片段：

public class GlCubeActivity extends Activity {
    private final static String TAG = "GlCubeActivity";
    private GLSurfaceView glsv_content;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_gl_cube);
        initVertexs(); // 初始化立方体的顶点集合，具体说明详见下一篇文章
        glsv_content = (GLSurfaceView) findViewById(R.id.glsv_content);
        // 注册渲染器
        glsv_content.setRenderer(new GLRender());
    }

    private class GLRender implements GLSurfaceView.Renderer {
        @Override
        public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
            // 背景：白色
            gl.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
            // 启动阴影平滑
            gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);
        }

        @Override
        public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
            // 设置输出屏幕大小
            gl.glViewport(0, 0, width, height);
            // 设置投影矩阵，对应gluPerspective（调整相机）、glFrustumf（调整透视投影）、glOrthof（调整正投影）
            gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
            // 重置投影矩阵，即去掉所有的平移、缩放、旋转操作
            gl.glLoadIdentity();
            // 设置透视图视窗大小
            GLU.gluPerspective(gl, 40, (float) width / height, 0.1f, 20.0f);
            // 选择模型观察矩阵，对应gluLookAt（人动）、glTranslatef/glScalef/glRotatef（物动）
            gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
            // 重置模型矩阵
            gl.glLoadIdentity();
        }

        @Override
        public void onDrawFrame(GL10 gl) {
            // 清除屏幕和深度缓存
            gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
            // 重置当前的模型观察矩阵
            gl.glLoadIdentity();
            // 设置画笔颜色
            gl.glColor4f(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);
            // 设置镜头的方位
            GLU.gluLookAt(gl, 10.0f, 8.0f, 6.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
            // 旋转图形
            //gl.glRotatef(angle, 0, 0, -1);
            //gl.glRotatef(angle, 0, -1, 0);
            // 沿x轴方向移动1个单位
            //gl.glTranslatef(1, 0, 0);
            // x，y，z方向缩放0.1倍
            //gl.glScalef(0.1f, 0.1f, 0.1f);
            // 绘制一个立方体，具体说明详见下一篇文章
            drawCube(gl);
        }
    }
}

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