OpenGL ES简介及环境搭建

## 第一章：OpenGL ES简介

### 1.1 什么是OpenGL ES？

OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）是一套用于嵌入式系统的图形渲染API（Application Programming Interface）。它是从桌面上的OpenGL API演化而来，经过了精简和优化，以适应移动设备等资源受限的环境。OpenGL ES提供了一系列用于渲染2D和3D图形的函数和操作，可以实现高性能、细致的图形渲染效果。

### 1.2 OpenGL ES的应用领域

OpenGL ES广泛应用于移动设备、嵌入式系统、游戏开发、虚拟现实、增强现实等领域。它可以用于开发各种类型的应用程序，包括游戏、图像处理、数据可视化等。在移动设备上，OpenGL ES可以被应用于绘制复杂的用户界面、实现高质量的视频播放、渲染3D场景等。

### 1.3 OpenGL ES与OpenGL的区别

OpenGL ES是OpenGL的子集，它从OpenGL继承了许多基本的功能和概念，但在某些方面进行了精简和修改。主要的区别包括：

- **精简的API**：OpenGL ES只包含了一部分OpenGL的功能，去除了一些针对桌面上常用的功能。其中，OpenGL ES 2.0是一个基于着色器的API，不再支持固定功能渲染管线。
- **移动设备的优化**：OpenGL ES针对移动设备进行了特别优化，支持更高效的渲染和节能。它考虑了移动设备的资源受限性和功耗问题，可以更好地适应移动设备的需求。
- **着色器编程**：OpenGL ES强制使用着色器进行渲染，不再支持固定功能渲染管线。这使得开发人员可以更灵活地控制渲染过程，并实现更复杂的图形效果。

## 第二章：OpenGL ES的基本概念

### 2.1 渲染管线

在了解OpenGL ES之前，首先需要理解渲染管线的概念。渲染管线是指将3D场景中的几何图形转化为最终的2D像素的过程。它包括两个阶段：顶点处理和片元处理。

顶点处理阶段主要负责处理场景中的顶点，进行顶点变换、光照计算、裁剪等操作。在这个阶段，顶点着色器会对每个顶点进行处理，将其最终转化为屏幕坐标。

片元处理阶段主要负责对顶点之间的空间进行插值，生成片元（像素）数据，并执行光照、纹理采样等操作。在这个阶段，片元着色器会对每个像素进行处理，计算出最终的颜色值。

渲染管线的概念是OpenGL ES中非常重要的基本概念，深入理解渲染管线的工作原理对于编写高效的OpenGL ES程序至关重要。

### 2.2 顶点和片元着色器

顶点和片元着色器是OpenGL ES中用于对顶点和片元进行处理的程序。它们使用着色器语言编写，可以自定义各种处理逻辑。

顶点着色器主要负责对顶点进行变换和光照计算等操作。在每个顶点上执行一次，输入是顶点数据，输出是变换后的顶点坐标、光照等信息。

片元着色器主要负责生成片元的颜色值。在每个片元（像素）上执行一次，输入是插值后的各个顶点的信息，输出是最终的片元颜色。

顶点和片元着色器的灵活性使得开发者可以根据需求自定义各种效果，从而实现更加逼真的渲染效果。

### 2.3 着色器语言

着色器语言是用于编写顶点和片元着色器的专门语言。在OpenGL ES中，最常用的着色器语言是GLSL（OpenGL Shading Language）。

GLSL是一种高级的C-like语言，它包含了许多用于图形计算的特殊语法和函数。通过GLSL，开发者可以方便地编写出高效的着色器程序。

GLSL支持向量和矩阵操作、条件语句、循环语句等基本特性，还支持各种内建函数和自定义函数的使用。

了解和熟练掌握GLSL语言是编写OpenGL ES程序的关键，它可以帮助开发者实现各种复杂的渲染效果。
### 第三章：OpenGL ES的环境搭建

在开始使用OpenGL ES进行开发之前，我们需要搭建好相应的开发环境。本章节将详细介绍如何搭建OpenGL ES的开发环境。

#### 3.1 开发环境选择

在搭建OpenGL ES的开发环境之前，我们首先需要选择适合自己的开发环境。目前市面上常见的开发环境包括：

- Android Studio：适用于Android平台的集成开发环境，支持OpenGL ES的开发。
- Xcode：适用于iOS平台的集成开发环境，同样支持OpenGL ES的开发。
- Visual Studio：PC端开发环境，也可以用于OpenGL ES的开发。
- Eclipse：比较老旧的开发环境，不过也可以用于OpenGL ES的开发。

