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OpenGL ES -＞投影变换矩阵完美解决绘制GLSurfaceView绘制图形拉伸问题

news 来源：原创 2025/4/28 1:56:28

`GLSurfaceView`绘制图形拉伸问题

假如在XML文件中声明GLSurfaceView的宽高为
- android:layout_width="match_parent"
- android:layout_height="match_parent
GLSurfaceView绘制的图形在Open GL ES坐标系中，而Open GL ES坐标系会根据GLSurfaceView的宽高将绘制的图形拉伸，比如绘制一个正方形，有可能绘制成矩形，解决方案：
Matrix.frustumM透视投影解决
Matrix.orthoM正交投影解决

// 透视投影矩阵
public static void frustumM(float[] m, int offset,
        float left, float right, float bottom, float top,
        float near, float far) {}

// 正交投影矩阵
public static void orthoM(float[] m, int mOffset,
    float left, float right, float bottom, float top,
    float near, float far) {}

`OpenGL ES`坐标系

在这里插入图片描述

XML文件

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<com.example.myapplication.MyGLSurfaceView
	xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent" />

绘制拉伸正方形

自定义`GLSurfaceView`代码

class MyGLSurfaceView(context: Context, attrs: AttributeSet) : GLSurfaceView(context, attrs) {
    private var mRenderer = MyGLRenderer()

    init {
        // 设置 OpenGL ES 3.0 版本
        setEGLContextClientVersion(3)
        setRenderer(mRenderer)
        // 设置渲染模式, 仅在需要重新绘制时才进行渲染，以节省资源
        renderMode = RENDERMODE_WHEN_DIRTY
    }
}

自定义`GLSurfaceView.Renderer`代码

class MyGLRenderer : GLSurfaceView.Renderer {
    private var mDrawData: DrawData? = null

    override fun onSurfaceCreated(gl: GL10?, config: EGLConfig?) {
        // 当 Surface 创建时调用, 进行 OpenGL ES 环境的初始化操作, 设置清屏颜色为青蓝色 (Red=0, Green=0.5, Blue=0.5, Alpha=1)
        GLES30.glClearColor(0.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0f)
        mDrawData = DrawData().apply {
            initVertexBuffer()
            initShader()
        }
    }

    override fun onSurfaceChanged(gl: GL10?, width: Int, height: Int) {
        // 当 Surface 尺寸发生变化时调用，例如设备的屏幕方向发生改变, 设置视口为新的尺寸，视口是指渲染区域的大小
        GLES30.glViewport(0, 0, width, height)
    }

    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        // 每一帧绘制时调用, 清除颜色缓冲区
        GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
        mDrawData?.drawSomething()
    }
}

`GLSurfaceView`需要的绘制数据

class DrawData{
    var mProgram : Int = -1
    var NO_OFFSET = 0
    var VERTEX_POS_DATA_SIZE = 3

    // 1. 准备正方形的顶点数据Float数组, 分配顶点数据Float数组的直接内存
    val vertex = floatArrayOf(
        -0.5f,  0.5f, 0.0f, // 左上
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下
        0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上
        0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下
    )

    val vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertex.size * 4) // 分配直接内存
        .order(ByteOrder.nativeOrder()) // 使用小端, 即低地址存放低位数据, 高地址存放高位数据
        .asFloatBuffer()

    // 2. 创建顶点缓冲区对象(Vertex Buffer Object, VBO), 并上传顶点数据到缓冲区对象中
    fun initVertexBuffer(){
        vertexBuffer.put(vertex) // 将顶点数据放入 FloatBuffer
        vertexBuffer.position(0) // 在将数据放入缓冲区后，位置指针会指向缓冲区的末尾。重置位置指针为 0，使得在后续操作中可以从缓冲区的开始位置读取数据

        val vbo = IntArray(1)
        GLES30.glGenBuffers(1, vbo, 0) // 生成一个缓冲区对象ID，并存储在数组 vbo 中，存放位置为0
        GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]) // 绑定生成的顶点缓冲区对象，使其成为当前缓冲区操作的目标
        GLES30.glBufferData(
            GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
            vertex.size * 4, // 数据总字节数 = 顶点数 * Float占4字节
            vertexBuffer,
            GLES30.GL_STATIC_DRAW
        )
    }

    fun initShader()  {
        val vertexShaderCode = """#version 300 es
                                layout (location = 0) in vec4 aPosition;

                                void main() {
                                  gl_Position = aPosition;
                                }""".trimIndent()         // 顶点着色器代码

        val fragmentShaderCode = """#version 300 es
                precision mediump float;
                uniform vec4 vColor;
                out vec4 fragColor;
                
                void main() {
                  fragColor = vColor;
                }""".trimIndent()         // 片段着色器代码

