使用OpenGL 怎么實(shí)現(xiàn)ES正交投影

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)使用OpenGL 怎么實(shí)現(xiàn)ES正交投影，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關(guān)知識有一定的了解。

繪制正方形

在最開始繪制的六邊形里面好像看起來挺容易的，也沒有出現(xiàn)什么問題，接下來不妨忘記前面繪制六邊形的代碼，讓我們按照自己的理解來繪制一個(gè)簡單的正方形。

按照我的理解，要想在屏幕中間顯示一個(gè)正方形，效果如下圖所示

應(yīng)該創(chuàng)建的數(shù)據(jù)如下圖所示

即傳給渲染管線的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)如下圖：

float[] vertexArray = new float[] {
   (float) -0.5, (float) -0.5, 0,
   (float) 0.5, (float) -0.5, 0,
   (float) -0.5, (float) 0.5, 0,
   (float) 0.5, (float) 0.5, 0
  };

于是代碼大概是這樣子的，這里省略掉與主題無關(guān)的代碼，顏色用純色填充，因此在片元著色器中指定顏色，也省略掉一系列矩陣變換。頂點(diǎn)著色器中直接將頂點(diǎn)傳給渲染管線，片元著色器中給片元設(shè)置固定顏色紅色。

Rectangle.java

public class Rectangle {
 private FloatBuffer mVertexBuffer;
 private int mProgram;
 private int mPositionHandle;

 public Rectangle(float r) {
  initVetexData(r);
 }

 public void initVetexData(float r) {
  // 初始化頂點(diǎn)坐標(biāo)
  float[] vertexArray = new float[] {
   (float) -0.5, (float) -0.5, 0,
   (float) 0.5, (float) -0.5, 0,
   (float) -0.5, (float) 0.5, 0,
   (float) 0.5, (float) 0.5, 0
  };

  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertexArray.length * 4);
  buffer.order(ByteOrder.nativeOrder());
  mVertexBuffer = buffer.asFloatBuffer();
  mVertexBuffer.put(vertexArray);
  mVertexBuffer.position(0);

  int vertexShader = loaderShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, vertexShaderCode);
  int fragmentShader = loaderShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderCode);

  mProgram = GLES20.glCreateProgram();
  GLES20.glAttachShader(mProgram, vertexShader);
  GLES20.glAttachShader(mProgram, fragmentShader);
  GLES20.glLinkProgram(mProgram);

  mPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "aPosition");
 }

 public void draw() {
  GLES20.glUseProgram(mProgram);
  // 將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞到管線，頂點(diǎn)著色器
  GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false, 0, mVertexBuffer);
  GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
  // 繪制圖元
  GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
 }

 private int loaderShader(int type, String shaderCode) {
  int shader = GLES20.glCreateShader(type);
  GLES20.glShaderSource(shader, shaderCode);
  GLES20.glCompileShader(shader);
  return shader;
 }

 private String vertexShaderCode = "attribute vec3 aPosition;"
   + "void main(){"
   + "gl_Position = vec4(aPosition,1);"
   + "}";

 private String fragmentShaderCode = "precision mediump float;"
   + "void main(){"
   + "gl_FragColor = vec4(1,0,0,0);"
   + "}";

}

RectangleView.java

public class RectangleView extends GLSurfaceView{

 public RectangleView(Context context) {
  super(context);
  setEGLContextClientVersion(2);
  setRenderer(new MyRender());
 }

 class MyRender implements GLSurfaceView.Renderer {
  private Rectangle rectangle;

  @Override
  public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
   GLES20.glClearColor(0.5f, 0.5f, 0.5f, 1);
   rectangle = new Rectangle(0.5f);
   GLES20.glEnable(GLES20.GL_DEPTH_TEST);
  }

  @Override
  public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
   GLES20.glViewport(0, 0, width, height);
  }

  @Override
  public void onDrawFrame(GL10 gl) {
   GLES20.glClear( GLES20.GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);
   rectangle.draw();
  }
 }

}

然后出來的效果是這樣子的，實(shí)際上屏幕上的坐標(biāo)并不是這樣子的，后面可以知道上面畫的這個(gè)樣子其實(shí)只是一個(gè)歸一化的設(shè)備坐標(biāo)。歸一化設(shè)備坐標(biāo)可以通過公式映射到實(shí)際的手機(jī)屏幕，后面會(huì)學(xué)到。

