OpenGL ES 案例05：GLSL使用索引绘图

本案例的主要目的是理解GLSL中如何索引绘图

本文案例代码有OC及Swift版本，详情见文末链接，讲解以OC版本为主

在介绍本案例之前，首先说说什么是索引绘图
一个图形中，有许多顶点，例如本案例中的金字塔，有5个面，由6个三角形组成，一共有18个顶点，然而实际肉眼可见的只有5个顶点，如下图所示

索引绘图技巧就是指将图形中的肉眼可见的顶点，通过索引的方式表示顶点之间的连接，将重复顶点复用进行图形绘制的一种技巧

案例的整体效果图如下

案例的整体流程如图所示

主要包含三部分

• 准备工作：主要是导入三方数学库以及全局变量的定义
• 自定义着色器：自定义顶点、片元着色器
• layoutSubview函数：绘制图形
• 按钮点击事件：根据点击不同的按钮实现不同方向的旋转

下面主要说说后面三部分

自定义着色器

用GLSL语言自定义顶点、片元着色器，步骤如下

顶点着色器

• 由于在案例中图形会发生旋转，涉及矩阵的变换，所以需要定义uniform修饰的投影矩阵和模型视图矩阵
• 在main函数中，需要将顶点数据与矩阵相乘，其相乘也是有顺序的，因为在OpenGL ES中是以列向量为主，position是列向量，即4*1矩阵，而投影矩阵、模型视图矩阵是4*4矩阵，矩阵相乘 本质是 矩阵叉乘，需要满足A x B 时， A的列数 = B的行数，所以需要将position X mvp相乘的顺序 颠倒为 pvm X position

//顶点坐标
attribute vec4 position;
//顶点颜色
attribute vec4 positionColor;
//投影矩阵
uniform mat4 projectionMatrix;
//模型视图矩阵
uniform mat4 modelViewMatrix;
//顶点颜色--用于与片元着色器桥接
varying lowp vec4 varyColor;

void main(){
    //将顶点颜色赋值给桥接的顶点颜色变量
    varyColor = positionColor;
    
    vec4 vPos;
    //顶点坐标变换： 4*4 x 4*4 x 4*1
    vPos = projectionMatrix * modelViewMatrix * position;
    //将变换后的顶点坐标赋值给内建变量
    gl_Position = vPos;
}

片元着色器

• 片元着色器中比较简单，只需要将顶点着色器中传过来的顶点颜色赋值给内建变量gl_FragColor
• 如果顶点颜色少于顶点个数，例如只有【红色，蓝色】，其他部分会进行颜色插值，类似于渐变色，如上面的效果图中所示
• 如果不想进行插值，就需要指定面颜色，不指定顶点颜色

//桥接的顶点颜色
varying lowp vec4 varyColor;

void main(){
    //顶点颜色赋值给内建变量
    gl_FragColor = varyColor;
}

layoutSubviews

这部分主要是绘制前的准备工作和图形的绘制

• 初始化：绘制前的准备工作
• 绘制：使用索引绘图技巧绘制图形

初始化

这部分内容与OpenGL ES 案例04：GLSL加载图片中并没有什么区别

如图所示，共有5个步骤，这里简要说明下

• 绘制图层：用于创建挥之内容显示的载体
• 绘制上下文：用于记录状态
• 清除缓存区：避免之前的缓存，对本次绘制造成影响
• 设置renderBuffer：用于实际存储颜色、顶点等的缓存区
• 设置FrameBuffer：用于管理renderBuffer

绘制**

绘制的流程图如图所示，主要分为5部分

• 初始化
• GLSL自定义着色器加载
• 设置顶点数据
• 构建矩阵 & 传递到顶点着色器
• 索引绘图
  

其中初始化、自定义着色器两部分的代码可参考OpenGL ES 案例04：GLSL加载图片,也可直接在文末的github上查看源代码，在下面的说明中只简述下大致步骤

