(译）OpenGL ES2.0 – Iphone开发指引

 

原文链接地址：http://www.raywenderlich.com/3664/opengl-es-2-0-for-iphone-tutorial

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　　ps：非常感谢skingTree为我们提供的这篇翻译教程，感谢yy、小狼、北方加入我的教程翻译团队，谢谢你们！

教程截图：

　　OpenGL ES 是可以在iphone上实现2D和3D图形编程的低级API。

　　如果你之前接触过 cocos2d，sparrow，corona，unity 这些框架，你会发现其实它们都是基于OpenGL上创建的。

　　多数程序员选择使用这些框架，而不是直接调用OpenGL，因为OpenGL实在是太难用了。

　　而这篇教程，就是为了让大家更好地入门而写的。 

　　在这个系列的文章中，你可以通过一些实用又容易上手的实验，创建类似hello world的APP。例如显示一些简单的立体图形。

　　流程大致如下：

　　　　·创建一个简单的OpenGL app

　　　　·编译并运行 vertex & fragment shaders

　　　　·通过vertex buffer，在屏幕上渲染一个简单矩形

　　　　·使用投影和 model-view 变形。

　　　　·渲染一个可以 depth testing的3D对象。

　　说明：

　　　　我并非OpenGL的专家，这些完全是通过自学得来的。如果大家发现哪些不对的地方，欢迎指出。

OpenGL ES1.0 和 OpenGL ES2.0

　　第一件你需要搞清楚的事，是OpenGL ES 1.0 和 2.0的区别。

　　他们有多不一样？我只能说他们很不一样。

OpenGL ES1.0：

　　针对固定管线硬件(fixed pipeline)，通过它内建的functions来设置诸如灯光、，vertexes（图形的顶点数），颜色、camera等等的东西。

OpenGL ES2.0：

　　针对可编程管线硬件(programmable pipeline)，基于这个设计可以让内建函数见鬼去吧，但同时，你得自己动手编写任何功能。

　　“TMD”，你可能会这么想。这样子我还可能想用2.0么？

　　但2.0确实能做一些很cool而1.0不能做的事情，譬如：toon shader（贴材质）.

　　利用opengles2.0，甚至还能创建下面的这种很酷的灯光和阴影效果：

　　OpenGL ES2.0只能够在iphone 3GS+、iPod Touch 3G+ 和所有版本的ipad上运行。庆幸现在大多数用户都在这个范围。

开始吧

　　尽管Xcode自带了OpenGL ES的项目模板，但这个模板自行创建了大量的代码，这样会让初学者感到迷惘。

　　因此我们通过自行编写的方式来进行，通过一步一步编写，你能更清楚它的工作机制。

　　启动Xcode，新建项目-选择Window-based Application, 让我们从零开始。

　　点击下一步，把这个项目命名为HelloOpenGL，点击下一步，选择存放目录，点击“创建”。

　　CMD+R，build and run。你会看到一个空白的屏幕。

　　如你所见的，Window-based 模板创建了一个没有view、没有view controller或者其它东西的项目。它只包含了一个必须的UIWindow。

　　File/New File,新建文件：选择iOS\Cocoa Touch\Objective-c Class, 点击下一步。

　　选择subclass UIView，点击下一步，命名为 OpenGLView.m., 点击保存。

　　接下来，你要在这个OpenGLView.m 文件下加入很多代码。

1）  添加必须的framework （框架）

　　加入：OpenGLES.frameworks 和 QuartzCore.framework

　　在项目的Groups&Files 目录下，选择target “HelloOpenGL”，展开Link Binary with Libraries部分。这里是项目用到的框架。

　　“+”添加，选择OpenGLES.framework, 重复一次把QuartzCore.framework也添加进来。

2）修改OpenGLView.h

　　如下：引入OpenGL的Header，创建一些后面会用到的实例变量。

#import <UIKit/UIKit.h>
#import <QuartzCore/QuartzCore.h>
#include <OpenGLES/ES2/gl.h>
#include <OpenGLES/ES2/glext.h>
 
@interface OpenGLView : UIView {
    CAEAGLLayer* _eaglLayer;
    EAGLContext* _context;
    GLuint _colorRenderBuffer;
}
 
@end

3）设置layer class 为 CAEAGLLayer

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

　　想要显示OpenGL的内容，你需要把它缺省的layer设置为一个特殊的layer。（CAEAGLLayer）。这里通过直接复写layerClass的方法。

4) 设置layer为不透明（Opaque）

 