        // 3. 加载顶点着色器和片段着色器, 并创建着色器程序
        val vertexShader = LoadShaderUtil.loadShader(GLES30.GL_VERTEX_SHADER, vertexShaderCode)
        val fragmentShader = LoadShaderUtil.loadShader(GLES30.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderCode)
        mProgram = GLES30.glCreateProgram()
        GLES30.glAttachShader(mProgram, vertexShader)
        GLES30.glAttachShader(mProgram, fragmentShader)
        GLES30.glLinkProgram(mProgram)
        GLES30.glUseProgram(mProgram)
    }

    // 4. 使用着色器程序绘制图形
    fun drawSomething(){
        // 5. 获取顶点数据的位置, 并使用该位置的数据
        val positionHandle = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "aPosition")
        GLES30.glEnableVertexAttribArray(positionHandle)
        GLES30.glVertexAttribPointer(positionHandle, VERTEX_POS_DATA_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, 0, 0)

        // 6. 设置片段着色器的颜色
        val colorHandle = GLES30.glGetUniformLocation(mProgram, "vColor")
        GLES30.glUniform4f(colorHandle, 1.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0f) // 红色
        // 7. 绘制正方形
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP, NO_OFFSET, vertex.size / VERTEX_POS_DATA_SIZE)
        GLES30.glDisableVertexAttribArray(positionHandle)
    }
}

object LoadShaderUtil{
    // 创建着色器对象
    fun loadShader(type: Int, source: String): Int {
        val shader = GLES30.glCreateShader(type)
        GLES30.glShaderSource(shader, source)
        GLES30.glCompileShader(shader)
        return shader
    }
}

效果图

在这里插入图片描述

透视投影绘制不拉伸的正方形

透视投影`PerspectiveProjection`

自定义`GLSurfaceView`代码

class MyGLSurfaceView(context: Context, attrs: AttributeSet) : GLSurfaceView(context, attrs) {
    private var mRenderer = MyGLRenderer()

    init {
        // 设置 OpenGL ES 3.0 版本
        setEGLContextClientVersion(3)
        setRenderer(mRenderer)
        // 设置渲染模式, 仅在需要重新绘制时才进行渲染，以节省资源
        renderMode = RENDERMODE_WHEN_DIRTY
    }
}

自定义`GLSurfaceView.Renderer`代码

class MyGLRenderer : GLSurfaceView.Renderer {
    private var mDrawData: DrawDataWithPerspectiveProjection? = null

    override fun onSurfaceCreated(gl: GL10?, config: EGLConfig?) {
        // 当 Surface 创建时调用, 进行 OpenGL ES 环境的初始化操作, 设置清屏颜色为青蓝色 (Red=0, Green=0.5, Blue=0.5, Alpha=1)
        GLES30.glClearColor(0.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0f)
        mDrawData = DrawDataWithPerspectiveProjection().apply {
            initVertexBuffer()
            initShader()
        }
    }

    override fun onSurfaceChanged(gl: GL10?, width: Int, height: Int) {
        // 当 Surface 尺寸发生变化时调用，例如设备的屏幕方向发生改变, 设置视口为新的尺寸，视口是指渲染区域的大小
        GLES30.glViewport(0, 0, width, height)
        mDrawData?.computeMVPMatrix(width.toFloat(), height.toFloat())
    }

    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        // 每一帧绘制时调用, 清除颜色缓冲区
        GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
        mDrawData?.drawSomething()
    }
}

`GLSurfaceView`需要的绘制数据

class DrawDataWithPerspectiveProjection {
    var mProgram : Int = -1
    var NO_OFFSET = 0
    var VERTEX_POS_DATA_SIZE = 3

    // 1. 准备正方形的顶点数据Float数组, 分配顶点数据Float数组的直接内存
    val vertex = floatArrayOf(
        -0.5f,  0.5f, 0.0f, // 左上
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下
        0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上
        0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下
    )

    val vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertex.size * 4) // 分配直接内存
        .order(ByteOrder.nativeOrder()) // 使用小端, 即低地址存放低位数据, 高地址存放高位数据
        .asFloatBuffer()

    // 2. 创建顶点缓冲区对象(Vertex Buffer Object, VBO), 并上传顶点数据到缓冲区对象中
    fun initVertexBuffer(){
        vertexBuffer.put(vertex) // 将顶点数据放入 FloatBuffer
        vertexBuffer.position(0) // 在将数据放入缓冲区后，位置指针会指向缓冲区的末尾。重置位置指针为 0，使得在后续操作中可以从缓冲区的开始位置读取数据

        val vbo = IntArray(1)
        GLES30.glGenBuffers(1, vbo, 0) // 生成一个缓冲区对象ID，并存储在数组 vbo 中，存放位置为0
        GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]) // 绑定生成的顶点缓冲区对象，使其成为当前缓冲区操作的目标
        GLES30.glBufferData(
            GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
            vertex.size * 4, // 数据总字节数 = 顶点数 * Float占4字节
            vertexBuffer,
            GLES30.GL_STATIC_DRAW
        )
    }


