OpenGL ES： GLSL加载图片

案例的效果是通过GLSL自定义着色器去加载一张图片，如下图所示：

案例主要流程：

• ⽤EAGL 创建屏幕上的渲染表⾯
• 加载顶点/⽚元着⾊器
• 创建⼀个程序对象，并链接顶点/⽚元着⾊器，并链接程序对象
• 设置视⼝
• 清除颜⾊缓存区
• 渲染简单图元
• 使颜⾊缓存区的内容在EAGL窗⼝表现呈现

自定义着色器

自定义的着色器本质上其实是一个字符串，且在Xcode中编写时，是没有任何提示的，所以需要格外仔细！

顶点着色器

• 定义两个attribute修饰的变量，分别表示顶点坐标position和纹理坐标textCoordinate
• 定义一个与片元桥接的变量varyTextCoord，用来将纹理坐标从顶点着色器传递到片元着色器
• main函数：如果顶点没有任何变换操作，则直接将顶点坐标赋值给内建变量gl_Position；如果顶点有变换，将变换后的结果，即最终的顶点坐标数据，赋值给内建变量

attribute vec4 position;
attribute vec2 textCoordinate;
varying lowp vec2 varyTextCoord;

void main()
{
    varyTextCoord = textCoordinate;
    gl_Position = position;
}

片元着色器

• 片元着色器中float类型的精度，如果不写，可能会报一些异常的错误
• 定义一个与顶点着色器的桥接变量varyTextCoord，必须与顶点着色器中一模一样，如果不一致，纹理坐标数据将无法传递
• 定义一个unifom修饰的纹理采样器colorMap，用于获取纹理坐标每个像素点的纹素
• main函数：主要是纹理颜色的填充，即将最终的颜色值结果赋值给内建变量gl_FragColor

precision highp float;
varying lowp vec2 varyTextCoord;
uniform sampler2D colorMap;

void main()
{
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
}

初始化

初始化主要分为4部分

• setupLayer：创建图层
• setupContext：创建上下文
• deleteRenderAndFrameBuffer：清理缓存区
• setupRenderBuffer、setupFrameBuffer：设置RenderBuffer & FrameBuffer

setupLayer函数：创建图层

layer主要是用于显示OpenGL ES绘制内容的载体，函数流程如下

• 创建特殊图层，有两种方式

  • 1）直接使用view自带的layer
    由于UIView中自带的layer是继承自CALayer的，而需要创建的layer是继承自CAEAGLLayer的，所以需要重写类方法layerClass，返回[CAEAGLLayer class]
  • 2）使用init创建图层
    可以直接使用[[CAEAGLLayer alloc] init]创建一个新的layer，将其add到layer上
  • 在本案例中，使用的是view自带的layer

• 设置scale，将layer的大小设置为跟屏幕大小一致

• 设置描述属性

  • kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking 只有true 或者 false两种
  • kEAGLDrawablePropertyColorFormat有以下三种值

下面是两个属性的一些说明

//1.设置图层
-(void)setupLayer
{
    //1.创建特殊图层
    /*
     重写layerClass，将CCView返回的图层从CALayer替换成CAEAGLLayer
     */
    self.myEagLayer = (CAEAGLLayer *)self.layer;
    
    //2.设置scale
    [self setContentScaleFactor:[[UIScreen mainScreen]scale]];
    //3.设置描述属性，这里设置不维持渲染内容以及颜色格式为RGBA8
    /*
     kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking  表示绘图表面显示后，是否保留其内容。
     kEAGLDrawablePropertyColorFormat  可绘制表面的内部颜色缓存区格式，这个key对应的值是一个NSString指定特定颜色缓存区对象。默认是kEAGLColorFormatRGBA8；
     kEAGLColorFormatRGBA8：32位RGBA的颜色，4*8=32位
     kEAGLColorFormatRGB565：16位RGB的颜色，
     kEAGLColorFormatSRGBA8：sRGB代表了标准的红、绿、蓝，即CRT显示器、LCD显示器、投影机、打印机以及其他设备中色彩再现所使用的三个基本色素。sRGB的色彩空间基于独立的色彩坐标，可以使色彩在不同的设备使用传输中对应于同一个色彩坐标体系，而不受这些设备各自具有的不同色彩坐标的影响。
    */
    self.myEagLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@false,kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking, kEAGLColorFormatRGBA8,kEAGLDrawablePropertyColorFormat,nil];
}

