Android开发之通过渲染纹理展示地球仪

上一篇文章介绍了如何使用GL10描绘三维物体的线段框架，后面给出的立方体和球体效果图，虽然看起来具备立体的轮廓，可离真实的物体还差得远。因为现实生活中的物体不仅仅有个骨架，还有花纹有光泽（比如衣服），所以若想让三维物体更加符合实际，就得给它加一层皮，也可以说是加一件衣服，这个皮毛大衣用OpenGL的术语称呼则为“纹理”。

三维物体的骨架是通过三维坐标系表示的，每个点都有x、y、z三个方向上的数值大小。那么三维物体的纹理也需要通过纹理坐标系来表达，但纹理坐标并非三维形式而是二维形式，这是怎么回事呢？打个比方，裁缝店给顾客制作一件衣服，首先要丈量顾客的身高、肩宽，以及胸围、腰围、臀围等三围，然后才能根据这些身体数据剪裁布料，这便是所谓的量体裁衣。那做衣服的一匹一匹布料又是什么样子的？当然是摊开来一大片一大片整齐的布匹了，明显这些布匹近似于二维的平面。但是最终的成品衣服穿在顾客身上却是三维的模样，显然中间必定有个从二维布匹到三维衣服的转换过程。转换工作的一系列计算，离不开前面测量得到的身高、肩宽、三围等等，其中身高和肩宽是直线的长度，而三围是曲线的长度。如果把三围的曲线剪断并拉直，就能得到直线形式的三围；同理，把衣服这个三维的曲面剪开，然后把它摊平，得到平面形式的衣服。于是，剪开并摊平后的平面衣服，即可与原始的平面布匹对应起来了。因此，纹理坐标的目的就是标记被摊平衣服的二维坐标，从而将同属二维坐标系的布匹一块一块贴上去。

在OpenGL体系之中，纹理坐标又称UV坐标，通过两个浮点数组合来设置一个点的纹理坐标(U,V)，其中U表示横轴，V表示纵轴。纹理坐标不关心物体的三维位置，好比一个人不管走到哪里，不管做什么动作，身上穿的还是那件衣服。纹理坐标所要表述的，是衣服的一小片一小片分别来自于哪块布料，也就是说，每一小片衣服各是由什么材质构成。既可以是棉布材质，也可以是丝绸材质，还可以是尼龙材质，纹理只是衣服的脉络，材质才是最终贴上去的花色。

给三维物体穿衣服的动作，通常叫做给三维图形贴图，更专业地说叫纹理渲染。渲染纹理的过程主要由三大项操作组成，分别说明如下：

一、启用纹理的一系列开关设置，该系列又包括下述步骤：

1、渲染纹理肯定要启用纹理功能了，并且为了能够正确渲染，还需同时启用深度测试。启用深度测试的目的，是只绘制物体朝向观测者的正面，而不绘制物体的背面。上一篇文章的立方体和球体因为没有开启深度测试，所以背面的线段也都画了出来。启用纹理与深度测试的代码示例如下：

        // 启用某功能，对应的glDisable是关闭某功能。
        // GL_DEPTH_TEST指的是深度测试。启用纹理时必须同时开启深度测试，
        // 这样只有像素点前面没有东西遮挡之时，该像素点才会予以绘制。
        gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST);
        // 启用纹理
        gl.glEnable(GL10.GL_TEXTURE_2D);

2、OpenGL默认的环境光是没有特定光源的散光，如果要实现特定光源的光照效果，则需开启灯照功能，另外至少启用一个光源，或者同时启用多个光源。下面是只开启一处灯光的代码例子：

        // 开启灯照效果
        gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
        // 启用光源0
        gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

3、就像人可以穿着多件衣服那样，三维物体也能接连描绘多种纹理，于是每次渲染纹理都得分配一个纹理编号。这个纹理编号的分配操作有点拗口，开发者不用太在意，只管按照下面例行公事便成：

        int[] textures = new int[1];
        // 告诉OpenGL去生成textures.textures中存放了创建的Texture ID
        gl.glGenTextures(1, textures, 0);
        //通知OpenGL库使用这个Texture
        gl.glBindTexture(GL10.GL_TEXTURE_2D, textures[0]);