    fun initShader()  {
        val vertexMapShaderCode = """
            #version 300 es
            uniform mat4 uMVPMatrix;
            layout (location = 0) in vec4 aPosition;
            void main() {
                gl_Position = uMVPMatrix * aPosition;
            }""".trimIndent()

        val fragmentShaderCode = """#version 300 es
                precision mediump float;
                uniform vec4 vColor;
                out vec4 fragColor;
                
                void main() {
                  fragColor = vColor;
                }""".trimIndent()         // 片段着色器代码

        // 3. 加载顶点着色器和片段着色器, 并创建着色器程序
        val vertexShader = LoadShaderUtil.loadShader(GLES30.GL_VERTEX_SHADER, vertexMapShaderCode)
        val fragmentShader = LoadShaderUtil.loadShader(GLES30.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderCode)
        mProgram = GLES30.glCreateProgram()
        GLES30.glAttachShader(mProgram, vertexShader)
        GLES30.glAttachShader(mProgram, fragmentShader)
        GLES30.glLinkProgram(mProgram)
        GLES30.glUseProgram(mProgram)
    }

    // 4. 使用着色器程序绘制图形
    fun drawSomething(){
        // 新增矩阵传递代码
        val matrixHandle = GLES30.glGetUniformLocation(mProgram, "uMVPMatrix")
        GLES30.glUniformMatrix4fv(matrixHandle, 1, false, mMVPMatrix, 0)

        // 5. 获取顶点数据的位置, 并使用该位置的数据
        val positionHandle = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "aPosition")
        GLES30.glEnableVertexAttribArray(positionHandle)
        GLES30.glVertexAttribPointer(positionHandle, VERTEX_POS_DATA_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, 0, 0)

        // 6. 设置片段着色器的颜色
        val colorHandle = GLES30.glGetUniformLocation(mProgram, "vColor")
        GLES30.glUniform4f(colorHandle, 1.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0f) // 红色
        // 7. 绘制正方形
        GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP, NO_OFFSET, vertex.size / VERTEX_POS_DATA_SIZE)

        GLES30.glDisableVertexAttribArray(positionHandle)
    }

    // 最终变化矩阵
    private val mMVPMatrix = FloatArray(16)
    // 投影矩阵
    private val mProjectionMatrix = FloatArray(16)
    // 相机矩阵
    private val mViewMatrix = FloatArray(16)

    private var mViewPortRatio = 1f

    fun computeMVPMatrix(width: Float, height: Float) {
        // 1. 设置透视投影矩阵，为了让近平面宽高比与屏幕宽高比一致
        takeIf { width > height }?.let {
            mViewPortRatio = width / height
            Matrix.frustumM(
                mProjectionMatrix, // 透视投影矩阵
                NO_OFFSET, // 偏移量
                -mViewPortRatio, // 近平面的坐标系左边界
                mViewPortRatio, // 近平面的坐标系右边界
                -1f, // 近平面的坐标系的下边界
                1f, // 近平面坐标系的上边界
                1f, // 近平面距离相机距离
                2f // 远平面距离相机距离
            )
        } ?: run {
            mViewPortRatio = height / width
            Matrix.frustumM(
                mProjectionMatrix, // 透视投影矩阵
                NO_OFFSET, // 偏移量
                -1f, // 近平面坐标系左边界
                1f, // 近平面坐标系右边界
                -mViewPortRatio, // 近平面坐标系下边界
                mViewPortRatio, // 近平面坐标系上边界
                1f, // 近平面距离相机距离
                2f // 远平面距离相机距离
            )
        }

        // 2. 设置相机矩阵
        // 相机位置(0f, 0f, 1f)
        // 物体位置(0f, 0f, 0f)
        // 相机方向(0f, 1f, 0f)
        Matrix.setLookAtM(
            mViewMatrix, // 相机矩阵
            NO_OFFSET, // 偏移量
            0f, // 相机位置x
            0f, // 相机位置y
            1f, // 相机位置z
            0f, // 物体位置x
            0f, // 物体位置y
            0f, // 物体位置z
            0f, // 相机上方向x
            1f, // 相机上方向y
            0f // 相机上方向z
        )

        // 3. 设置最终变化矩阵
        Matrix.multiplyMM(
            mMVPMatrix, // 最终变化矩阵
            NO_OFFSET, // 偏移量
            mProjectionMatrix, // 投影矩阵
            NO_OFFSET, // 投影矩阵偏移量
            mViewMatrix, // 相机矩阵
            NO_OFFSET // 相机矩阵偏移量
        )
    }
}