+(Class)layerClass
{
    return [CAEAGLLayer class];
}

setupContext函数：创建上下文

上下文主要是用于保存OpenGL ES中的状态，是一个状态机，不论是GLKIt还是GLSL，都是需要context的，主要创建流程如下

• 创建Context，并指定OpenGL ES 渲染API的版本号（2、3均可），且判断是否创建成功
• 设置当前的context为创建的context，并判断是都设置成功
• 将其赋值给全局的context

//2.设置上下文
-(void)setupContext
{
    //1.指定OpenGL ES 渲染API版本，我们使用2.0
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES2;
    //2.创建图形上下文
    EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc]initWithAPI:api];
    //3.判断是否创建成功
    if (!context) {
        NSLog(@"Create context failed!");
        return;
    }
    //4.设置图形上下文
    if (![EAGLContext setCurrentContext:context]) {
        NSLog(@"setCurrentContext failed!");
        return;
    }
    //5.将局部context，变成全局的
    self.myContext = context;
}

deleteRenderAndFrameBuffer函数：清理缓存区

清理缓冲区的目的在于清除残留数据，防止残留数据对本次操作造成影响

需要清空两个缓存区：RenderBuffer和FrameBuffer

//3.清空缓存区
-(void)deleteRenderAndFrameBuffer
{
    /*
     buffer分为frame buffer 和 render buffer2个大类。
     其中frame buffer 相当于render buffer的管理者。
     frame buffer object即称FBO。
     render buffer则又可分为3类。colorBuffer、depthBuffer、stencilBuffer。
     */
    
    glDeleteBuffers(1, &_myColorRenderBuffer);
    self.myColorRenderBuffer = 0;
    
    glDeleteBuffers(1, &_myColorFrameBuffer);
    self.myColorFrameBuffer = 0;
}

设置RenderBUffe & FrameBuffer

在设置之前，首先说说RenderBuffer和FrameBuffer

• RenderBuffer：是一个通过应用分配的2D图像缓冲区，需要附着在FrameBuffer上
• FrameBuffer：是一个收集颜色、深度和模板缓存区的附着点，简称FBO，即是一个管理者，用来管理RenderBuffer，且FrameBuffer没有实际的存储功能，真正实现存储的是RenderBuffer

下面这张图很形象的表示了两者间的关系

• FrameBuffer有3个附着点
  • 颜色附着点（Color Attachment）：管理纹理、颜色缓冲区
  • 深度附着点（depth Attachment）：会影响颜色缓冲区，管理深度缓冲区（Depth Buffer）
  • 模板附着点（Stencil Attachment）：管理模板缓冲区（Stencil Buffer）
• RenderBuffer有3种缓存区
  • 深度缓存区（Depth Buffer）：存储深度值等
  • 纹理缓存区：存储纹理坐标中对应的纹素、颜色值等
  • 模板缓存区（Stencil Buffer）：存储模板

setupRenderBuffer函数

主要是创建RenderBufferID并申请标识符，将标识符绑定至GL_RENDERBUFFER，并且将layer的相关存储绑定到RenderBuffer对象
设置的流程如下

//4.设置RenderBuffer
-(void)setupRenderBuffer
{
    //1.定义一个缓存区ID
    GLuint buffer;
    
    //2.申请一个缓存区标志
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    
    //3.
    self.myColorRenderBuffer = buffer;
    
    //4.将标识符绑定到GL_RENDERBUFFER
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
    
    //5.将可绘制对象drawable object's  CAEAGLLayer的存储绑定到OpenGL ES renderBuffer对象
    [self.myContext renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:self.myEagLayer];
}

setupFrameBuffer函数

主要是创建FrameBuffer的ID并申请标识符，将标识符绑定至GL_FRAMEBUFFER，然后将RenderBuffer通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到FrameBuffer中的GL_COLOR_ATTACHMENT0附着点上，通过FrameBuffer来管理RenderBuffer，RenderBuffer存储相关数据到相应缓存区
设置流程如下

//5.设置FrameBuffer
-(void)setupFrameBuffer
{
    //1.定义一个缓存区ID
    GLuint buffer;
    
    //2.申请一个缓存区标志
    //glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    //glGenFramebuffers(1, &buffer);
    glGenBuffers(1, &buffer);
    