- (void)setupLayer {
    _eaglLayer = (CAEAGLLayer*) self.layer;
    _eaglLayer.opaque = YES;
}

 

　　因为缺省的话，CALayer是透明的。而透明的层对性能负荷很大，特别是OpenGL的层。

　　（如果可能，尽量都把层设置为不透明。另一个比较明显的例子是自定义tableview cell）

5）创建OpenGL context

- (void)setupContext {   
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES2;
    _context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:api];
    if (!_context) {
        NSLog(@"Failed to initialize OpenGLES 2.0 context");
        exit(1);
    }
 
    if (![EAGLContext setCurrentContext:_context]) {
        NSLog(@"Failed to set current OpenGL context");
        exit(1);
    }
}

　　无论你要OpenGL帮你实现什么，总需要这个 EAGLContext。

　　EAGLContext管理所有通过OpenGL进行draw的信息。这个与Core Graphics context类似。

　　当你创建一个context，你要声明你要用哪个version的API。这里，我们选择OpenGL ES 2.0.

　　（容错处理，如果创建失败了，我们的程序会退出）

6）创建render buffer （渲染缓冲区）

- (void)setupRenderBuffer {
    glGenRenderbuffers(1, &_colorRenderBuffer);
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, _colorRenderBuffer);        
    [_context renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:_eaglLayer];    
}

　　Render buffer 是OpenGL的一个对象，用于存放渲染过的图像。

　　有时候你会发现render buffer会作为一个color buffer被引用，因为本质上它就是存放用于显示的颜色。

　　创建render buffer的三步：

　1.     调用glGenRenderbuffers来创建一个新的render buffer object。这里返回一个唯一的integer来标记render buffer（这里把这个唯一值赋值到_colorRenderBuffer）。有时候你会发现这个唯一值被用来作为程序内的一个OpenGL 的名称。（反正它唯一嘛）

　2.     调用glBindRenderbuffer ，告诉这个OpenGL：我在后面引用GL_RENDERBUFFER的地方，其实是想用_colorRenderBuffer。其实就是告诉OpenGL，我们定义的buffer对象是属于哪一种OpenGL对象

　　3.     最后，为render buffer分配空间。renderbufferStorage

7）创建一个 frame buffer （帧缓冲区）

- (void)setupFrameBuffer {    
    GLuint framebuffer;
    glGenFramebuffers(1, &framebuffer);
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, 
        GL_RENDERBUFFER, _colorRenderBuffer);
 }

　　Frame buffer也是OpenGL的对象，它包含了前面提到的render buffer，以及其它后面会讲到的诸如：depth buffer、stencil buffer 和 accumulation buffer。

　　前两步创建frame buffer的动作跟创建render buffer的动作很类似。（反正也是用一个glBind什么的）

　　而最后一步  glFramebufferRenderbuffer 这个才有点新意。它让你把前面创建的buffer render依附在frame buffer的GL_COLOR_ATTACHMENT0位置上。

8）清理屏幕

 

- (void)render {
    glClearColor(0, 104.0/255.0, 55.0/255.0, 1.0);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    [_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}

　　为了尽快在屏幕上显示一些什么，在我们和那些 vertexes、shaders打交道之前，把屏幕清理一下，显示另一个颜色吧。（RGB 0, 104, 55，绿色吧）

　　这里每个RGB色的范围是0~1，所以每个要除一下255.

　　下面解析一下每一步动作：

　　1.      调用glClearColor ，设置一个RGB颜色和透明度，接下来会用这个颜色涂满全屏。

　　2.      调用glClear来进行这个“填色”的动作（大概就是photoshop那个油桶嘛）。还记得前面说过有很多buffer的话，这里我们要用到GL_COLOR_BUFFER_BIT来声明要清理哪一个缓冲区。

　　3.      调用OpenGL context的presentRenderbuffer方法，把缓冲区（render buffer和color buffer）的颜色呈现到UIView上。

9）把前面的动作串起来修改一下OpenGLView.m

// Replace initWithFrame with this
- (id)initWithFrame:(CGRect)frame
{
    self = [super initWithFrame:frame];
    if (self) {        
        [self setupLayer];        
        [self setupContext];                
        [self setupRenderBuffer];        
        [self setupFrameBuffer];                
        [self render];        
    }
    return self;
}
 
