【移动应用开发技术】在iOS中使用OpenGL ES实现绘画板的方法

【移动应用开发技术】在iOS中使用OpenGLES实现绘画板的方法

今天我们使用OpenGLES来实现一个绘画板，主要介绍在OpenGLES中绘制平滑曲线的实现方案。首先看一下最终效果：在iOS中，有很多种方式可以实现一个绘画板，比如我的另外一个项目MFPaintView就是基于CoreGraphics实现的。然而，使用OpenGLES来实现可以获得更多的灵活性，比如我们可以自定义笔触的形状，这是其他实现方式做不到的。我们知道，OpenGLES中只有点、直线、三角形这三种图元。因此，怎么在OpenGLES中绘制曲线，是我们第一个要解决的问题，也是最复杂的问题。我们会使用比较大的篇幅来讲解这个问题。至于绘画板的其他功能实现，并不是说不重要，只是说其他的绘画板实现方式，也会有类似的逻辑，所以这部分会放在最后再简单介绍一下。一、怎么绘制曲线在OpenGLES中绘制曲线的方式，就是将曲线拆分成点序列来绘制。因为要绘制点，所以我们采取的是点图元。即我们要把顶点数据当成点来绘制，并且每个点都要绘制出笔触的纹理。关键步骤如下：指定图元类型：顶点着色器：片段着色器：这里的关键点在于gl_PointCoord这个内置变量，当我们使用点图元的时候，可以通过这个变量获取到当前像素在点图元中的归一化坐标。但是这个坐标的原点是在左上角，这和纹理坐标在竖直方向上是相反的。所以从纹理读取颜色的时候，要做一个y坐标的转换。接下来，我们通过UITouch来获取触摸点的位置，然后算出归一化的顶点坐标。但是由于iOS系统触摸事件的派发频率有限，我们最终得到的只能是稀疏的点。如下图所示，每个触摸点之间的间隔会比较大。二、怎么绘制密集的点很容易想到，只需要在两个点之间，按照一定的密度进行插值，就可以绘制出连续的轨迹。但是很明显，我们的绘制结果是折线，并不平滑。三、怎么使曲线变平滑解决点连接不平滑的问题，一般是使用贝塞尔曲线。这种方案在MFPaintView中也得到了很好的应用。具体的做法是使用两个顶点间的中点和一个顶点，来构造一条贝塞尔曲线。如下图，图中的3个红点被用来构造一条贝塞尔曲线。于是，我们的问题就变成了怎么在OpenGLES中绘制贝塞尔曲线。相当于已知贝塞尔曲线的3个关键点，反向来求曲线上的点序列。我们知道贝塞尔曲线的方程是P=(1-t)^2*P0+2*t*(1-t)*P1+t^2*P2，t是唯一的变量，其取值范围是0~1。所以我们可以采取线性取值的方式，每一条贝塞尔曲线取n个点（n是个确定的常量）。只要依次往方程中代入1/n、2/n、...n/n，就可以得到一个点序列。先将n取一个比较小的值，这样比较容易看出存在的问题。我们发现，点序列的间隔并不均匀。原因有两个：四、怎么生成均匀的点序列贝塞尔曲线生成均匀的点序列，涉及到了一个经典的「贝塞尔曲线匀速运动」问题。这个问题的推导和计算比较复杂。如果你有兴趣，可以阅读一下文末的两篇文章。由于我还不能完全领悟，就不在这里误导大家了。简单来说，就是我们通过一系列的骚操作，封装了一个方法，只需要传入贝塞尔曲线的3个关键点和笔触尺寸，就可以获取均匀的点序列。下面我们固定贝塞尔曲线的起始点和控制点，只移动终止点，来验证一下这个方法是否可靠。可以看到，在移动过程中，点和点的距离基本是保持一致的，并且是均匀的。通过这个「神奇」的方法，我们终于画出了平滑且均匀的曲线。五、绘画板功能实现终于讲完了最麻烦的部分，接下来简单介绍一下绘画板基本功能的实现。1、颜色混合在以往的例子中，我们在开始一次渲染之前，都会调用glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)来清除画布，因为我们不希望保留上次的渲染结果。但是对于一个绘画板来说，我们要不断地往画布上画东西，所以是希望保留上次结果的。因此，在绘制之前不能执行清除的操作。另外，由于我们的画笔可能是半透明的，所以新绘制的颜色需要和画布上已经存在的颜色进行混合。因此在绘制开始之前，需要开启混合选项。2、笔触调整笔触有3个属性可以调整：颜色、尺寸、形状。它们本质上都是对点图元的调整，通过uniform变量的形式，将颜色、尺寸、纹理传入着色器并应用。3、橡皮擦GLPaintView在初始化的时候，需要传入一个背景色参数，当用户切换到橡皮擦功能的时候，内部只是单纯地将画笔的颜色切换成背景色，于是就产生了橡皮擦的效果。4、撤销重做撤销重做功能需要依赖两个栈来实现。我们把用户的手指从按下屏幕到离开屏幕这一过程中产生的数据，定义为一个操作对象，这个操作对象保存了归一化后的点序列，以及点的属性