    //3.
    self.myColorFrameBuffer = buffer;
    
    //4.
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, self.myColorFrameBuffer);
    
    /*生成帧缓存区之后，则需要将renderbuffer跟framebuffer进行绑定，
     调用glFramebufferRenderbuffer函数进行绑定到对应的附着点上，后面的绘制才能起作用
     */
    //5.将渲染缓存区myColorRenderBuffer 通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到 GL_COLOR_ATTACHMENT0上。
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
}

绘制

绘制的整体流程图图所示

主要包含5部分

• 初始化：初始化背景颜色，清理缓存，并设置视口大小
• GLSL自定义着色器加载：对自定义着色器进行加载，大致步骤为读取-->加载-->编译-->program链接-->使用
• 顶点数据设置及处理：将顶点坐标和纹理坐标读取到自定义的顶点着色器中
• 加载纹理：将png/jpg图片解压成位图，并读取纹理每个像素点的纹素
• 绘制：开始绘制，存储到RenderBuffer,从RenderBuffer将图片显示到屏幕上

初始化

需要注意的是，需要将视口的大小设置为与屏幕大小一致

//设置清屏颜色
glClearColor(0.3f, 0.45f, 0.5f, 1.0f);   
//清除屏幕
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    
//1.设置视口大小
CGFloat scale = [[UIScreen mainScreen]scale];
glViewport(self.frame.origin.x * scale, self.frame.origin.y * scale, self.frame.size.width * scale, self.frame.size.height * scale);

GLSL自定义着色器加载

自定义着色器的加载主要分为以下几步

• 读取自定义着色器
• compileShader & loadShaders函数：编译&加载着色器
• 链接program & 判断链接是否成功
• 使用program

读取自定义着色器

读取自定义着色器文件的前提是需要获得文件的路径，将其传入loadShaders函数进行加载

//2.读取顶点着色程序、片元着色程序
NSString *vertFile = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"shaderv" ofType:@"vsh"];
NSString *fragFile = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"shaderf" ofType:@"fsh"];

loadShaders函数 & compileShader函数

• 【compileShader函数】:在将着色器加载/附着到program上时，需要先进行编译，分为以下几步

• 根据文件路径读取着色器文件中的源码字符串，并将其转换为c中的字符串，类型为GLchar
• 根据传入的着色器类型type，调用glCreateShader函数创建一个带有唯一标识ID的着色器，此时着色器中并没有附加相对应的源码
• 将读取的着色器源码通过glShaderSource函数附加到创建的shader上，并将shader的ID返回给loadShaders函数中shader，以ID来获取并使用对应的着色器
• 通过glCompileShader函数将shader上附加的源码编译成目标代码

//编译shader
- (void)compileShader:(GLuint *)shader type:(GLenum)type file:(NSString *)file{
    //1.读取文件路径字符串
    NSString* content = [NSString stringWithContentsOfFile:file encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
    const GLchar* source = (GLchar *)[content UTF8String];

    NSLog(@"content %@， source %s", content, source);
    //2.创建一个shader（根据type类型）
    *shader = glCreateShader(type);

    //3.将着色器源码附加到着色器对象上。
    //参数1：shader,要编译的着色器对象 *shader
    //参数2：numOfStrings,传递的源码字符串数量 1个
    //参数3：strings,着色器程序的源码（真正的着色器程序源码）
    //参数4：lenOfStrings,长度，具有每个字符串长度的数组，或NULL，这意味着字符串是NULL终止的
    glShaderSource(*shader, 1, &source,NULL);
    
    NSLog(@"shader %d", *shader);

    //4.把着色器源代码编译成目标代码
    glCompileShader(*shader);
}

• 【loadShaders函数】:分别将顶点着色器和片元着色器编译完成后，并返回着色器对应的ID，然后通过glAttachShader函数将顶点和片元的shader分别附着到program上，然后释放不再使用的shader，并赋值给全局的program

//加载shader
-(GLuint)loadShaders:(NSString *)vert Withfrag:(NSString *)frag
{
    //1.定义2个零时着色器对象
    GLuint verShader, fragShader;
    //创建program
    GLint program = glCreateProgram();

