OpenGL/OpenGL ES入门： GLKit使用以及案例

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GLKit简介

GLKit 框架的设计目标是为了简化基于OpenGL/OpenGL ES的应用开发。它的出现加快OpenGL或OpenGL ES应用程序开发。 使用数学库，背景纹理加载，预先创建的着色器效果，以及标准视图和视图控制器来实现渲染循环。

GLKit 框架提供了功能和类，可以减少创建新的基于着色器的应用程序所需的工作量，或支持依赖早期版本的OpenGL或OpenGL ES提供的固定函数顶点或片段处理的现有应用程序。

GLKView提供绘制场所（view）
GLKViewController扩展于标准的UIKit设计模式，用于绘制视图内容的管理与呈现
苹果弃用OpenGL ES，但iOS开发者可以继续使用。

案例一： 图片渲染

第一个案例，我们创建一个继承GLKViewController的类，并导入#import <GLKit/GLKit.h>头文件，.h文件如下

#import <UIKit/UIKit.h>
#import <GLKit/GLKit.h>

@interface ViewController : GLKViewController

@end

.m文件导入下面两个文件#import <OpenGLES/ES3/gl.h>、#import <OpenGLES/ES3/glext.h>

下面看具体步骤：

初始化上下文&设置当前上下文

    // 1.初始化上下文&设置当前上下文
    _context = [[EAGLContext alloc]initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
    if (!_context) {
        NSLog(@"Create ES context Failed");
    }
    
    // 设置当前上下文
    [EAGLContext setCurrentContext:_context];
    // 2.获取GLKView & 设置context
    GLKView *view = [[GLKView alloc]initWithFrame:self.view.bounds context:_context];
    view.backgroundColor = [UIColor clearColor];
    view.delegate = self;
    [self.view addSubview:view];

在初始化context时，我们需要选择我们使用的OpenGL ES的版本，分别有如下几种：

     kEAGLRenderingAPIOpenGLES1 = 1, 固定管线
     kEAGLRenderingAPIOpenGLES2 = 2,
     kEAGLRenderingAPIOpenGLES3 = 3,

EAGLContext是苹果iOS平台下实现OpenGL ES渲染层。其中kEAGLRenderingAPIOpenGLES1类似前几篇文章说的固定管线。而kEAGLRenderingAPIOpenGLES2和kEAGLRenderingAPIOpenGLES3，在这里使用哪个，区别不大，只是版本不同而已。

下面需要配置视图创建的渲染缓冲区，以及设置背景颜色

    view.drawableColorFormat = GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888;
    view.drawableDepthFormat = GLKViewDrawableDepthFormat24;
    glClearColor(1, 1, 1, 1);

drawableColorFormat: 颜色缓冲区格式
在OpenGL ES中有一个缓存区，它用以存储在屏幕中显示的颜色。你可以使用其属性设置缓冲区中的每个像素的颜色格式。
GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888 = 0
默认值，缓冲区的每个像素的最小组成部分(RGBA)使用8个bit，(所以每个像素4个字节， 4*8个bit)
GLKViewDrawableColorFormatRGB565
如果你的APP允许更小范围的颜色，即可设置这个。会让你的APP消耗更小的资源(内存和处理时间)

drawableDepthFormat: 深度缓存区格式

GLKViewDrawableDepthFormatNone = 0, 意味着完全没有深度缓冲区
GLKViewDrawableDepthFormat16,
GLKViewDrawableDepthFormat24,
如果你要使用这个属性（一般用于3D游戏），你应该选择GLKViewDrawableDepthFormat16或GLKViewDrawableDepthFormat24。这里的差别是使用GLKViewDrawableDepthFormat16将消耗更少的资源

加载纹理数据(使用GLBaseEffect)

使用本地图片作为纹理，代码如下：

    //1.获取纹理图片路径
    NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"kunkun" ofType:@"jpg"];
    
    //2.设置纹理参数
    NSDictionary *options = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@(1),GLKTextureLoaderOriginBottomLeft, nil];    
    GLKTextureInfo *textureInfo = [GLKTextureLoader textureWithContentsOfFile:filePath options:options error:nil];
    
    //3.使用苹果GLKit 提供GLKBaseEffect 完成着色器工作(顶点/片元)
    cEffect = [[GLKBaseEffect alloc]init];
    cEffect.texture2d0.enabled = GL_TRUE;
    cEffect.texture2d0.name = textureInfo.name;

在设置纹理参数的时，需要注意一点，纹理坐标默认左下角为原点(0,0)，而iOS坐标系中，默认手机屏幕的左上角为原点(0,0)，所以需要特别注意这一点，需要设置GLKTextureLoaderOriginBottomLeft，不然图片显示的时候，会发生翻转。

加载顶点&纹理数据

先看代码

    // 设置顶点数组
    GLfloat vertexData[] = {
        1, -0.5, 0.0f,    1.0f, 0.0f, //右下
        1, 0.5, -0.0f,    1.0f, 1.0f, //右上
        -1, 0.5, 0.0f,    0.0f, 1.0f, //左上
        
