Android OpenGLES3绘图 - 绘制3D分形

几年前写了一篇Android SurfaceView 多线程绘图,多线程计算分形图案绘制到屏幕上,这种并行运算更适合用GPU处理。目前手机GPU有几百乃至上千个ALU运算单元,简单地说,相当于一个几百核的处理器,那么处理速度也就比CPU开启多线程快多了。

那么我们用OpenGL来实现一下,效果如下:


7mgto-qwaih.gif

绘制的这个分形有点像煤气灶 (-_ -)!。不过3D效果很明显,动画也非常流畅,远远不是CPU运算所能比的(有点模糊是录屏设置的,真机效果还是很清晰的)。这已经不是“鸟枪换炮”了,简直就是“鸟枪换火箭”!

来看看代码实现。

Activity相关

在 GLActivity 中添加 GLSurfaceView,设置 Renderer 。

public class GLActivity extends AppCompatActivity {

    GLSurfaceView glSurfaceView;
    OurCamera ourCamera;
    BaseRender render;


    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        glSurfaceView = new GLSurfaceView(this);
        setContentView(glSurfaceView);

        glSurfaceView.setEGLContextClientVersion(3);

        glSurfaceView.setRenderer(render = new FractorRender());
    }

Renderer 实现

创建一个401*401的顶点数组,分配Native内存,绑定VAO和VBO。

    float vertices[] = new float[401 * 401 * 2];

    int program;
    FloatBuffer vertexBuffer;
    int[] vao;

    IntBuffer intBuffer;

    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {

        int p = 0;
        for (int i = -200; i <= 200; i++) {
            for (int j = -200; j <= 200; j++) {
                vertices[p] = i;
                vertices[p + 1] = j;
                p += 2;
            }
        }

        program = ShaderUtils.loadProgramFractor();
        //分配内存空间,每个浮点型占4字节空间
        vertexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertices.length * 4)
                .order(ByteOrder.nativeOrder())
                .asFloatBuffer();
        //传入指定的坐标数据
        vertexBuffer.put(vertices);
        vertexBuffer.position(0);

        vao = new int[1];
        glGenVertexArrays(1, vao, 0);
        glBindVertexArray(vao[0]);

        int[] vbo = new int[1];
        glGenBuffers(1, vbo, 0);
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertices.length * 4, vertexBuffer, GL_STATIC_DRAW);
    }

将顶点坐标按三角形条带方式排列,使用 GL_TRIANGLE_STRIP 方式绘制,效率更高。(如果直接用点方式绘制,点之间空隙太大,无法展示3D图形效果)。
总共有400 * 400个方格子,每个方格子绘制两个三角形,也就是每一帧绘制32万个三角形。


    // 用GL_TRIANGLE_STRIP方式把平面上所有点转化成一个三角形条带
    public static int[] strip(int w, int h) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        int k = 0;
        boolean reverse = false;
        for (int j = 0; j < h - 1; j++) {
            for (int i = 0; i < w; i++) {
                if (reverse) {
                    int p = j * w + w - 1 - i;
                    if (i == 0) {
                        list.add(p);
                        list.add(p + w);
                    }
                    list.add(p + w);
                    list.add(p);
                    if (i == w - 1) {
                        list.add(p);
                        list.add(p + w);
                    }
                } else {
                    int p = j * w + i;
                    list.add(p);
                    list.add(p + w);
                }
            }
            reverse = !reverse;
        }
        int[] a = new int[list.size()];
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            a[i] = list.get(i);
        }
        return a;
    }

    glDrawElements(GL_TRIANGLE_STRIP, vertices.length, GL_UNSIGNED_INT, 0);

分形计算参数 float[] c绘制每一帧后自动改变,用glUniform2fv方法传给Shader,形成动画效果。

    float[] c = {0.225f, 0.01f};

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        // Clear the color buffer
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

        // Use the program object
        glUseProgram(program);

        c[0] += 0.0001f;
//        c[1] += 0.00001f;
        int loc = glGetUniformLocation(program, "c");
        glUniform2fv(loc, 1, c, 0);
    }

Shader实现

顶点Shader:shader_fractor_v.glsl

根据顶点位置和Render传进来的分形参数 c 计算分形迭代数 k


    uniform vec2 c;

    vec2 z = vPosition / 200.0;

    int k = 0;
    for (; k < 63; k++) {
        if (z.x * z.x + z.y * z.y > 4.0) break;
        z = mul(z,z) + c;
    }

网上找一个热度渐变色数组colors,根据 k大小选择不同颜色,并转换成 vec3 格式

// 热度渐变色 64
const int[] colors = int[](-16777216,-16318464,-15859712,-15400960,-14876672,-14417920,-13959168,-13500416,-12976128,-12517376,-12058624,-11599872,-11075584,-10158080,-9240576,-8323072,-7405568,-6488064,-5570560,-4653056,-3735552,-2818048,-1900544,-983040,-65536,-61440,-57088,-52736,-48640,-44288,-39936,-35840,-31488,-27136,-23040,-18688,-14336,-13312,-12032,-11008,-9728,-8704,-7424,-6144,-5120,-3840,-2816,-1536,-256,-235,-214,-193,-171,-150,-129,-108,-86,-65,-44,-23,-1,-1,-1,-1);
layout (location = 0) in vec2 vPosition;

out vec3 aColor;

vec3 generateColor(int k) {
    int c = colors[k];
    int r = (c >> 16) & 0xff;
    int g = (c >> 8) & 0xff;
    int b = c & 0xff;
    return vec3(float(r)/255.0f, float(g)/255.0f, float(b)/255.0f);
}

片段着色器:shader_fractor_f.glsl
顶点着色器将颜色传给片段着色器展示即可

#version 300 es
precision mediump float;
in vec3 aColor;
out vec4 fragColor;

void main() {
     fragColor = vec4(aColor, 1.0);
}

Github

完整代码在SurfacePaint项目的opengles3模块的fractal中

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