    //2.编译顶点着色程序、片元着色器程序
    //参数1：编译完存储的底层地址
    //参数2：编译的类型，GL_VERTEX_SHADER（顶点）、GL_FRAGMENT_SHADER(片元)
    //参数3：文件路径
    [self compileShader:&verShader type:GL_VERTEX_SHADER file:vert];
    [self compileShader:&fragShader type:GL_FRAGMENT_SHADER file:frag];
    
    NSLog(@"verShader %d, fragShader: %d", verShader, fragShader);

    //3.创建最终的程序
    glAttachShader(program, verShader);
    glAttachShader(program, fragShader);

    //4.释放不需要的shader
    glDeleteShader(verShader);
    glDeleteShader(fragShader);

    return program;
}

链接program

• 通过glLinkProgram函数链接program
• 可以通过glGetProgramiv函数通过制定值GL_LINK_STATUS获取链接的状态，判断链接是成功还是失败
• 如果链接失败，可以通过glGetProgramIngoLog函数获取错误信息日志，根据错误信息一致去排查问题

注：如果提示链接失败，需要做如下检查

• 一般shader 有问题:
  • 1、检查 编写的shader 是否有误
  • 2、检查 传递值的地方 标识是否写错了
• 如果确认shader没有问题，再看看layoutSubviews中函数调用是否有误（博主遇到的一个问题就是由于调用写错了，导致链接失败，最关键的是还没有错误信息，通过断点调试发现shader一直是0，着色器文件也是正长的，然后疯狂排查问题，最后发现是在调用时粗心了，context的调用写成了layer的调用）

使用program

通过glUseProgram函数来使用链接成功的program

glUseProgram(self.myPrograme);

顶点数据设置及处理

通过数组存储顶点数据，并将顶点坐标和纹理坐标读取到自定义的顶点着色器中分为以下三步

• 设置顶点数据：主要是初始化顶点坐标和纹理坐标
• 开辟顶点缓存区：用于将顶点数据从CPU拷贝至GPU
• 打开顶点/片元的通道

设置顶点数据没什么好说的，就是以一个一维数组，下面说说后面的两步

开辟顶点缓存区

开启顶点缓存区，这部分其实跟之前使用GLKit框架开启缓存区步骤是一致的，没什么变化，有以下四步

• 通过GLuint定义一个顶点缓存区ID
• 通过glGenBuffers函数，申请一个顶点缓存区标识符
• 通过glBindBuffers函数，将缓存区的标识符绑定到GL_ARRAY_BUFFER
• 通过glBufferData函数，将顶点数据copy到GPU中

GLuint attrBuffer;
    glGenBuffers(1, &attrBuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, attrBuffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(attrArr), attrArr, GL_DYNAMIC_DRAW);

打开顶点/片元的通道

在iOS中，attribute通道默认是关闭的，需要手动开启，而数据有顶点坐标和纹理坐标两种，需要分别开启两次，这里的开启与GLKit框架中是有所区别的

• 由于本案例使用的是自定义着色器，所以需要自己获取vertex attribut的入口
• 在GLKit中使用的是封装好的固定着色器，直接指定入口即可

使用自定义着色器打开通道，一般有以下三步（相对于GLKit而言，只多了一个获取入口的步骤，后面两步是没有多大变化的）

• 通过glGetAttribLocation函数，获取vertex attribute的入口，需要传入两个参数，一个是program，一个是自定义着色器文件中变量名字符串，这里着重强调下！！！第二个参数的字符串必须与着色器文件中对应的变量名保持一致！
• 通过glEnableVertexAttribArray函数，设置合适的格式从buffer里读取数据，即设置读取入口
• 通过glVertexAttribPointer函数，设置读取方式

//     (1)注意：第二参数字符串必须和shaderv.vsh中的输入变量：position保持一致
    GLuint position = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "position");
//     (2).设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(position);
//     (3).设置读取方式
//          参数1：index,顶点数据的索引
//          参数2：size,每个顶点属性的组件数量，1，2，3，或者4.默认初始值是4.
//                 参数3：type,数据中的每个组件的类型，常用的有GL_FLOAT,GL_BYTE,GL_SHORT。默认初始值为GL_FLOAT
//          参数4：normalized,固定点数据值是否应该归一化，或者直接转换为固定值。（GL_FALSE）
//          参数5：stride,连续顶点属性之间的偏移量，默认为0；
//          参数6：指定一个指针，指向数组中的第一个顶点属性的第一个组件。默认为0
    glVertexAttribPointer(position, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat)*5, NULL);
    