// Replace dealloc method with this
- (void)dealloc
{
    [_context release];
    _context = nil;
    [super dealloc];
}

10）把App Delegate和OpenGLView 连接起来

　　在HelloOpenGLAppDelegate.h 中修改一下:

// At top of file
#import "OpenGLView.h"
 
// Inside @interface
OpenGLView* _glView;
 
// After @interface
@property (nonatomic, retain) IBOutlet OpenGLView *glView;

　　接下来修改.m文件：

// At top of file
@synthesize glView=_glView;
 
// At top of application:didFinishLaunchingWithOptions
CGRect screenBounds = [[UIScreen mainScreen] bounds];    
self.glView = [[[OpenGLView alloc] initWithFrame:screenBounds] autorelease];
[self.window addSubview:_glView];
 
// In dealloc
[_glView release];

　　一切顺利的话，你就能看到一个新的view在屏幕上显示。

　　这里是OpenGL的世界。

添加shaders：顶点着色器和片段着色器

　　在OpenGL ES2.0 的世界，在场景中渲染任何一种几何图形，你都需要创建两个称之为“着色器”的小程序。

　　着色器由一个类似C的语言编写- GLSL。知道就好了，我们不深究。

　　这个世界有两种着色器（Shader）：

　　·Vertex shaders – 在你的场景中，每个顶点都需要调用的程序，称为“顶点着色器”。假如你在渲染一个简单的场景：一个长方形，每个角只有一个顶点。于是vertex shader 会被调用四次。它负责执行：诸如灯光、几何变换等等的计算。得出最终的顶点位置后，为下面的片段着色器提供必须的数据。

　　·Fragment shaders – 在你的场景中，大概每个像素都会调用的程序，称为“片段着色器”。在一个简单的场景，也是刚刚说到的长方形。这个长方形所覆盖到的每一个像素，都会调用一次fragment shader。片段着色器的责任是计算灯光，以及更重要的是计算出每个像素的最终颜色。

　　下面我们通过简单的例子来说明。

　　打开你的xcode，File\New\New File… 选择iOS\Other\Empty, 点击下一步。命名为：

　　SimpleVertex.glsl 点击保存。

　　打开这个文件，加入下面的代码：

attribute vec4 Position; // 1
attribute vec4 SourceColor; // 2
 
varying vec4 DestinationColor; // 3
 
void main(void) { // 4
    DestinationColor = SourceColor; // 5
    gl_Position = Position; // 6
}

　　我们一行一行解析：

　　1 “attribute”声明了这个shader会接受一个传入变量，这个变量名为“Position”。在后面的代码中，你会用它来传入顶点的位置数据。这个变量的类型是“vec4”,表示这是一个由4部分组成的矢量。

　　2 与上面同理，这里是传入顶点的颜色变量。

　　3 这个变量没有“attribute”的关键字。表明它是一个传出变量，它就是会传入片段着色器的参数。“varying”关键字表示，依据顶点的颜色，平滑计算出顶点之间每个像素的颜色。

文字比较难懂，我们一图胜千言：

　　图中的一个像素，它位于红色和绿色的顶点之间，准确地说，这是一个距离上面顶点55/100，距离下面顶点45/100的点。所以通过过渡，能确定这个像素的颜色。

　　4 每个shader都从main开始– 跟C一样嘛。

　　5 设置目标颜色 = 传入变量：SourceColor

　　6 gl_Position 是一个内建的传出变量。这是一个在 vertex shader中必须设置的变量。这里我们直接把gl_Position = Position; 没有做任何逻辑运算。

　　一个简单的vertex shader 就是这样了，接下来我们再创建一个简单的fragment shader。

　　新建一个空白文件：

　　File\New\New File… 选择iOS\Other\Empty

　　命名为：SimpleFragment.glsl 保存。

　　打开这个文件，加入以下代码：

varying lowp vec4 DestinationColor; // 1
 
void main(void) { // 2
    gl_FragColor = DestinationColor; // 3
}

　　下面解析：

 

 

 

　　1 这是从vertex shader中传入的变量，这里和vertex shader定义的一致。而额外加了一个关键字：lowp。在fragment shader中，必须给出一个计算的精度。出于性能考虑，总使用最低精度是一个好习惯。这里就是设置成最低的精度。如果你需要，也可以设置成medp或者highp.