咦，實(shí)際效果好像和想象中的不太一樣呀。我的本意是顯示一個(gè)正方形，但實(shí)際上現(xiàn)實(shí)的卻是一個(gè)矩形了，y軸上被拉伸了，并且橫屏狀態(tài)下也是類似的情況。但比較巧的是，如果以屏幕中心做一個(gè)坐標(biāo)軸，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)矩形的四個(gè)頂點(diǎn)在這個(gè)坐標(biāo)軸x、y范圍為[-1,1]的中間。

實(shí)際上，要顯示的所有物體映射到手機(jī)屏幕上，都是要映射到x、y、z軸上的[-1,1]范圍內(nèi)，這個(gè)范圍內(nèi)的坐標(biāo)稱為歸一化設(shè)備坐標(biāo)，獨(dú)立于屏幕的實(shí)際尺寸和形狀。

因此按照這樣的規(guī)定，我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)正方形就非常困難了，因?yàn)橐獎(jiǎng)?chuàng)建正方形就必須考慮手機(jī)的寬高比，傳入數(shù)據(jù)的時(shí)候就比較復(fù)雜了：不能僅僅站在要繪制物體的自身角度來看了。也就是說，上面的例子中要繪制一個(gè)正方形，傳入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的y坐標(biāo)要按照比例進(jìn)行一點(diǎn)轉(zhuǎn)換，比如對16:9的屏幕，將上面?zhèn)魅氲捻旤c(diǎn)數(shù)據(jù)的y坐標(biāo)都乘以9/16即可。但同時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)處于橫屏?xí)r，又要處理傳入的x坐標(biāo)的值，顯然這不是一個(gè)好的方案。

引入投影

實(shí)際上，對于一個(gè)物體來說它有它自身的坐標(biāo)，這個(gè)空間稱為物體空間，也就是設(shè)計(jì)物體的時(shí)候采用的一個(gè)坐標(biāo)空間，物體的幾何中心在坐標(biāo)原點(diǎn)上，歸一化后坐標(biāo)范圍在[-1,1]之間，x和y軸分度是一致的。

將在這個(gè)空間的物體直接往手機(jī)屏幕的歸一化坐標(biāo)繪制時(shí)，由于屏幕的寬高比的問題，就會(huì)出現(xiàn)和預(yù)料結(jié)果不一樣。所以只需要對物體空間的坐標(biāo)做一個(gè)映射即可。

正交投影就是為了解決這個(gè)問題的，

public static void orthoM(float[] m, int mOffset,
  float left, float right, float bottom, float top,
  float near, float far)

正交投影背后的數(shù)學(xué)

orthoM函數(shù)產(chǎn)生的矩陣會(huì)把所有的左右之間、上下之間，遠(yuǎn)近之間的點(diǎn)映射到歸一化設(shè)備坐標(biāo)中。

各參數(shù)的含義如圖所示

正交投影是一種平行投影，投影線是平行的，其視景體是一個(gè)長方體，坐標(biāo)位于視景體中的物體才有效，視景體里面的物體投影到近平面上的部分最終會(huì)顯示到屏幕的視口中，關(guān)于視口后面會(huì)降到。

會(huì)產(chǎn)生下面的矩陣，z軸的負(fù)值會(huì)反轉(zhuǎn)z坐標(biāo)，這是因?yàn)闅w一化設(shè)備坐標(biāo)是左手系統(tǒng)，而OpenGL ES中的坐標(biāo)系統(tǒng)都是右手系統(tǒng)，這里還涉及到頂點(diǎn)坐標(biāo)的w分量，目前暫時(shí)用不到。

利用矩陣的就可以將物體空間[-1,1]之間的坐標(biāo)映射到屏幕歸一化設(shè)備坐標(biāo)的[-1,1]之間。歸一化屏幕坐標(biāo)是右手坐標(biāo)系統(tǒng)，原點(diǎn)在屏幕正中心，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向，z軸垂直屏幕向外。以豎屏為例，比如設(shè)置left=-1，right=1，bottom=-hight/width，top=hight/width，比如我的手機(jī)分辨率為1920*1080 =1.8 對上面的正方形點(diǎn)(0.5,0.5)坐標(biāo)而言經(jīng)過變化就成了(0.5,0.3)