初始化

这部分主要有以下几步：

• 设置清屏颜色
• 清理缓存区
• 设置视口

GLSL自定义着色器加载

着色器的加载的流程如图所示

• 获取自定义着色器文件地址
• 判断program是否已经存在，如果存在则删除
• 加载着色器

加载着色器中主要分为4步

• 编译着色器
• 创建最终的程序：shader附着在program上
• 链接program & 判断是否链接成功
• 使用program

到此，GLSL编写的自定义着色器就加载完成了。

设置顶点数据

由于图形的绘制是使用的索引绘制，所以除了创建顶点数组外，还需要创建索引数组,大致流程如下

• 设置顶点数组 & 索引数组
  • 顶点数组中包含一个顶点包含6个数据，前3位表示顶点值（x，y，z），后3位表示颜色值（RGB）
  • 索引数组中每3个数表示一个三角形，其中的数据为顶点的标识符，表示三角形由这三个顶点构成

    GLfloat attrArr[] =
    {
        -0.5f, 0.5f, 0.0f,      1.0f, 0.0f, 1.0f, //左上0
        0.5f, 0.5f, 0.0f,       1.0f, 0.0f, 1.0f, //右上1
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,     1.0f, 1.0f, 1.0f, //左下2
        
        0.5f, -0.5f, 0.0f,      1.0f, 1.0f, 1.0f, //右下3
        0.0f, 0.0f, 1.0f,       0.0f, 1.0f, 0.0f, //顶点4
    };
    
    //(2).索引数组
    GLuint indices[] =
    {
        0, 3, 2,
        0, 1, 3,
        0, 2, 4,
        0, 4, 1,
        2, 3, 4,
        1, 4, 3,
    };

后面3步的代码在之前的案例OpenGL ES 案例04：GLSL加载图片中也有涉及，就不再过多说明

• 开辟缓存区，将顶点数据从CPU拷贝至GPU
• 处理顶点坐标数据：打开attribute通道，将顶点坐标传入顶点着色器
• 处理顶点颜色数据：打开attribute通道，将顶点颜色传入顶点着色器

构建矩阵
这部分主要是构建mvp矩阵，由于案例图形有旋转操作，还需要构建旋转矩阵

主要有以下4步

• 获取顶点着色器中uniform修饰的投影矩阵、模型视图矩阵的入口，方便后续将对应矩阵传入顶点着色器中，入口的获取与attribute入口获取类似，其中的name都需要与着色器中一模一样

GLuint projectionMatrixSlot = glGetUniformLocation(self.myPrograme, "projectionMatrix");
GLuint modelViewMatrixSlot = glGetUniformLocation(self.myPrograme, "modelViewMatrix");

• 获取屏幕的纵横比，用于设置透视投影

float width = self.frame.size.width;
float height = self.frame.size.height;
//获取纵横比
float aspect = width / height;

• 创建投影矩阵
  • 定义一个4*4的投影矩阵
  • 通过ksMatrixLoadIdentity将投影矩阵初始化为单元矩阵
  • 通过ksPerspective方法，设置透视投影
  • 通过glUniformMatrix4fv方法，将投影矩阵传递到vertex shader

矩阵涉及的方法均为数学三方库中的封装好的

KSMatrix4 _projectionMatrix;
    //(1)获取单元矩阵
    ksMatrixLoadIdentity(&_projectionMatrix);
    //(3)获取透视矩阵
    /*
     参数1：矩阵
     参数2：视角，度数为单位
     参数3：纵横比
     参数4：近平面距离
     参数5：远平面距离
     */
    ksPerspective(&_projectionMatrix, 30.0, aspect, 5.0f, 20.0f);
    
    //(4)将投影矩阵传递到顶点着色器
    /*
     参数1-location:指要更改的uniform变量的位置
     参数2-count:更改矩阵的个数
     参数3-transpose:是否要转置矩阵，并将它作为uniform变量的值。必须为GL_FALSE
     参数4-value:执行count个元素的指针，用来更新指定uniform变量
     */
    glUniformMatrix4fv(projectionMatrixSlot, 1, GL_FALSE, (GLfloat*)&_projectionMatrix.m[0][0]);