　　2 也是从main开始嘛

　　3 正如你在vertex shader中必须设置gl_Position, 在fragment shader中必须设置gl_FragColor.

　　这里也是直接从 vertex shader中取值，先不做任何改变。

　　还可以吧？接下来我们开始运用这些shader来创建我们的app。

编译 Vertex shader 和 Fragment shader

　　目前为止，xcode仅仅会把这两个文件copy到application bundle中。我们还需要在运行时编译和运行这些shader。

　　你可能会感到诧异。为什么要在app运行时编译代码？

　　这样做的好处是，我们的着色器不用依赖于某种图形芯片。（这样才可以跨平台嘛）

　　下面开始加入动态编译的代码，打开OpenGLView.m

　　在initWithFrame: 方法上方加入：

- (GLuint)compileShader:(NSString*)shaderName withType:(GLenum)shaderType {
 
    // 1
    NSString* shaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:shaderName 
        ofType:@"glsl"];
    NSError* error;
    NSString* shaderString = [NSString stringWithContentsOfFile:shaderPath 
        encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
    if (!shaderString) {
        NSLog(@"Error loading shader: %@", error.localizedDescription);
        exit(1);
    }
 
    // 2
    GLuint shaderHandle = glCreateShader(shaderType);    
 
    // 3
constchar* shaderStringUTF8 = [shaderString UTF8String];    
    int shaderStringLength = [shaderString length];
    glShaderSource(shaderHandle, 1, &shaderStringUTF8, &shaderStringLength);
 
    // 4
    glCompileShader(shaderHandle);
 
    // 5
    GLint compileSuccess;
    glGetShaderiv(shaderHandle, GL_COMPILE_STATUS, &compileSuccess);
    if (compileSuccess == GL_FALSE) {
        GLchar messages[256];
        glGetShaderInfoLog(shaderHandle, sizeof(messages), 0, &messages[0]);
        NSString *messageString = [NSString stringWithUTF8String:messages];
        NSLog(@"%@", messageString);
        exit(1);
    }
 
    return shaderHandle;
 
}

　　下面解析：

 

 

 

　　1 这是一个UIKit编程的标准用法，就是在NSBundle中查找某个文件。大家应该熟悉了吧。

　　2 调用 glCreateShader来创建一个代表shader 的OpenGL对象。这时你必须告诉OpenGL，你想创建 fragment shader还是vertex shader。所以便有了这个参数：shaderType

　　3 调用glShaderSource ，让OpenGL获取到这个shader的源代码。（就是我们写的那个）这里我们还把NSString转换成C-string

　　4 最后，调用glCompileShader 在运行时编译shader

　　5 大家都是程序员，有程序的地方就会有fail。有程序员的地方必然会有debug。如果编译失败了，我们必须一些信息来找出问题原因。 glGetShaderiv 和 glGetShaderInfoLog  会把error信息输出到屏幕。（然后退出）

　　我们还需要一些步骤来编译vertex shader 和frament shader。

- 把它们俩关联起来

- 告诉OpenGL来调用这个程序，还需要一些指针什么的。

　　在compileShader: 方法下方，加入这些代码

- (void)compileShaders {
 
    // 1
    GLuint vertexShader = [self compileShader:@"SimpleVertex" 
        withType:GL_VERTEX_SHADER];
    GLuint fragmentShader = [self compileShader:@"SimpleFragment" 
        withType:GL_FRAGMENT_SHADER];
 
    // 2
    GLuint programHandle = glCreateProgram();
    glAttachShader(programHandle, vertexShader);
    glAttachShader(programHandle, fragmentShader);
    glLinkProgram(programHandle);
 
    // 3
    GLint linkSuccess;
    glGetProgramiv(programHandle, GL_LINK_STATUS, &linkSuccess);
    if (linkSuccess == GL_FALSE) {
        GLchar messages[256];
        glGetProgramInfoLog(programHandle, sizeof(messages), 0, &messages[0]);
        NSString *messageString = [NSString stringWithUTF8String:messages];
        NSLog(@"%@", messageString);
        exit(1);
    }
 
    // 4
    glUseProgram(programHandle);
 
    // 5
    _positionSlot = glGetAttribLocation(programHandle, "Position");
    _colorSlot = glGetAttribLocation(programHandle, "SourceColor");
    glEnableVertexAttribArray(_positionSlot);
    glEnableVertexAttribArray(_colorSlot);
}

