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OpenGL-ES-案例04:GLSL加载图片

本案例的主要目的在于理解GLSL语言自定义着色器以及自定义着色器是如何使用的

案例的效果是利用GLSL自定义的着色去加载一张图片,效果图如下

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案例的整体流程图如下

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流程中主要分为4个模块

  • 准备工作:项目的创建及自定义视图、属性等
  • 自定义着色器:利用GLSL编写自定义的顶点、片元着色器
  • 初始化:创建layer、context,清空缓存区,以及设置Render和Frame缓存区
  • 绘制:主要是GLSL加载、顶点数据处理以及加载纹理,最后绘制到屏幕上

准备工作

项目的创建及自定义视图创建等,这里不作过多说明,主要说说着色器文件是如何创建的

  • command + N,开始新建文件

  • 选择 ios --> Other --> Empty,点击next

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  • 输入文件名称,例如shaderv.vsh,点击create,即创建成功

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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
//顶点坐标
attribute vec4 position;
纹理坐标
attribute vec2 textCoordinate;
//纹理坐标
varying lowp vec2 varyTextCoord;

void main(){
    //通过varying 修饰的varyTextCoord,将纹理坐标传递到片元着色器
    varyTextCoord = textCoordinate;
    //给内江变量gl_Position赋值
    gl_Position = position;
}

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片与着色器

  • 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,即纹理坐标,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,通过texture2D内建函数获取最终的颜色值,有两个参数,参数1是纹理图片,参数2是纹理坐标,且返回值是一个vec4类型的颜色值,并将该值结果赋值给内建变量
//指定float的默认精度
precision highp float;
//纹理坐标
varying lowp vec2 varyTextCoord;
//纹理采样器(获取对应的纹理ID)
uniform sampler2D colorMap;

void main(){
    //texture2D(纹理采样器,纹理坐标),获取对应坐标纹素
    //纹理坐标添加到对应像素点上,即将读取的纹素赋值给内建变量 gl_FragColor
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
}

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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

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  • 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
kEAGLDrawablePropertyColorFormat枚举值描述
kEAGLColorFormatRGBA832位的RGBA颜色值(每个表示8位,所以4*8=32位)
kEAGLColorFormatRGB56516位的RGB颜色值
kEAGLColorFormatSRGBA8表示标准的红、绿、蓝,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。

下面是两个属性的一些说明

属性说明默认值
kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking表示绘图表面显示后,是否保留其内容false
kEAGLDrawablePropertyColorFormat可绘制表面的内部颜色缓存区格式kEAGLColorFormatRGBA8
//1、创建图层
- (void)setupLayer{
//    1、创建特殊图层

    self.myEagLayer = (CAEAGLLayer*)self.layer;

//    2、设置scale
    [self setContentScaleFactor:[[UIScreen mainScreen] scale]];

//    3、设置描述属性
    self.myEagLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@false, kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking, kEAGLColorFormatRGBA8, kEAGLDrawablePropertyColorFormat, nil];
}

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

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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

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  • 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、创建上下文
- (void)setupContext{
//    1、指定OpenGL ES 渲染API版本
    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、将局部变量赋值给全局变量
    self.myContext = context;
}

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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

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需要清空两个缓存区:RenderBuffer和FrameBuffer

//3、清空缓存区
- (void)deleteRenderAndFrameBuffer{
//    清空渲染缓存区
    glDeleteBuffers(1, &_myColorRenderBuffer);
    self.myColorRenderBuffer = 0;

//    清空帧缓存区
    glDeleteBuffers(1, &_myColorFrameBuffer);
    self.myColorFrameBuffer = 0;
}

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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

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  • 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

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//4、设置RenderBuffer
- (void)setupRenderBuffer{
//    1、定义一个缓存区ID
    GLuint buffer;

//    2、申请一个缓存区标识符
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);

//    3、赋值给全局变量
    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的CAEAGLLayer的存储绑定到OpenGL ES renderBuffer对象
    [self.myContext renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:self.myEagLayer];
}

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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

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//5、设置FrameBuffer
- (void)setupFrameBuffer{
//    1、定义一个ID
    GLuint buffer;

//    2、申请一个缓存区标识符
    glGenBuffers(1, &buffer);

//    3、赋值给全局变量
    self.myColorFrameBuffer = buffer;

//    4、将标识符绑定到GL_FRAMEBUFFER
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, self.myColorFrameBuffer);

//    5、将渲染缓存区的myColorRenderBuffer 通过 glFramebufferRenderbuffer函数绑定到GL_COLOR_ATTACHMENT0上
    /*
     glFramebufferRenderbuffer (GLenum target, GLenum attachment, GLenum renderbuffertarget, GLuint renderbuffer)
     参数1:绑定到的目标
     参数2:FrameBuffer的附着点
     参数3:需要绑定的渲染缓冲区目标
     参数4:渲染缓冲区
     */
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
}

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注:绑定renderBuffer和FrameBuffer是有顺序的,先有RenderBuffer,才有FrameBuffer

绘制

绘制的整体流程图图所示

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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 & 清除屏幕
    glClearColor(0.3f, 0.45f, 0.5f, 1.0f);
    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);

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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

NSString *vertFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shaderv" ofType:@"vsh"];    NSString *fragFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shaderf" ofType:@"fsh"];
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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

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    • 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);}
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  • 【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

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//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;}
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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1: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)

注2:如果提示链接成功,但是图片没有加载出来

  • 检查RenderBuffer和FrameBuffer的设置是否有问题

使用program 通过glUseProgram函数来使用链接成功的program

 glUseProgram(self.myPrograme);
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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);
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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);
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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

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  • 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,再绘制之前,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
  • 设置纹理属性:通过glTexParameteri函数分别设置 放大/缩小的过滤方式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;}
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  • 【总结】图片解压缩的一般步骤
    • 将UIImage 转换为CGImageRef & 判断图片是否获取成功
    • 设置图的大小,宽和高
    • 获取图片字节数 = 宽4(rgba)
    • 创建CGContextRef上下文
    • 使用CGContextDrawImage绘制图片

设置纹理采样器 主要是获取纹理中对应像素点的的颜色值,即纹素

  • 通过glGetUniformLocation函数,获取fragment uniform的入口,需要传入两个参数,一个是program,一个是自定义片元着色器文件中变量名字符串colorMap,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glUniform1i函数获取纹素,有两个参数,第一个参数是 fragment uniform的入口,本质也是一个ID,第二个参数是纹理的ID,使用的是默认的ID 0
glUniform1i(glGetUniformLocation(self.myPrograme, "colorMap"), 0);
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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];
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完整的代码见github - 10_GLSL_01_加载图片

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