根据自己的平台和个人喜好，选择一个适合自己的开发环境。

#### 3.2 安装OpenGL ES的开发工具

根据选择的开发环境，我们需要安装相应的OpenGL ES的开发工具。

如果选择Android Studio作为开发环境，可以直接在安装时选择安装Android开发工具包，其中包含了OpenGL ES的开发工具。

如果选择Xcode作为开发环境，则无需额外安装，因为Xcode已经集成了OpenGL ES的开发工具。

其他开发环境的安装方法类似，根据官方文档进行相应的安装。

#### 3.3 设置OpenGL ES的开发环境

在安装完相应的开发工具后，我们还需要进行一些设置来确保OpenGL ES的开发环境正常运行。

对于使用Android Studio的开发者，可以通过在项目的`build.gradle`文件中添加以下依赖来引入OpenGL ES的开发库：

implementation 'androidx.appcompat:appcompat:1.2.0'
implementation 'androidx.core:core:1.3.2'
implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:1.3.9'
implementation 'androidx.lifecycle:lifecycle-runtime-ktx:2.1.0'
implementation 'androidx.lifecycle:lifecycle-viewmodel-ktx:2.1.0'
implementation 'androidx.lifecycle:lifecycle-runtime-ktx:2.1.0'
implementation 'androidx.lifecycle:lifecycle-common-java8:2.1.0'
implementation 'androidx.lifecycle:lifecycle-extensions:2.1.0'
implementation 'com.google.android.gms:play-services-maps:17.0.0'
implementation 'com.google.android.gms:play-services-location:17.0.0'
implementation 'com.jakewharton.timber:timber:4.7.1'
implementation 'androidx.constraintlayout:constraintlayout:1.1.3'
implementation 'com.google.android.material:material:1.2.0-alpha06'
implementation 'androidx.recyclerview:recyclerview:1.2.0-alpha01'
implementation 'com.squareup.okhttp3:okhttp:4.9.0'
implementation 'com.squareup.retrofit2:retrofit:2.9.0'
implementation 'com.squareup.retrofit2:converter-gson:2.9.0'
implementation 'com.squareup.retrofit2:adapter-rxjava2:2.9.0'
implementation 'com.squareup.okhttp3:logging-interceptor:4.9.0'
implementation 'com.jakewharton.retrofit:retrofit2-kotlin-coroutines-adapter:0.9.2'

对于其他开发环境，请参考相应的官方文档进行设置。

经过以上的步骤，我们已经成功搭建好了OpenGL ES的开发环境。现在可以开始进行OpenGL ES的应用程序开发了。

在下一章节中，我们将学习如何创建OpenGL ES的应用程序。

## 第四章：创建OpenGL ES应用程序

在本章中，我们将介绍如何创建基本的OpenGL ES应用程序。我们将从搭建开发环境开始，然后学习如何编写和运行一个简单的OpenGL ES程序。最后，我们将了解如何编译和运行OpenGL ES应用程序。

### 4.1 创建OpenGL ES项目

要创建一个OpenGL ES项目，我们需要选择一个合适的开发环境。这里我们以Android Studio为例，具体步骤如下：

1. 打开Android Studio，点击菜单中的"File" -> "New" -> "New Project"。
2. 在弹出的对话框中，填写项目的名称和存储位置，然后点击"Next"。
3. 在下一个界面中，选择"Phone and Tablet" -> "Empty Activity"，然后点击"Next"。
4. 继续点击"Next"，直到点击"Finish"完成项目创建。

### 4.2 编写第一个OpenGL ES程序

在创建的项目中，我们需要先创建一个渲染视图。打开MainActivity.java文件，在onCreate方法中添加以下代码：

import android.opengl.GLSurfaceView;

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private GLSurfaceView mGLSurfaceView;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);

        mGLSurfaceView = new GLSurfaceView(this);
        mGLSurfaceView.setRenderer(new MyGLRenderer());
        setContentView(mGLSurfaceView);
    }
}

接下来，我们需要创建一个用于绘制图形的渲染器类。在项目中创建一个名为MyGLRenderer.java的文件，并添加以下代码：

import android.opengl.GLES20;
import android.opengl.GLSurfaceView;
import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig;
import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;

public class MyGLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {

    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 unused, EGLConfig config) {
        GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
    }

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

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 unused) {
        GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    }
}

### 4.3 编译和运行OpenGL ES应用程序

编写完OpenGL ES程序后，我们需要编译并运行它。在Android Studio中，点击工具栏上的运行按钮即可开始构建和安装应用程序。

一旦应用程序安装完成，它将在模拟器或连接的设备上运行，并显示一个黑色的窗口。

通过这个简单的OpenGL ES应用程序，我们已经成功创建了一个基本的OpenGL ES应用程序，并在屏幕上绘制了一个黑色窗口。

总结：

### 5. 第五章：绘制基本图形

在OpenGL ES中，绘制基本图形是入门的重要一步。本章将介绍如何在OpenGL ES中绘制点、线和三角形，为后续的图形渲染打下基础。

#### 5.1 绘制点

在OpenGL ES中，可以使用顶点坐标来定义点的位置，然后通过绘制命令将这些点渲染到屏幕上。

// 定义点的坐标
float[] pointCoordinates = { 0.0f, 0.0f, 0.0f };