　　下面是解析：

　　1       用来调用你刚刚写的动态编译方法，分别编译了vertex shader 和 fragment shader

　　2       调用了glCreateProgram glAttachShader  glLinkProgram 连接 vertex 和 fragment shader成一个完整的program。

　　3       调用 glGetProgramiv  lglGetProgramInfoLog 来检查是否有error，并输出信息。

　　4       调用 glUseProgram  让OpenGL真正执行你的program

　　5       最后，调用 glGetAttribLocation 来获取指向 vertex shader传入变量的指针。以后就可以通过这写指针来使用了。还有调用 glEnableVertexAttribArray来启用这些数据。（因为默认是 disabled的。）

　　最后还有两步：

　　1 在 initWithFrame方法里，在调用render之前要加入这个：

[self compileShaders];

　　2 在@interface in OpenGLView.h 中添加两个变量：

GLuint _positionSlot;
GLuint _colorSlot;

　　编译！运行！

 

 

 

　　如果你仍能正常地看到之前那个绿色的屏幕，就证明你前面写的代码都很好地工作了。

为这个简单的长方形创建 Vertex Data！

　　在这里，我们打算在屏幕上渲染一个正方形，如下图：

　　在你用OpenGL渲染图形的时候，时刻要记住一点，你只能直接渲染三角形，而不是其它诸如矩形的图形。所以，一个正方形需要分开成两个三角形来渲染。

　　图中分别是顶点（0,1,2）和顶点（0,2,3）构成的三角形。

　　OpenGL ES2.0的一个好处是，你可以按你的风格来管理顶点。

　　打开OpenGLView.m文件，创建一个纯粹的C结构以及一些array来跟踪我们的矩形信息，如下：

typedef struct {
    float Position[3];
    float Color[4];
} Vertex;
 
const Vertex Vertices[] = {
    {{1, -1, 0}, {1, 0, 0, 1}},
    {{1, 1, 0}, {0, 1, 0, 1}},
    {{-1, 1, 0}, {0, 0, 1, 1}},
    {{-1, -1, 0}, {0, 0, 0, 1}}
};
 
const GLubyte Indices[] = {
     0, 1, 2,
     2, 3, 0
};

　　这段代码的作用是：

　　1 一个用于跟踪所有顶点信息的结构Vertex （目前只包含位置和颜色。）

　　2 定义了以上面这个Vertex结构为类型的array。

　　3 一个用于表示三角形顶点的数组。

　　数据准备好了，我们来开始把数据传入OpenGL

创建Vertex Buffer 对象

　　传数据到OpenGL的话，最好的方式就是用Vertex Buffer对象。

　　基本上，它们就是用于缓存顶点数据的OpenGL对象。通过调用一些function来把数据发送到OpenGL-land。（是指OpenGL的画面？）

这里有两种顶点缓存类型– 一种是用于跟踪每个顶点信息的（正如我们的Vertices array），另一种是用于跟踪组成每个三角形的索引信息（我们的Indices array）。

　　下面我们在initWithFrame中，加入一些代码：

[self setupVBOs];

　　下面是定义这个setupVBOs：

- (void)setupVBOs {
 
    GLuint vertexBuffer;
    glGenBuffers(1, &vertexBuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(Vertices), Vertices, GL_STATIC_DRAW);
 
    GLuint indexBuffer;
    glGenBuffers(1, &indexBuffer);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(Indices), Indices, GL_STATIC_DRAW);
 
}

　　如你所见，其实很简单的。这其实是一种之前也用过的模式（pattern）。

　　glGenBuffers - 创建一个Vertex Buffer 对象

  glBindBuffer – 告诉OpenGL我们的vertexBuffer 是指GL_ARRAY_BUFFER

　　glBufferData – 把数据传到OpenGL-land

　　想起哪里用过这个模式吗？要不再回去看看frame buffer那一段？ 

　　万事俱备，我们可以通过新的shader，用新的渲染方法来把顶点数据画到屏幕上。

　　用这段代码替换掉之前的render：

- (void)render {
    glClearColor(0, 104.0/255.0, 55.0/255.0, 1.0);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 
    // 1
    glViewport(0, 0, self.frame.size.width, self.frame.size.height);
 
    // 2
    glVertexAttribPointer(_positionSlot, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 
        sizeof(Vertex), 0);
    glVertexAttribPointer(_colorSlot, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 
        sizeof(Vertex), (GLvoid*) (sizeof(float) *3));
 