在屏幕的歸一化設(shè)備坐標(biāo)中來看就是一個(gè)正方形了，因?yàn)閥軸范圍顯然比x軸大，0.3對應(yīng)的實(shí)際長度和x軸的0.5長度是一樣的。

上面的代碼需要做如下修改，在onSurfaceChanged里面增加如下代碼

@Override
  public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
   GLES20.glViewport(0, 0, width, height);
   // 根據(jù)屏幕方向設(shè)置投影矩陣
   float ratio= width > height ? (float)width / height : (float)height / width;
   if (width > height) {
    // 橫屏 
    Matrix.orthoM(mProjectionMatrix, 0, -ratio, ratio, -1, 1, 0, 5);
   } else {
    Matrix.orthoM(mProjectionMatrix, 0, -1, 1, -ratio, ratio, 0, 5);
   }
  }

接著在頂點(diǎn)著色器中對頂點(diǎn)乘以投影矩陣

private String vertexShaderCode = "uniform mat4 uProjectionMatrix;" // 增加這一行
   + "attribute vec3 aPosition;"
   + "void main(){"
   + "gl_Position = uProjectionMatrix * vec4(aPosition,1);" // 不是直接賦值而是乘以投影矩陣
   + "}";

最后增加獲取著色器中uProjectionMatrix以及傳入值的代碼部分即可。最終的效果不論橫屏還是豎屏，顯示的都是我們期望的正方形。

攝像機(jī)設(shè)置

需要補(bǔ)充的是，上面的參數(shù)near、far的含義指的是和視點(diǎn)的距離，視點(diǎn)貌似到目前還未接觸到，它指的是攝像機(jī)的位置，和實(shí)際生活中用相機(jī)看物體一樣，從不同的角度和位置拍攝同一個(gè)物體獲得的照片肯定是不一樣的，攝像機(jī)位置用setLookAtM函數(shù)指定。

 public static void setLookAtM(float[] rm, // 生成的攝像機(jī)矩陣
        int rmOffset,
   float eyeX, float eyeY, float eyeZ, // 攝像機(jī)的位置
   float centerX, float centerY, float centerZ, // 觀察目標(biāo)點(diǎn)的位置
               // 攝像機(jī)位置和觀察目標(biāo)點(diǎn)的位置確定了觀察方向
   float upX, float upY,float upZ // up向量在x、y、z軸上的分量，我覺得一般應(yīng)該是和觀察方向垂直的
        )

前面提到的確定的視景體就和上面函數(shù)指定的攝像機(jī)位置和觀察方向有關(guān)。攝像機(jī)默認(rèn)位置在(0,0,0)處，在上面的設(shè)置下，如果將改正方形沿z軸正方向平移1個(gè)單位，屏幕上就顯示不了，因?yàn)橐呀?jīng)跑到了設(shè)置的視景體外面了。

關(guān)于攝像機(jī)的參數(shù)和投影near和far參數(shù)的設(shè)置需要注意，肯定不是胡亂設(shè)置的！攝像機(jī)的位置、方向和投影矩陣定義的視景體最終確定了視景體的位置，如果設(shè)置不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致物體沒有顯示在屏幕上，因?yàn)槲矬w的坐標(biāo)可能位于視景體外面。

視口

前面說過在視景體中的物體最終會(huì)投影到近平面上，最終顯示到視口上，正如前面在onSurfaceChanged設(shè)置的那樣。

public static native void glViewport(
  int x,
  int y,
  int width,
  int height
 );

視口中各參數(shù)的含義

視口用的屏幕坐標(biāo)系原點(diǎn)并不在屏幕左上角而是在左下角，x軸向右，y軸向上。其實(shí)還不是很準(zhǔn)確，準(zhǔn)確的說，視口的坐標(biāo)原點(diǎn)位于該View的左下角，因?yàn)镚LSurfaceView并不總是占據(jù)整個(gè)屏幕的。

關(guān)于使用OpenGL 怎么實(shí)現(xiàn)ES正交投影就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識。如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。