OpenGL ES GLSL 自定义着色器 来显示一张图片

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上一篇我们使用 EAGLContext 和 GLKBaseEffect 加载显示了一张图片。 今天，我们使用 GLSL 自定义着色器来 加载显示一张图片。

我们不采用GLKBaseEffect，使用编译链接自定义的着色器（shader）。用简单的glsl语言来实现顶点、片元着色器，并图形进行简单的变换。

 大体思路上我们可以通过一下6步 来完成：

1.    创建图层
2.    创建上下文
3.    清空缓存区
4.    设置RenderBuffer
5.    设置FrameBuffer
6.    开始绘制

首先，我们自定义一个 SMView 继承自 UIView

自定义View

SMView 有一下属性

@interface SMView ()

// 在iOS和tvOS上绘制OpenGL ES 内容的涂层，继承自CALayer
@property (nonatomic, strong) CAEAGLLayer *myEagLayer;

@property (nonatomic, strong) EAGLContext *myContext;

@property (nonatomic, assign) GLuint myColorRenderBuffer;
@property (nonatomic, assign) GLuint myColorFrameBuffer;

@property (nonatomic, assign) GLuint myPrograme;

@end

实现我们的六步走

创建图层

首先， 创建特殊图层 （通过重写layerClass，将SMView返回的图层从CALayer替换成CAEAGLLayer）;

接着， 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。

#pragma mark -- 设置图层
- (void)setupLayer {
    
    self.myEagLayer = (CAEAGLLayer *)self.layer;
    
    // 设置scale
    [self setContentScaleFactor:[[UIScreen mainScreen] scale]];
    
    self.myEagLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@false,kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking,kEAGLColorFormatRGBA8,kEAGLDrawablePropertyColorFormat, nil];
}

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

设置图形上下文

• 设置我们使用的OpenGL ES 渲染API的版本；
• 创建图形上下文 EAGLContext ；
• 将创建的图形上下文设置为当前的图形上下文；

#pragma mark -- 设置上下文
- (void)setupContext {
    
    // 指定OpenGL ES 渲染API版本
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES3;
    // 创建图形上下文
    EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:api];
    // 判断是否创建成功
    if (!context) {
        NSLog(@"create context failed!");
        return;
    }
    //设置图形上下文
    if (![EAGLContext setCurrentContext:context]) {
        NSLog(@"setcurrentcontext failed！");
        return;
    }
    // 将局部context，变成全局的
    self.myContext = context;
}

清空缓存区

• 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。

#pragma mark -- 清空缓存区
- (void)deleteRenderAndFrameBuffer {
    
    glDeleteBuffers(1, &_myColorRenderBuffer);
    self.myColorRenderBuffer = 0;
    
    glDeleteBuffers(1, &_myColorFrameBuffer);
    self.myColorFrameBuffer = 0;
    
}

设置RenderBuffer

• 定义一个缓存区ID；
• 申请一个缓存区标志；
• 将标识符绑定到 GL_RENDERBUFFER；
• 将可绘制对象 drawable object‘s GAEAGLLayer 的存储绑定到 OpenGL ES renderBuffer对象

#pragma mark -- 设置RendderBuffer
- (void)setupRenderBuffer {
    
    GLuint buffer;
    
    glGenRenderbuffers(1, &buffer);
    
    self.myColorRenderBuffer = buffer;
    
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
    
    [self.myContext renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:self.myEagLayer];
}

设置FrameBuffer

• 定义一个缓存区ID
• 申请一个缓存区标志
• 将标识符绑定到 GL_FRAMEBUFFER
• 将渲染缓存区myColorRenderBuffer， 通过glFramebufferRenderbuffer函数绑定到GL_COLOR_ATTACHMENT0上

#pragma mark -- 设置FrameBuffer
- (void)setupFrameBuffer {
    
    GLuint buffer;
    
    glGenBuffers(1, &buffer);
    
    self.myColorFrameBuffer = buffer;
    
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, self.myColorFrameBuffer);
    
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_RENDERBUFFER, self.myColorRenderBuffer);
}

开始绘制

• 设置清除屏幕颜色；将屏幕清除；
• 设置适口的大小;
• 读取顶点着色器程序、片源着色器程序；
• 加载shader；
• 链接我们的 myPrograme
• 获取链接的状态，看是否有错误信息
• 使用我们的 myPrograme
• 设置 顶点、纹理坐标 （前三个是顶点坐标，后两个是纹理坐标）
• 处理顶点数据 （顶点缓存区；申请一个缓存表区标识符；将attrBuffer绑定到GL_ARRAY_BUFFER标识符上；把顶点数据从CPU内存复制到GPU上）
• 将顶点数据通过myPrograme中的传递到顶点着色程序的position （glGetAttribLocation，用来获取vertex attribute 的入口的；告诉OpenGL ES，通过glEnableVertexAttribArray；最后数据是通过glVertexAttribPointer传递过去的）
• 加载纹理
• 设置纹理采样器
• 绘图
• 从渲染缓存区显示到屏幕上

#pragma mark -- 开始绘制
- (void)renderLayer {
    
    // 设置清屏颜色
    glClearColor(0.3f, 0.4f, 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);
    
    // 2.读取顶点着色程序、 片源着色程序
    NSString *vertFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shaderv" ofType:@"vsh"];
    NSString *fragFile = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"shaderf" ofType:@"fsh"];
    
    NSLog(@"vertFile:%@", vertFile);
    NSLog(@"fragFile:%@", fragFile);
    
    // 3.加载shader
    self.myPrograme = [self loadShaders:vertFile withFrag:fragFile];
    
    // 4.链接
    glLinkProgram(self.myPrograme);
    GLint linkStatus;
    