    // 3
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(Indices)/sizeof(Indices[0]), 
        GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
 
    [_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}

　　1       调用glViewport 设置UIView中用于渲染的部分。这个例子中指定了整个屏幕。但如果你希望用更小的部分，你可以更变这些参数。

　　2       调用glVertexAttribPointer来为vertex shader的两个输入参数配置两个合适的值。

　　第二段这里，是一个很重要的方法，让我们来认真地看看它是如何工作的：

　　·第一个参数，声明这个属性的名称，之前我们称之为glGetAttribLocation

　　·第二个参数，定义这个属性由多少个值组成。譬如说position是由3个float（x,y,z）组成，而颜色是4个float（r,g,b,a）

　　·第三个，声明每一个值是什么类型。（这例子中无论是位置还是颜色，我们都用了GL_FLOAT）

　　·第四个，嗯……它总是false就好了。

　　·第五个，指 stride 的大小。这是一个种描述每个 vertex数据大小的方式。所以我们可以简单地传入 sizeof（Vertex），让编译器计算出来就好。

　　·最好一个，是这个数据结构的偏移量。表示在这个结构中，从哪里开始获取我们的值。Position的值在前面，所以传0进去就可以了。而颜色是紧接着位置的数据，而position的大小是3个float的大小，所以是从 3 * sizeof(float) 开始的。

　　回来继续说代码，第三点：

　3       调用glDrawElements ，它最后会在每个vertex上调用我们的vertex shader，以及每个像素调用fragment shader，最终画出我们的矩形。

　　它也是一个重要的方法，我们来仔细研究一下：

　　·第一个参数，声明用哪种特性来渲染图形。有GL_LINE_STRIP 和 GL_TRIANGLE_FAN。然而GL_TRIANGLE是最常用的，特别是与VBO 关联的时候。

　　·第二个，告诉渲染器有多少个图形要渲染。我们用到C的代码来计算出有多少个。这里是通过个 array的byte大小除以一个Indice类型的大小得到的。

　　·第三个，指每个indices中的index类型

　　·最后一个，在官方文档中说，它是一个指向index的指针。但在这里，我们用的是VBO，所以通过index的array就可以访问到了（在GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER传过了），所以这里不需要.

　　编译运行的话，你就可以看到这个画面喇。

　　你可能会疑惑，为什么这个长方形刚好占满整个屏幕。在缺省状态下，OpenGL的“camera”位于（0,0,0）位置，朝z轴的正方向。

　　当然，后面我们会讲到projection（投影）以及如何控制camera。

增加一个投影

　　为了在2D屏幕上显示3D画面，我们需要在图形上做一些投影变换，所谓投影就是下图这个意思：

　　基本上，为了模仿人类的眼球原理。我们设置一个远平面和一个近平面，在两个平面之前，离近平面近的图像，会因为被缩小了而显得变小；而离远平面近的图像，也会因此而变大。

　　打开SimpleVertex.glsl，做一下修改：

// Add right before the main
uniform mat4 Projection;
 
// Modify gl_Position line as follows
gl_Position = Projection * Position;

　　这里我们增加了一个叫做projection的传入变量。uniform 关键字表示，这会是一个应用于所有顶点的常量，而不是会因为顶点不同而不同的值。

　　mat4 是 4X4矩阵的意思。然而，Matrix math是一个很大的课题，我们不可能在这里解析。所以在这里，你只要认为它是用于放大缩小、旋转、变形就好了。

　　Position位置乘以Projection矩阵，我们就得到最终的位置数值。

　　无错，这就是一种被称之“线性代数”的东西。我在大学时期后，早就忘大部分了。

　　其实数学也只是一种工具，而这种工具已经由前面的才子解决了，我们知道怎么用就好。

　　Bill Hollings，cocos3d的作者。他编写了一个完整的3D特性框架，并整合到cocos2d中。（作者：可能有一天我也会弄一个3D的教程）无论任何，Cocos3d包含了Objective-C的向量和矩阵库，所以我们可以很好地应用到这个项目中。

　　这里，http://d1xzuxjlafny7l.cloudfront.net/downloads/Cocos3DMathLib.zip

　　有一个zip文件，（作者：我移除了一些不必要的依赖）下载并copy到你的项目中。记得选上：“Copy items into destination group’s folder (if needed)” 点击Finish。