        1, -0.5, 0.0f,    1.0f, 0.0f, //右下
        -1, 0.5, 0.0f,    0.0f, 1.0f, //左上
        -1, -0.5, 0.0f,   0.0f, 0.0f, //左下
    };
    
    // 开辟顶点缓存区
    // 1.创建顶点缓存区标识符ID
    GLuint bufferID;
    glGenBuffers(1, &bufferID);
    // 2.绑定顶点缓存区.(明确作用)
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, bufferID);
    // 3.将顶点数组的数据copy到顶点缓存区中(GPU显存中)
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertexData), vertexData, GL_STATIC_DRAW);
    
    // 顶点坐标数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribPosition);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (GLfloat *)NULL + 0);
    
    // 纹理坐标数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribTexCoord0);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribTexCoord0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (GLfloat *)NULL + 3);

这个案例中，我们把顶点坐标、纹理坐标放在数组中，后面说的案例则使用了联合体的方式存放，主要是为了让大家认识不同方式而已。 也可以把顶点坐标和纹理坐标分开写到不同的数组中，但是为了简化代码量，所以选择放在一起写。

顶点数组，开发者可以选择设定函数指针，在调用绘制方法的时候，直接由内存传入顶点数据，也就是说这部分数据之前是存储在内存中的。而后面要做的是开辟顶点缓冲区，主要目的是为了追求性能更高，提前分配一块显存，将顶点数据预先传入到显存中，而关于顶点相关的计算都是在GPU中进行的，所以这样性能有了很大的提高。

注意点：
在iOS中，默认情况下，出于性能考虑，所有顶点着色器的属性(Attribute)变量都是关闭的，意味着，顶点数据在着色器（服务端）是不可用的。即使你已经使用glBufferData方法，将顶点数据从内存拷贝到顶点缓冲区中(GPU显存中); 所以，必须由glEnableVertexAttribArray方法打开通道，指定访问属性，才能让顶点着色器能够访问到从CPU复制到GPU的数据。
注意：
数据在GPU端是否可见，即着色器能否读取到数据，由是否启用了对应的属性决定，这就是glEnableVertexAttribArray的功能，允许顶点着色器读取GPU（服务端）数据。
GLKVertexAttribPosition, // 顶点
GLKVertexAttribNormal, // 法线
GLKVertexAttribColor, // 颜色
GLKVertexAttribTexCoord0, // 纹理
GLKVertexAttribTexCoord1

方法glVertexAttribPointer表示上传顶点数据到显存的方法，即设置合适的方式从buffer里读取数据。

参数1: 指定要修改的属性的索引值
参数2: 每次读取数量(如position是由3个（x,y,z）组成，而颜色是4个（r,g,b,a）,纹理则是2个.)
参数3: 指定数组中每个组件的数据类型。可用的符号常量有GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_FIXED, 和 GL_FLOAT，初始值为GL_FLOAT。
参数4: 指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化（GL_TRUE）或者直接转换为固定点值（GL_FALSE）
参数5: 指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0
参数6: 指定一个指针，指向数组中第一个顶点属性的第一个组件。初始值为0

上述代码中，对于顶点来说，每次读取3个，数据类型为浮点型，偏移量即读取下一组顶点数据，需要移动5个位置，顶点读取位置对应从数组的一开始读取，所以最后一个参数写成(GLfloat *)NULL + 0，这里这样的写法是为了方便读者理解，也可以直接写成NULL。所以对于纹理的最后一个参数写成(GLfloat *)NULL + 3也不难理解。

绘制视图的内容

GLKView对象使OpenGL ES上下文成为当前上下文，并将其framebuffer绑定为OpenGL ES呈现命令的目标。然后，委托方法应该绘制视图的内容。看下面代码

- (void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect {
    //1.清除颜色缓存区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    
    //2.准备绘制
    [cEffect prepareToDraw];
    
    //3.开始绘制
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
    
}

OK，案例一就这么多内容，下面看实现效果（其实就是我们平时用UIImageView加载一张图片而已）

案例二 绘制立方体

demo传送门

案例二中，我们不再创建继承GLKViewController的类，而是直接在ViewController中写代码，直接在.m文件中导入#import <GLKit/GLKit.h>头文件。

然后声明一些需要的属性：

typedef struct {
    GLKVector3 positionCoord;       // 顶点坐标
    GLKVector2 textureCoord;        // 纹理坐标
    GLKVector3 normal;              // 法线坐标
} ZBVertex;
// 顶点个数
static NSInteger const KCoordCount = 36;

@interface ViewController () <GLKViewDelegate>

@property (nonatomic, strong) GLKView *glkView;
@property (nonatomic, strong) GLKBaseEffect *baseEffect;
@property (nonatomic, assign) ZBVertex *vertices;

// 计时器
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *displayLink;
// 弧度
@property (nonatomic, assign) NSInteger angle;
// 顶点缓存区标识符ID
@property (nonatomic, assign) GLuint vertexBuffer;

@end

初始化上下文&设置当前上下文

    // 1.创建context
    EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc]initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
    [EAGLContext setCurrentContext:context];
    