//    9、处理纹理数据
//    (1).glGetAttribLocation,用来获取vertex attribute的入口的.
//    注意：第二参数字符串必须和shaderv.vsh中的输入变量：textCoordinate保持一致
//    (2).设置合适的格式从buffer里面读取数据
//    (3).设置读取方式
    GLuint textColor = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "textCoordinate");
    glEnableVertexAttribArray(textColor);
    glVertexAttribPointer(textColor, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat)*5, (float *)NULL+3);

加载纹理

这部分的内容主要是将png/jpg图片解压成位图，并通过自定义着色器读取纹理每个像素点的纹素，包含两部分
setupTexture函数
将png/jpg解压成位图，加载成纹理数据，其中纹理的解压缩使用的都是CoreGraphic，加载纹理的流程如下图

• 纹理解压缩：将UIImage转换为CGImageRef
• 图片重绘：使用CGContextRef常见的上下文，调用CGContextDrawImage函数使用默认方式进行绘制，在绘制之前，需要获取图片的大小、宽、高等数据，因为绘制时需要使用这些数据
• 绑定纹理：通过glBindTexture函数绑定，当只有一个纹理的时候，默认的纹理ID是0，且0一直是激活状态，因此是可以省略glGenTexture的
• 设置纹理属性：通过glTexParameteri函数分别设置 放大/缩小的过滤方式 和 S/T的环绕模式
• 载入纹理：通过glTexImage2D函数载入纹理，载入完成后，释放指向纹理数据的指针

//     从图片中加载纹理
- (GLuint)setupTexture: (NSString *)fileName {
//    1、将UIImage转换为CGImageRef & 判断图片是否获取成功
    CGImageRef spriteImage = [UIImage imageNamed:fileName].CGImage;
    
    if (!spriteImage) {
        NSLog(@"Failed to lead image %@", fileName);
        exit(1);
    }
    
//    2、读取图片的大小、宽和高
    size_t width = CGImageGetWidth(spriteImage);
    size_t height = CGImageGetHeight(spriteImage);
    
//    3、获取图片字节数 宽*高*4（RGBA）
    GLubyte *spriteData = (GLubyte *)calloc(width*height*4, sizeof(GLubyte));
    
//    4、创建上下文
    /*
    参数1：data,指向要渲染的绘制图像的内存地址
    参数2：width,bitmap的宽度，单位为像素
    参数3：height,bitmap的高度，单位为像素
    参数4：bitPerComponent,内存中像素的每个组件的位数，比如32位RGBA，就设置为8
    参数5：bytesPerRow,bitmap的没一行的内存所占的比特数
    参数6：colorSpace,bitmap上使用的颜色空间  kCGImageAlphaPremultipliedLast：RGBA
    */
    CGContextRef spriteContext = CGBitmapContextCreate(spriteData, width, height, 8, width*4, CGImageGetColorSpace(spriteImage), kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    NSLog(@"kCGImageAlphaPremultipliedLast %d", kCGImageAlphaPremultipliedLast);
   
//    5、在CGContextRef上 --- 将图片绘制出来
    /*
    CGContextDrawImage 使用的是Core Graphics框架，坐标系与UIKit 不一样。UIKit框架的原点在屏幕的左上角，Core Graphics框架的原点在屏幕的左下角。
    CGContextDrawImage
    参数1：绘图上下文
    参数2：rect坐标
    参数3：绘制的图片
    */
    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, width, height);
    
//    6、使用默认方式绘制
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);
    
//    7、画图完毕就释放上下文
    CGContextRelease(spriteContext);
    
//    8、绑定纹理到默认的纹理ID
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    
//    9、设置纹理属性
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    
    float fw = width, fh = height;
//    10、载入纹理2D数据
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, fw, fh, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, spriteData);
   
//    11、释放spriteData
    free(spriteData);
    return 0;
}

绘制

开始绘制，存储到RenderBuffer，从RenderBuffer将图片显示到屏幕上

• 调用glDrawArrays函数指定图元连接方式进行绘制
• context调用presentRenderbuffer函数将绘制好的图片渲染到屏幕上进行显示

//    12、绘制
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
    
//    13、从渲染缓存区显示到屏幕上
    [self.myContext presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];