　　在OpenGLView.h 中加入一个实例变量：

GLuint _projectionUniform;

　　然后到OpenGLView.m文件中加上:

// Add to top of file
#import "CC3GLMatrix.h"
 
// Add to bottom of compileShaders
_projectionUniform = glGetUniformLocation(programHandle, "Projection");
 
// Add to render, right before the call to glViewport
CC3GLMatrix *projection = [CC3GLMatrix matrix];
float h =4.0f* self.frame.size.height / self.frame.size.width;
[projection populateFromFrustumLeft:-2 andRight:2 andBottom:-h/2 andTop:h/2 andNear:4 andFar:10];
glUniformMatrix4fv(_projectionUniform, 1, 0, projection.glMatrix);
 
// Modify vertices so they are within projection near/far planes
const Vertex Vertices[] = {
    {{1, -1, -7}, {1, 0, 0, 1}},
    {{1, 1, -7}, {0, 1, 0, 1}},
    {{-1, 1, -7}, {0, 0, 1, 1}},
    {{-1, -1, -7}, {0, 0, 0, 1}}
};

　　·通过调用  glGetUniformLocation 来获取在vertex shader中的Projection输入变量

　　·然后，使用math library来创建投影矩阵。通过这个让你指定坐标，以及远近屏位置的方式，来创建矩阵，会让事情比较简单。

　　·你用来把数据传入到vertex shader的方式，叫做 glUniformMatrix4fv. 这个CC3GLMatrix类有一个很方便的方法 glMatrix,来把矩阵转换成OpenGL的array格式。

　　·最后，把之前的vertices数据修改一下，让z坐标为－７． 

　　编译后运行，你应该可以看到一个稍稍有点距离的正方形了。

尝试移动和旋转吧

　　如果总是要修改那个vertex array才能改变图形，这就太烦人了。

　　而这正是变换矩阵该做的事（又来了，线性代数）

　　在前面，我们修改了应用到投影矩阵的vertex array来达到移动图形的目的。何不试一下，做一个变形、放大缩小、旋转的矩阵来应用？我们称之为“model-view”变换。

　　再回到 SimpleVertex.glsl

// Add right after the Projection uniform
uniform mat4 Modelview;
 
// Modify the gl_Position line
gl_Position = Projection * Modelview * Position;

　　就是又加了一个 Uniform的矩阵而已。顺便把它应用到gl_Position当中。

　　然后到 OpenGLView.h中加上一个变量:

GLuint _modelViewUniform;

　　到OpenGLView.m中修改：

 

 

 

// Add to end of compileShaders
_modelViewUniform = glGetUniformLocation(programHandle, "Modelview");
 
// Add to render, right before call to glViewport
CC3GLMatrix *modelView = [CC3GLMatrix matrix];
[modelView populateFromTranslation:CC3VectorMake(sin(CACurrentMediaTime()), 0, -7)];
glUniformMatrix4fv(_modelViewUniform, 1, 0, modelView.glMatrix);
 
// Revert vertices back to z-value 0
const Vertex Vertices[] = {
    {{1, -1, 0}, {1, 0, 0, 1}},
    {{1, 1, 0}, {0, 1, 0, 1}},
    {{-1, 1, 0}, {0, 0, 1, 1}},
    {{-1, -1, 0}, {0, 0, 0, 1}}
};

　　·获取那个model view uniform的传入变量

　　·使用cocos3d math库来创建一个新的矩阵，在变换中装入矩阵。

　　·变换是在z轴上移动-7，而为什么sin(当前时间) 呢？

　　哈哈，如果你还记得高中时候的三角函数。sin()是一个从-1到1的函数。已PI（3.14）为一个周期。这样做的话，约每3.14秒，这个函数会从-1到1循环一次。

　　·把vertex 结构改回去，把z坐标设回0.