    // 获取链接状态
    glGetProgramiv(self.myPrograme, GL_LINK_STATUS, &linkStatus);
    if (linkStatus == GL_FALSE) {
        GLchar message[500];
        glGetProgramInfoLog(self.myPrograme, sizeof(message), 0, &message[0]);
        NSString *messageString = [NSString stringWithUTF8String:message];
        NSLog(@"Program Link Error:%@", messageString);
        return;
    } else {
        NSLog(@"Program Link Success!");
    }
    
    // 5.使用program
    glUseProgram(self.myPrograme);
    
    // 6.设置顶点、纹理坐标 -- 前三个是顶点坐标，后两个是纹理坐标
    GLfloat attrArr[] = {
        0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
        -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, -1.0f,    0.0f, 0.0f,
        
        0.5f, 0.5f, -1.0f,      1.0f, 1.0f,
        -0.5f, 0.5f, -1.0f,     0.0f, 1.0f,
        0.5f, -0.5f, -1.0f,     1.0f, 0.0f,
    };
    
    // 7.处理顶点数据
    // （1）顶点缓存区
    GLuint attrBuffer;
    // （2）申请一个缓存区标识符
    glGenBuffers(1, &attrBuffer);
    // （3）将attrBuffer绑定到GL_ARRAY_BUFFER标识符上
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, attrBuffer);
    // （4）把顶点数据从 CPU 内存复制到 GPU 上
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(attrArr), attrArr, GL_DYNAMIC_DRAW);
    
    //8.将顶点数据通过myPrograme中的传递到顶点着色程序的position
    //（1）glGetAttribLocation，用来获取vertex attribute 的入口的
    //（2）告诉OpenGL ES，通过glEnableVertexAttribArray，
    //（3）最后数据是通过glVertexAttribPointer传递过去的
    
    // 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");
    // 设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(position);
    // 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
    GLuint textCoor = glGetAttribLocation(self.myPrograme, "textCoordinate");
    //（2）设置合适的格式从buffer里面读取数据
    glEnableVertexAttribArray(textCoor);
    
    //(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(textCoor, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat)*5, (float *)NULL+3);
    
    //10.加载纹理
    [self setupTexture:@"IMG_0068"];
    
    //11.设置纹理采样器
    glUniform1i(glGetUniformLocation(self.myPrograme, "colorMap"), 0);
    
    //12.绘图
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
    
    //13.从渲染缓存区显示到屏幕上
    [self.myContext presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}

顶点着色器文件

我们定义 一个 shaderv.vsh 文件 ；用来写我们的顶点着色器的代码；

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

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

片源着色器文件

我们定义 一个 shaderf.fsh 文件 ；用来写我们的顶点着色器的代码；

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

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

加载shader

• 定义两个临时着色器对象
• 创建program
• 编译顶点着色程序、片元着色程序
• 创建最终的程序
• 释放不需要的shader

#pragma mark -- 加载shader
- (GLuint)loadShaders:(NSString *)vert withFrag:(NSString *)frag {
    
    GLuint verShader, fragShader;
   
    GLuint program = glCreateProgram();
    
    // 编译顶点着色程序、片元着色程序
    //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];
    
    glAttachShader(program, verShader);
    glAttachShader(program, fragShader);
    
    glDeleteShader(verShader);
    glDeleteShader(fragShader);
    
    return program;
}

编译顶点着色程序、片元着色程序

• 首先读取到文件路径，加载文件内容；
• 创建shader根据type类型；
• 将着色器源码附加到着色器对象上；
• 最后把着色器代码编译成目标代码

#pragma mark -- 编译shader
- (void)compileShader:(GLuint *)shader type:(GLenum)type file:(NSString *)file {
    
    NSString *content = [NSString stringWithContentsOfFile:file encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
    const GLchar *source = (GLchar *)[content UTF8String];
    
    *shader = glCreateShader(type);
    
    //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);
    
    glCompileShader(*shader);
}

加载纹理

#pragma mark -- 从图片中加载纹理
- (GLuint)setupTexture:(NSString *)fileName {
    
    // 将 UIImage 转换为 CGImageRef
    CGImageRef spriteImage = [UIImage imageNamed:fileName].CGImage;
    
    // 判断图片是否获取成功
    if (!spriteImage) {
        NSLog(@"failed to load image %@", fileName);
        exit(1);
    }
    
    // 读取图片的大小，宽和高
    size_t width = CGImageGetWidth(spriteImage);
    size_t height = CGImageGetHeight(spriteImage);
    
    // 获取图片字节数 宽*高*4(RGBA)
    GLubyte *spriteData = (GLubyte *)calloc(width*height*4, sizeof(GLubyte));
    
    //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);
    
    // 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);
    
    // 使用默认方式绘制
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);
    
    // 画图完毕就释放上下文
    CGContextRelease(spriteContext);
    
    // 绑定纹理到默认的纹理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    
    // 设置纹理属性
    /*
     参数1：纹理维度
     参数2：线性过滤、为s,t坐标设置模式
     参数3：wrapMode,环绕模式
     */
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    
    
    float fw = width, fh = height;
    
    // 载入纹理2D数据
    /*
     参数1：纹理模式，GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
     参数2：加载的层次，一般设置为0
     参数3：纹理的颜色值GL_RGBA
     参数4：宽
     参数5：高
     参数6：border，边界宽度
     参数7：format
     参数8：type
     参数9：纹理数据
     */
    
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, fw, fh, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, spriteData);
    
    free(spriteData);
    return 0;
}

显示到VC

将我们自定义的SMView 添加到VC 到view 上，就可以看到我们 家崽的图片了。

问题

图片此刻是倒置显示的，为什么呢？下一篇，我们来探讨下……