4、如同衣服有很宽松的款式，也有很紧身的款式，对于这些不是那么合身的情况，OpenGL要怎么去渲染放大或者缩小了的纹理？此时就要指定下述的纹理参数设置了：

        //用来渲染的Texture可能比要渲染的区域大或者小,所以需要设置Texture需要放大或是缩小时OpenGL的模式
        //GL_TEXTURE_MAG_FILTER表示放大的情况，GL_TEXTURE_MIN_FILTER表示缩小的情况
        //常用的两种模式为GL10.GL_LINEAR和GL10.GL_NEAREST。
        //需要比较清晰的图像使用GL10.GL_NEAREST,而使用GL10.GL_LINEAR则会得到一个较模糊的图像
        gl.glTexParameterf(GL10.GL_TEXTURE_2D, GL10.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL10.GL_LINEAR);
        gl.glTexParameterf(GL10.GL_TEXTURE_2D, GL10.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL10.GL_NEAREST);
        //当定义的材质坐标点超过UV坐标定义的大小(UV坐标为0,0到1,1)，这时需要告诉OpenGL库如何去渲染这些不存在的Texture部分。
        //有两种设置:GL_REPEAT 重复Texture。GL_CLAMP_TO_EDGE 只靠边线绘制一次。
        gl.glTexParameterf(GL10.GL_TEXTURE_2D, GL10.GL_TEXTURE_WRAP_S, GL10.GL_CLAMP_TO_EDGE);
        gl.glTexParameterf(GL10.GL_TEXTURE_2D, GL10.GL_TEXTURE_WRAP_T, GL10.GL_CLAMP_TO_EDGE);

5、最后还要声明一个位图对象绑定该纹理，表示后续的纹理渲染动作将使用该位图包裹三维物体，绑定位图材质的代码如下所示：

        // 将Bitmap资源和Texture绑定起来，即指定一个具体的材质
        GLUtils.texImage2D(GL10.GL_TEXTURE_2D, 0, mBitmap, 0);

二、计算材质的纹理坐标

三维物体的每个顶点坐标都以(x,y,z)构成，因此若要表达三个顶点的空间位置，就需要大小为3*3=9的浮点数组。本文开头提到纹理坐标是二维的，因此表达三个顶点的纹理坐标只需大小为3*2=6的浮点数组。至于详细的纹理坐标计算，则依据具体物体的形状以及材质的尺寸来决定，这里不再赘述。

三、在三维图形上根据纹理点坐标逐个贴上对应的材质

渲染纹理除了要打开顶点开关，还要打开材质开关。同理，绑定顶点坐标的时候，也要绑定纹理坐标。因为材质是一片一片的花色，所以调用glDrawArrays绘制方法时，要指定采取GL10.GL_TRIANGLE_STRIP方式，表示本次绘图画的是一个三角形的平面，这样从位图对象裁剪出来的花纹就贴图完成了。

下面是进行材质贴图的绘制代码例子：

    private void drawGlobe(GL10 gl) {
        //打开材质开关
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
        //打开顶点开关
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        for(int i= 0;i<=divide; i++){
            //绑定每片皮肤的顶点坐标
            gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, mVertices.get(i));
            //绑定每片皮肤的纹理坐标，第一个参数为2表示纹理坐标是二维的
            gl.glTexCoordPointer(2, GL10.GL_FLOAT, 0, mTextureCoords.get(i));
            //GL_LINE_STRIP只绘制线条，GL_TRIANGLE_STRIP才是画三角形的面
            gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, divide*2+2);
        }
        //关闭顶点开关
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        //关闭材质开关
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
    }

最后观察一下把世界地图贴到球体上面形成地球仪的效果，下面是原始的世界地图平面，可以看到底部的南极洲被拉得很大：

下面是利用OpenGL贴图成功的三维地球仪转动动画，看起来就逼真多了：

话说上面竟然是三维动画，其实OpenGL绘制三维动画很简单，由于GLSurfaceView的渲染器会持续调用onDrawFrame函数，因此只要在该函数中设置渐变的变换数值，即可轻松实现以下动画效果：

1、调用glRotatef方法设置渐变的角度，可实现三维物体的旋转动画；

2、调用glTranslatef方法设置渐变的位移，可实现三维物体的平移动画；

3、调用glScalef方法设置渐变的放大或缩小倍率，可实现三维物体的缩放动画；