　　编译运行，就算我们把z设回0，也可以看到这个位于中间的正方形了。

 

 

 

　　什么？一动不动的？

　　当然了，我们只是调用了一次render方法。

　　接下来，我们在每一帧都调用一次看看。

渲染和 CADisplayLink

　　理想状态下，我们希望OpenGL的渲染频率跟屏幕的刷新频率一致。

　　幸运的是，Apple为我们提供了一个CADisplayLink的类。这个很好用的，马上就用吧。

　　在OpenGLView.m文件，修改如下：

 

 

 

// Add new method before init
- (void)setupDisplayLink {
    CADisplayLink* displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(render:)];
    [displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];    
}
 
// Modify render method to take a parameter
- (void)render:(CADisplayLink*)displayLink {
 
// Remove call to render in initWithFrame and replace it with the following
[self setupDisplayLink];

　　这就行了，有CADisplayLink在每一帧都调用你的render方法，我们的图形看起身就好似被sin()周期地变型了。现在这个方块会前前后后地来回移动。

不费功夫地旋转

　　让图形旋转起来，才算得上有型。

　　再到OpenGLView.h 中，添加成员变量。

float _currentRotation;

　　在OpenGLView.m的render中，在populateFromTranslation的调用后面加上：

 

 

 

_currentRotation += displayLink.duration *90;
[modelView rotateBy:CC3VectorMake(_currentRotation, _currentRotation, 0)];

　　·添加了一个叫_currentRotation的float，每秒会增加90度。

　　·通过修改那个model view矩阵（这里相当于一个用于变型的矩阵），增加旋转。

　　·旋转在x、y轴上作用，没有在z轴的。

　　编译运行，你会看到一个很有型的翻转的3D效果。

 

 

 

 

不费功夫地变成3D方块？

　　之前的只能算是2.5D,因为它还只是一个会旋转的面而已。现在我们把它改造成3D的。

　　把之前的vertices、indices数组注释掉吧。

　　然后加上新的：

const Vertex Vertices[] = {
    {{1, -1, 0}, {1, 0, 0, 1}},
    {{1, 1, 0}, {1, 0, 0, 1}},
    {{-1, 1, 0}, {0, 1, 0, 1}},
    {{-1, -1, 0}, {0, 1, 0, 1}},
    {{1, -1, -1}, {1, 0, 0, 1}},
    {{1, 1, -1}, {1, 0, 0, 1}},
    {{-1, 1, -1}, {0, 1, 0, 1}},
    {{-1, -1, -1}, {0, 1, 0, 1}}
};
 
const GLubyte Indices[] = {
    // Front
0, 1, 2,
    2, 3, 0,
    // Back
4, 6, 5,
    4, 7, 6,
    // Left
2, 7, 3,
    7, 6, 2,
    // Right
0, 4, 1,
    4, 1, 5,
    // Top
6, 2, 1, 
    1, 6, 5,
    // Bottom
0, 3, 7,
    0, 7, 4    
};

　　编译运行，你会看到一个方块了。

 

 

　　但这个方块有时候让人觉得假，因为你可以看到方块里面。

　　这里还有一个叫做 depth testing（深度测试）的功能，启动它，OpenGL就可以跟踪在z轴上的像素。这样它只会在那个像素前方没有东西时，才会绘画这个像素。

　　到OpenGLView.h中，添加成员变量。

 

GLuint _depthRenderBuffer;

 

　　在OpenGLView.m:

// Add new method right after setupRenderBuffer
- (void)setupDepthBuffer {
    glGenRenderbuffers(1, &_depthRenderBuffer);
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, _depthRenderBuffer);
    glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT16, self.frame.size.width, self.frame.size.height);    
}
 
// Add to end of setupFrameBuffer
glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, _depthRenderBuffer);
 
// In the render method, replace the call to glClear with the following
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
 
// Add to initWithFrame, right before call to setupRenderBuffer
[self setupDepthBuffer];

　　·setupDepthBuffer方法创建了一个depth buffer。这个与前面的render/color buffer类似，不再重复了。值得注意的是，这里使用了glRenderbufferStorage, 然不是context的renderBufferStorage（这个是在OpenGL的view中特别为color render buffer而设的）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　·接着，我们调用glFramebufferRenderbuffer，来关联depth buffer和render buffer。还记得，我说过frame buffer中储存着很多种不同的buffer？这正是一个新的buffer。

　　·在render方法中，我们在每次update时都清除深度buffer，并启用depth  testing。

　　编译运行，看看这个教程最后的效果。

　　一个选择的立方块，用到了OpenGL ES2.0。

何去何从？

　　这里有本教程的完整源代码。

　　这只是OpenGL的一篇引导教程，希望能让你轻松地入门。

　　对了，我写这篇教程的原因是它在过去的数周中得票最高。谢谢大家的关注，并继续在今后为自己感兴趣的题目投上一票 ---- 我们每周都有一个新教程的。

 

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