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在 OpenGL ES 中挥洒创意：绘制圆形指南

前端

在计算机图形学的浩瀚世界中，圆形作为一种基本几何图形，扮演着不可或缺的角色。无论是在二维平面还是三维空间中，圆形都广泛应用于各种场景，从简单的用户界面元素到复杂的 3D 模型。在 OpenGL ES 的图形绘制领域中，掌握绘制圆形的能力至关重要，因为它为开发者提供了创作更多样化、更具吸引力的视觉效果的可能。

本文将作为一份全面的指南，带您踏上绘制圆形的奇妙旅程。我们将从理解圆形的几何特性开始，逐步深入探讨使用 OpenGL ES 中的顶点着色器和片段着色器构建圆形的技术细节。沿途，我们将揭示图形管道的奥秘，并提供实用技巧和示例代码，助您轻松实现圆形绘制。

圆形的几何奥秘

在计算机图形学中，圆形通常由一组连接的线段组成，形成一个封闭的区域。为了准确绘制圆形，我们需要了解其几何特性。

圆心和半径

圆心是圆形中心的点，而半径是从圆心到圆上任何一点的距离。这些参数对于定义圆形至关重要。

圆周和圆周率

圆周是圆形外围的长度，通常用符号 π（圆周率）表示。圆周与直径（圆心到圆上两点的最长距离）之比始终为 π。

扇形和弧度

扇形是指圆内被两条半径和一条圆弧围成的区域。弧度是圆弧长与半径之比，用于衡量圆弧的长度。

掌握这些几何概念是绘制圆形的基础，让我们继续探索 OpenGL ES 中的实践步骤。

OpenGL ES 绘制圆形的技术

OpenGL ES（嵌入式系统图形库）是一个跨平台的图形 API，专门为移动设备和嵌入式系统设计。它提供了强大的功能，使开发者能够创建复杂的图形应用程序。在 OpenGL ES 中绘制圆形涉及以下步骤：

1. 顶点着色器：定义圆形形状

顶点着色器是一种程序，它将每个顶点的位置从模型空间转换到裁剪空间。在绘制圆形时，我们可以使用顶点着色器定义圆形的形状。

attribute vec2 a_position;
uniform vec2 u_center;
uniform float u_radius;

void main() {
  // 计算顶点到圆心的距离
  vec2 delta = a_position - u_center;
  float distance = length(delta);
  
  // 如果顶点在圆内，将其输出到裁剪空间
  if (distance <= u_radius) {
    gl_Position = vec4(a_position, 0.0, 1.0);
  }
  // 否则，丢弃顶点
  else {
    gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  }
}

在这个顶点着色器中，a_position 是顶点的输入位置，u_center 是圆心的位置，u_radius 是半径。着色器首先计算顶点到圆心的距离。如果顶点在圆内（距离小于或等于半径），则将其输出到裁剪空间。否则，它将被丢弃。

2. 片段着色器：设置圆形颜色

片段着色器是一种程序，它为每个片段（像素）设置颜色。在绘制圆形时，我们可以使用片段着色器设置圆形的填充颜色。

uniform vec4 u_color;

void main() {
  // 设置片段颜色为 u_color
  gl_FragColor = u_color;
}

在这个片段着色器中，u_color 是圆形的颜色。着色器简单地将片段颜色设置为 u_color 的值。

3. 配置图形管道

配置图形管道涉及设置顶点着色器和片段着色器，并指定其他渲染状态。

// 创建顶点着色器和片段着色器
GLuint vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
GLuint fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

// 编译着色器
glCompileShader(vertexShader);
glCompileShader(fragmentShader);

// 创建程序对象并附加着色器
GLuint program = glCreateProgram();
glAttachShader(program, vertexShader);
glAttachShader(program, fragmentShader);

// 链接程序对象
glLinkProgram(program);

// 使用程序对象
glUseProgram(program);

// 设置顶点数据
glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, vertices);
glEnableVertexAttribArray(0);

// 设置统一变量
glUniform2f(glGetUniformLocation(program, "u_center"), 0.5, 0.5);
glUniform1f(glGetUniformLocation(program, "u_radius"), 0.25);
glUniform4f(glGetUniformLocation(program, "u_color"), 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);

// 绘制圆形
glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, vertexCount);

这段代码设置了顶点着色器和片段着色器，创建了一个程序对象并附加了着色器，并链接了程序对象。它还设置了顶点数据（vertices 数组）并指定了要绘制的顶点数量（vertexCount ）。最后，它设置了统一变量（u_center 、u_radius 和 u_color ）并绘制了圆形。

探索圆形绘制的实用示例

为了进一步理解 OpenGL ES 中的圆形绘制，让我们探索一个实用示例。

示例：绘制带边框的圆形

在此示例中，我们将绘制一个带白色边框的红色圆形。

// 顶点着色器
attribute vec2 a_position;
uniform vec2 u_center;
uniform float u_radius;

void main() {
  // 计算顶点到圆心的距离
  vec2 delta = a_position - u_center;
  float distance = length(delta);
  
  // 如果顶点在圆内或刚好位于圆上，将其输出到裁剪空间
  if (distance <= u_radius + 1.0 / u_radius) {
    gl_Position = vec4(a_position, 0.0, 1.0);
  }
  // 否则，丢弃顶点
  else {
    gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  }
}

// 片段着色器
uniform vec4 u_color;

void main() {
  // 计算顶点到圆心的距离
  vec2 delta = gl_PointCoord - vec2(0.5, 0.5);
  float distance = length(delta);
  
  // 如果顶点在圆内，设置颜色为红色
  if (distance <= 0.5) {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  }
  // 如果顶点在圆与边框之间，设置颜色为白色
  else if (distance <= 1.0) {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
  }
  // 否则，丢弃片段
  else {
    gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
  }
}

在这个示例中，我们修改了顶点着色器，使它输出在圆内或刚好位于圆上的顶点。我们还修改了片段着色器，使其根据顶点到圆心的距离设置颜色。当顶点在圆内时，颜色设置为红色。当顶点在圆与边框之间时，颜色设置为白色。否则，片段将被丢弃。

创造力与创新：超越基本圆形

掌握了绘制圆形的基础知识后，您就可以尽情挥洒创意，探索更多可能性。

添加纹理

为圆形添加纹理可以使其更加丰富多彩和逼真。您可以使用 OpenGL ES 纹理对象来实现纹理映射。

创建动态圆形

使用统一变量和顶点属性，您可以创建动态圆形，其位置、大小和颜色可以实时调整。

绘制复杂的形状