// 设置顶点坐标
FloatBuffer vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(pointCoordinates.length * 4)
    .order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer();
vertexBuffer.put(pointCoordinates).position(0);

// 编译顶点着色器和片元着色器
// ...（省略部分代码）

// 绘制点
GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_POINTS, 0, 1);

这段代码中定义了一个点的坐标，并将其渲染到屏幕上。

#### 5.2 绘制线

绘制线的方法与绘制点类似，只是需要定义多个点的坐标，并使用绘制命令将这些点连接起来形成线段。

// 定义线的坐标
float[] lineCoordinates = { -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.5f, 0.5f, 0.0f };

// 设置顶点坐标
FloatBuffer vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(lineCoordinates.length * 4)
    .order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer();
vertexBuffer.put(lineCoordinates).position(0);

// 编译顶点着色器和片元着色器
// ...（省略部分代码）

// 绘制线
GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_LINES, 0, 2);

上面的代码定义了两个点的坐标，然后使用`GL_LINES`命令将这两个点连接起来形成一条线段。

#### 5.3 绘制三角形

绘制三角形是在3D图形编程中最常见的操作之一，OpenGL ES提供了多种绘制三角形的方式，其中最常用的是`GL_TRIANGLES`命令。

// 定义三角形的坐标
float[] triangleCoordinates = { 
    0.0f, 0.622008459f, 0.0f,   // top
    -0.5f, -0.311004243f, 0.0f, // bottom left
    0.5f, -0.311004243f, 0.0f   // bottom right
};

// 设置顶点坐标
FloatBuffer vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(triangleCoordinates.length * 4)
    .order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer();
vertexBuffer.put(triangleCoordinates).position(0);

// 编译顶点着色器和片元着色器
// ...（省略部分代码）

// 绘制三角形
GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, 3);

以上代码定义了一个三角形的三个顶点坐标，并使用`GL_TRIANGLES`命令将这三个点连接起来形成一个三角形。

### 6. 第六章：OpenGL ES的高级特性

OpenGL ES作为一种强大的图形渲染API，除了基本的图形绘制外，还支持许多高级特性，如纹理映射、光照和阴影、深度测试和透明度等。这些特性能够让开发者实现更加复杂和真实的3D场景效果。

#### 6.1 纹理映射

在OpenGL ES中，纹理映射是实现模型表面细节的常用技术。它可以让我们将图像贴在几何图形上，从而使得几何图形具有更加生动和丰富的外表。要在OpenGL ES中使用纹理映射，我们需要加载纹理图像，并在顶点着色器和片元着色器中进行纹理坐标的计算和采样。

// Java代码示例
// 加载纹理
int[] textureIds = new int[1];
GLES20.glGenTextures(1, textureIds, 0);
// 绑定纹理
GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureIds[0]);
// 设置纹理参数
// ...省略具体设置参数的代码
// 加载纹理图片
InputStream is = context.getResources().openRawResource(R.raw.texture_image);
Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeStream(is);
GLUtils.texImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, bitmap, 0);
bitmap.recycle();

#### 6.2 光照和阴影

光照和阴影可以使得物体在3D场景中产生真实的光影效果。OpenGL ES通过计算光的照射和物体的法线向量来实现光照效果。阴影则需要通过深度贴图等技术来实现，让物体在不同光照条件下产生适当的阴影效果。

// JavaScript代码示例
// 在顶点着色器中计算光照
varying vec3 normal;
varying vec3 lightDir;
void main() {
    // ...省略顶点位置计算
    // 计算法向量
    normal = mat3(modelViewMatrix) * normal;
    // 计算光线方向
    vec3 lightPosition = vec3(0.0, 0.0, 1.0); // 光源位置
    lightDir = lightPosition - vertexPosition;
    // ...省略其他顶点着色器代码
}

#### 6.3 深度测试和透明度

深度测试可以让场景中的物体按照远近关系进行合理的渲染顺序，同时实现遮挡关系，提高渲染效率。而透明度则可以实现半透明效果，让场景中的物体呈现出透明或半透明的效果。

// Go代码示例
// 开启深度测试
gl.Enable(gl.DEPTH_TEST)
gl.DepthFunc(gl.LESS)
// 设置透明度
gl.Enable(gl.BLEND)
gl.BlendFunc(gl.SRC_ALPHA, gl.ONE_MINUS_SRC_ALPHA)