Android 系统图形栈（一）： OpenGL ES 和 EGL 介绍

OpenGL ES

什么是 OpenGL ES？

OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）是 OpenGL 三维图形API的子集，针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计，各显卡制造商和系统制造商来实现这组 API。1

OpenGL 基本概念

因为 OpenGL ES 是 OpenGL 的一个子集，所以下面就主要介绍一些有关 OpenGL 的一些基本概念。

OpenGL 的结构可以从逻辑上划分为下面 3 个部分：

• 图元（Primitives）
• 缓冲区（Buffers）
• 光栅化（Rasterize）

图元（Primitives）

在 OpenGL 的世界里，我们只能画点、线、三角形这三种基本图形，而其它复杂的图形都可以通过三角形来组成。所以这里的图元指的就是这三种基础图形：

• 点：点存在于三维空间，坐标用（x,y,z）表示。
• 线：由两个三维空间中的点组成。
• 三角形：由三个三维空间的点组成。

缓冲区（Buffers）

OpenGL 中主要有 3 种 Buffer：

• 帧缓冲区（Frame Buffers） 帧缓冲区：这个是存储OpenGL 最终渲染输出结果的地方，它是一个包含多个图像的集合，例如颜色图像、深度图像、模板图像等。

• 渲染缓冲区（Render Buffers） 渲染缓冲区：渲染缓冲区就是一个图像，它是 Frame Buffer 的一个子集。

• 缓冲区对象（Buffer Objects） 缓冲区对象就是程序员输入到 OpenGL 的数据，分为结构类和索引类的。前者被称为“数组缓冲区对象”或“顶点缓冲区对象”（“Array Buffer Object”或“Vertex Buff er Object”），即用来描述模型的数组，如顶点数组、纹理数组等； 后者被称为“索引缓冲区对象”（“Index Buffer Object”），是对上述数组的索引。

光栅化（Rasterize）

在介绍光栅化之前，首先来补充 OpenGL 中的两个非常重要的概念：

• Vertex Vertex 就是图形中顶点，一系列的顶点就围成了一个图形。
• Fragment Fragment 是三维空间的点、线、三角形这些基本图元映射到二维平面上的映射区域，通常一个 Fragment 对应于屏幕上的一个像素，但高分辨率的屏幕可能会用多个像素点映射到一个 Fragment，以减少 GPU 的工作。

而光栅化是把点、线、三角形映射到屏幕上的像素点的过程。

 

着色器程序（Shader）

Shader 用来描述如何绘制（渲染），GLSL 是 OpenGL 的编程语言，全称 OpenGL Shader Language，它的语法类似于 C 语言。OpenGL 渲染需要两种 Shader：Vertex Shader 和 Fragment Shader。

• Vertex Shader Vertex Shader 对于3D模型网格的每个顶点执行一次，主要是确定该顶点的最终位置。
• Fragment Shader Fragment Shader对光栅化之后2D图像中的每个像素处理一次。3D物体的表面最终显示成什么样将由它决定，例如为模型的可见表面添加纹理，处理光照、阴影的影响等等。

OpenGL 流水线

OpenGL 中有两种流水线，一种是固定流水线，另外一种则是可编程流水线。

其中，OpenGL 1.0 版本支持固定流水线。其结构如下图所示：

从OpenGL 2.0版本开始，OpenGL支持可编程的流水线。也就是说，程序员可以通过Shader（一种程序）来控制GPU渲染的过程。

EGL

什么是 EGL？

EGL 是 OpenGL ES 渲染 API 和本地窗口系统(native platform window system)之间的一个中间接口层，它主要由系统制造商实现。EGL提供如下机制：

• 与设备的原生窗口系统通信
• 查询绘图表面的可用类型和配置
• 创建绘图表面
• 在OpenGL ES 和其他图形渲染API之间同步渲染
• 管理纹理贴图等渲染资源

为了让OpenGL ES能够绘制在当前设备上，我们需要EGL作为OpenGL ES与设备的桥梁。

使用 EGL 绘图的基本步骤

 

• Display(EGLDisplay) 是对实际显示设备的抽象。
• Surface（EGLSurface）是对用来存储图像的内存区域
• FrameBuffer 的抽象，包括 Color Buffer， Stencil Buffer ，Depth Buffer。Context (EGLContext) 存储 OpenGL ES绘图的一些状态信息。

使用EGL的绘图的一般步骤：

1. 获取 EGL Display 对象：eglGetDisplay()
2. 初始化与 EGLDisplay 之间的连接：eglInitialize()
3. 获取 EGLConfig 对象：eglChooseConfig()
4. 创建 EGLContext 实例：eglCreateContext()
5. 创建 EGLSurface 实例：eglCreateWindowSurface()
6. 连接 EGLContext 和 EGLSurface：eglMakeCurrent()
7. 使用 OpenGL ES API 绘制图形：gl_*()
8. 切换 front buffer 和 back buffer 送显：eglSwapBuffer()
9. 断开并释放与 EGLSurface 关联的 EGLContext 对象：eglRelease()
10. 删除 EGLSurface 对象
11. 删除 EGLContext 对象
12. 终止与 EGLDisplay 之间的连接

OpenGL ES 和 EGL 的联系

 

一个类比的例子

我们来思考一下画家绘画的过程：首先要有一名懂得各种绘画技艺的画家，然后他需要一张画布，一些笔，一些颜料，一些辅助工具（尺、模板、橡皮、调色板等等），然后他在画布上绘制第一幅画，完成之后展示给人们看；在人们观赏第一幅画的时候，他可以在第二张画布上绘制第二幅画，绘制完成后收回第一幅画，将第二幅画展现给人们看；接着使用工具擦除第一幅画，在同一张画布上绘制第三幅画；周而复始，人们便看到了一幅接一幅的画。

对比 OpenGL ES/EGL，各要素的对应关系大体如下：

• 画家：编程人员
• 笔、颜料、辅助工具：OpenGL ES API
• 画布：EGL 创建的 Surface

所以计算机绘画的本质就是选择图像显示的像素格式，申请一块内存（画布），填充像素（颜色），绘制完成之后，通知计算机显示到屏幕上（按比例发射RGB光），最终就看到了所绘制的画面。之所以要先选择像素格式，是因为无论是所申请内存的大小，还是硬件驱动解析这块内存的方式，都是由像素格式决定的。

参考资料

1. EGL 的官方介绍说明
2. Understaing Android EGL
3. 安卓 OpenGL ES 2.0 完全入门（一）：基本概念和 hello world
4. EGL 参考资料1: 学习OpenGL-ES: 1 - 像素、颜色、显存、初始化
5. EGL 参考资料2: 学习OpenGL-ES: 2 - EGL解析
6. OpenGL ES 2.0 编程三步曲
7. OpenGL 参考资料1: 学习OpenGL-ES: 3 - 3D绘图原理
8. Android OpenGL ES 离屏渲染（offscreen render）
9. OpenGL基本概念
10. All about OpenGL ES 2.x - (part 1/3)
11. All about OpenGL ES 2.x - (part 2/3)
12. All about OpenGL ES 2.x - (part 3/3)
13. 关于EGL

1. https://zh.wikipedia.org/wiki/OpenGL_ES ↩