• 创建模型试图矩阵
  • 定义一个4*4的模型视图矩阵
  • 模型视图通过ksMatrixLoadIdentity载入一个单元矩阵
  • 将图形往屏幕里平移，即z轴平移-10，为了方便观察图形
  • 定义一个4*4的旋转矩阵
  • 旋转矩阵通过ksMatrixLoadIdentity载入一个单元矩阵
  • 通过ksRotate分别设置x、y、z相对应的旋转
  • 将旋转矩阵与模型视图矩阵相乘，将结果存储到模型视图矩阵
  • 将mv矩阵传递到vertex shader

//创建4*4的模型视图矩阵
    KSMatrix4 _modelViewMatrix;
    //初始化
    //(1)获取单元矩阵
    ksMatrixLoadIdentity(&_modelViewMatrix);
    //为了方便观察，围绕z轴往屏幕里平移10个像素点
    //(2)平移，z轴平移-10
    ksTranslate(&_modelViewMatrix, 0.0, 0.0, -10.0);
    
    //创建旋转
    //(3)创建一个4 * 4 矩阵，旋转矩阵
    KSMatrix4 _rotationMatrix;
    //初始化
    //(4)初始化为单元矩阵
    ksMatrixLoadIdentity(&_rotationMatrix);
    //有可能围绕 x / y / z任一轴旋转(为什么不写一行？不确定围绕哪个轴旋转)
    //(5)旋转
    ksRotate(&_rotationMatrix, xDegree, 1, 0, 0);
    ksRotate(&_rotationMatrix, yDegree, 0, 1, 0);
    ksRotate(&_rotationMatrix, zDegree, 0, 0, 1);
    
    //(6)把变换矩阵相乘.将_modelViewMatrix矩阵与_rotationMatrix矩阵相乘，结合到模型视图
    //矩阵相乘 modelview = rotation x modelview
    ksMatrixMultiply(&_modelViewMatrix, &_rotationMatrix, &_modelViewMatrix);
    
    //将mv矩阵传递到顶点着色器
    //(7)将模型视图矩阵传递到顶点着色器
    /*
     void glUniformMatrix4fv(GLint location,  GLsizei count,  GLboolean transpose,  const GLfloat *value);
     参数列表：
     location:指要更改的uniform变量的位置
     count:更改矩阵的个数
     transpose:是否要转置矩阵，并将它作为uniform变量的值。必须为GL_FALSE
     value:执行count个元素的指针，用来更新指定uniform变量
     */
    glUniformMatrix4fv(modelViewMatrixSlot, 1, GL_FALSE, (GLfloat*)&_modelViewMatrix.m[0][0]);

索引绘图

• 开启正背面剔除glEnable(GL_CULL_FACE);
• 通过glDrawElements函数，使用索引绘图，方法中3个参数
  • mode：要呈现的画图的模式
  • count：绘图个数，这里不是指顶点的个数，是索引的个数
  • type：类型
  • indices：索引数组

mode模式	type 类型
GL_POINTS	GL_BYTE
GL_LINES	GL_UNSIGNED_BYTE
GL_LINE_LOOP	GL_SHORT
GL_LINE_STRIP	GL_UNSIGNED_SHORT
GL_TRIANGLES	GL_INT
GL_TRIANGLE_STRIP	GL_UNSIGNED_INT
GL_TRIANGLE_FAN	----

glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(indices) / sizeof(indices[0]), GL_UNSIGNED_INT, indices);

• 要求本地窗口显示渲染的目标

[self.myContext presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];

按钮点击事件

主要是3个按钮的点击事件，点击事件实现分为以下两步

• 开启定时器
• 判断是否旋转
• 执行定时器方法
  • 更新角度
  • 重新渲染

完整的代码见github - 11_01_GLSL三角形变换_OC、11_01_GLSL三角形变换_Swift