    // 2.创建GLKView并设置代理
    CGRect frame = CGRectMake(0, 100, self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.width);
    self.glkView = [[GLKView alloc]initWithFrame:frame context:context];
    self.glkView.backgroundColor = [UIColor redColor];
    self.glkView.delegate = self;
    
    // 3. 使用深度缓冲区
    self.glkView.drawableDepthFormat = GLKViewDrawableDepthFormat24;
    self.glkView.drawableColorFormat = GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888;
    
    // 默认为（0，1），这里用于翻转z轴，是正方形朝屏幕外
//    glDepthRangef(1, 0);
    
    [self.view addSubview:self.glkView];
    
    NSString *imagePath = [[[NSBundle mainBundle] resourcePath] stringByAppendingPathComponent:@"timg.jpeg"];
    UIImage *image = [UIImage imageWithContentsOfFile:imagePath];
    NSDictionary *options = @{GLKTextureLoaderOriginBottomLeft : @(YES)};
    GLKTextureInfo *textureInfo = [GLKTextureLoader textureWithCGImage:[image CGImage] options:options error:nil];
    
    // 使用苹果GLKit提供GLKBaseEffect完成着色器工作（顶点/片元）
    self.baseEffect = [[GLKBaseEffect alloc]init];
    self.baseEffect.texture2d0.name = textureInfo.name;
    self.baseEffect.texture2d0.target = textureInfo.target;

上面初始化代码和案例一中的几乎是一样的，同时把加载纹理数据的代码也放在了这里，所以这里不再多说。

加载顶点&纹理数据

    // 开辟顶点数据空间（数据结构SenceVertex 大小 * 顶点个数kCoordCount）
    self.vertices = malloc(sizeof(ZBVertex) * KCoordCount);
    
    // 前面
    self.vertices[0] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, 0.5},  {0, 1}};
    self.vertices[1] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, 0.5}, {0, 0}};
    self.vertices[2] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, 0.5},   {1, 1}};
    
    self.vertices[3] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, 0.5}, {0, 0}};
    self.vertices[4] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, 0.5},   {1, 1}};
    self.vertices[5] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, 0.5},  {1, 0}};
    
    // 上面
    self.vertices[6] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, 0.5},    {1, 1}};
    self.vertices[7] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[8] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[9] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[10] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, -0.5},  {1, 0}};
    self.vertices[11] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, -0.5}, {0, 0}};
    
    // 下面
    self.vertices[12] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, 0.5},    {1, 1}};
    self.vertices[13] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[14] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[15] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[16] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[17] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
    
    // 左面
    self.vertices[18] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, 0.5},    {1, 1}};
    self.vertices[19] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[20] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[21] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[22] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[23] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
    
    // 右面
    self.vertices[24] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, 0.5},    {1, 1}};
    self.vertices[25] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[26] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[27] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[28] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
    self.vertices[29] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
    
    // 后面
    self.vertices[30] = (ZBVertex){{-0.5, 0.5, -0.5},   {0, 1}};
    self.vertices[31] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
    self.vertices[32] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, -0.5},    {1, 1}};
    self.vertices[33] = (ZBVertex){{-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
    self.vertices[34] = (ZBVertex){{0.5, 0.5, -0.5},    {1, 1}};
    self.vertices[35] = (ZBVertex){{0.5, -0.5, -0.5},   {1, 0}};
    
    // 开辟顶点缓存区
    glGenBuffers(1, &_vertexBuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(ZBVertex) * KCoordCount, self.vertices, GL_STATIC_DRAW);
    
    // 顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribPosition);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(ZBVertex), NULL + offsetof(ZBVertex, positionCoord));
    
    // 纹理数据
    glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribTexCoord0);
    glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribTexCoord0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(ZBVertex), NULL + offsetof(ZBVertex, textureCoord));

咔咔咔，这么一大串，基本上都是在设置顶点坐标和纹理坐标，这里使用了联合体存放数据，一开始就开辟了相应的空间self.vertices = malloc(sizeof(ZBVertex) * KCoordCount);，后面代码也和案例一一样。

创建一个循环

    self.angle = 0;
    self.displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(reDisplay)];
    [self.displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];

上面代码创建了一个循环，来执行方法reDisplay。CADisplayLink类似定时器，提供一个周期性调用，属于QuartzCore.framework中。
具体可以参考该博客www.cnblogs.com/panyangjun/…

- (void)reDisplay {
    // 计算旋转度数
    self.angle = (self.angle + 1) % 360;
    // 修改baseEffect.transform.modelviewMatrix
    self.baseEffect.transform.modelviewMatrix = GLKMatrix4MakeRotation(GLKMathDegreesToRadians(self.angle), 0.3, 1, -0.7);
    // 重新渲染
    [self.glkView display];
}

dealloc

- (void)dealloc {
    if ([EAGLContext currentContext] == self.glkView.context) {
        [EAGLContext setCurrentContext:nil];
    }
    if (_vertices) {
        free(_vertices);
        _vertexBuffer = 0;
    }
    //displayLink 失效
    [self.displayLink invalidate];
}

最终效果：