使用opengl es编写2d游戏的一些说明和技巧

即使是制作2d游戏，在移动设备上也往往使用opengl es绘图接口，来达到较高的绘制效率。这里记录一下我学习opengl es 2d绘图过程中逐渐明白的一些原理与技巧。

opengl 3d贴图的基本流程是：

a.使用3d坐标指定一些描述物体空间位置的顶点（例如一个立方体，或者平面上的一个三角形，指定它们的顶点）

b.给每一个位置坐标指定一个纹理坐标，表示纹理图上的哪个点对应这个位置坐标

c.位置坐标和纹理坐标都提交后，opengl根据这些信息，使用插值、缩放等方式，将纹理图贴到物体上

如果是2d游戏贴图，上述流程不变，只是3d位置坐标变为2d位置坐标，并且2d位置坐标描述的平面图像往往是两个三角形拼成的正方形。这个正方形的四个顶点，再对应到一张矩形的2d游戏素材图片的四个角上。

基本的流程清楚了，剩下的就是一些细节，以及一些2d图形操作技巧在opengl上的对应实现方法。目前我想到的有以下几点

1、坐标系转换 2、贴图问题 3、颜色表 4、缓冲区操作

1、坐标系转换

这个坐标系转换指的是如何从opengl坐标系转换到2d游戏常用的左上角为原点的坐标系
opengl从提交位置顶点到在窗口上渲染出像素，使用的坐标系有：物体坐标、视点坐标、裁剪坐标、正规化设备坐标、窗口坐标

a.提交顶点时，使用的是物体坐标。
b.使用glTranslate\glRotate等函数，可以对物体进行平移和旋转，从物体坐标转换为视点坐标。（2d游戏不涉及旋转的部分，常常直接给物体设置世界坐标，可以说跳过了这一步）。
c.使用glOrtho\glFrustum等投影变换函数时，从坐标系变换上来说，先根据这两个函数规定的剪切区域及透视方法，进行了剪切透视变换，将3d世界变换到一个矩形管道观察体内。然后再进行正规化，使坐标在3个轴内的范围是(-1,1)
d.使用glViewPort函数进行视口变换。这步变换中，上一步的正规化坐标(Xn、Yn、Zn)，其中Xn、Yn根据glViewPort的参数，可以得到一个相应的屏幕坐标（Xw、Yw）（这个屏幕坐标，opengl规定原点在左下角，向上向右为正方向），Zn坐标则用来进行深度检测相关操作。

详细来看一下glViewPort函数

void glViewport(	GLint	x,
	GLint	y,
	GLsizei	width,
	GLsizei	height ) ;

这个函数的数学表达式为

Xw = (Xn + 1) * width/2 + x
Yw = (Yn + 1) * height 2 + y
从这个表达上可以看出，如果x、y取为0，width、height取为窗口宽高，规范化设备坐标（-1,-1）会被转换到（0,0）点，即窗口左下角。规范化坐标(1,1)会被转换到(width,height)，即窗口右上角（注意原点为左下角，y向上为正）。换句话说，这样的设置，就是规范化矩形被平行的映射到窗口上去了。

这里还有一个细节，就是规范化坐标和我们提交顶点时使用的坐标是什么关系。如何保证我们惯用的2d绘图坐标（原点在左上角），在使用opengl绘图接口时保持正常？

那就需要详细看一下投影变换函数glOrtho

void glOrtho(

GLdouble left, GLdouble
right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble nearVal, GLdouble farVal

)

;

我们只要把这个函数的参数bottom设为窗口高度height，参数top设为0，即可正常使用惯用的2d坐标系了（原点在左上角）。从bottom和top的字面意义上来讲，要想使绘图坐标的y轴向下为正，确实应该这样设置（反之，设置bottom=0,top=height,就是opengl窗口坐标那样的y轴向上坐标系了）。从原理上讲，这个函数只是设置了一个坐标变换矩形，这个变换矩形的各个系数是根据我们调用glOrtho函数时设置的参数算出的。感兴趣的同学可以去看看opengl关于这个函数的官方文档，自己计算一下。
http://www.opengl.org/sdk/docs/man/xhtml/glOrtho.xml

关于坐标变换，opengl官网网站的一个faq网页解释的比较清楚
http://www.opengl.org/archives/resources/faq/technical/transformations.htm

2、纹理贴图细节

a.图像出现白边或者图像移动时产生闪烁

如果使用缩放操作的话，一定要注意纹理环绕的设置。因为缩放操作导致屏幕上的像素点和纹理图片不是一一对应，就需要opengl来进行过滤采样。在纹理过滤不是临近点过滤时，对纹理边缘的过滤就可能包含纹理图像外的点。纹理环绕决定了图像外部点如何取值，像GL_CLAMP就会采用一种可设置的固定边界颜色。GL_CLAMP_TO_EDGE则忽略图像外部点。如果采用CL_CLAMP，在拼接纹理时，容易产生黑边。详细的解释可以见这篇文章http://www.linuxgraphics.cn/opengl/texture_fix_seam.html
但因为2d游戏纹理坐标经常和像素一一对应，如果不进行放大和缩放的话，就不会出现这种现象。
另外一种贴图时产生缝隙的原因，是opengl习惯使用宽高是2的幂的纹理图片，如果引擎对不符合要求的图片进行了自动补齐的话，补足的像素如果没有正确初始化，也会在放大缩小的边界线性过滤时产生缝隙，而且这时是与纹理环绕模式无关的。

我还碰到过图像闪烁的问题。那是在移动一副图片并对图片进行缩放时发生的。我猜测原因是图片位置发生变化后，因为位置变化量和缩放倍数不一致（例如放大两倍，但是一个像素一个像素的移动图片），缩放过程中采样点也相应变化。图像上某些像素点一会采样到纹理图上的亮点，一会采样到暗点，导致闪烁。

b.纹理压缩

同样规模的2d游戏，使用的图片量要远大于3d游戏（想象一个滚动的球体，2d的话需要球体滚动过程中每一帧的图片，3d的话给一张球体整体纹理图就好了）。一个效果出众的移动设备游戏，内存往往容易拙荆见肘。这时可以采用低色深图片，例如从RGBA8888转为RGBA4444，图片内存使用量轻松减了一半，效果上其实看不太出来区别。
如果想进一步榨取内存，使用opengl的硬件纹理压缩是个好方法。这样不仅可以减低内存使用，还可以加快渲染速度。如果是opengl完全版，只要提交纹理时，glTexImage2D的第三个参数internalformat使用GL_COMPRESSED_RGBA即可，opengl会负责在载入时压缩纹理。这样可以立刻看到压缩的效果（在我的一个已使用RGBA4444图片的项目中，100m的内存消耗，使用纹理压缩后变为40m）。可惜的是，opengl
es不支持载入时压缩。关于预压缩为PVR等纹理格式，Apple网站上有详细介绍。

3.颜色表

2d游戏中经常使用索引色图片，运行时动态改变调色版，来达到一些色彩变幻的效果。在opengl里，这些效果应该如何实现？

a.glColor*方法
glColor实际设置的是顶点的颜色，而顶点颜色决定几何图形颜色。一般采取的opengl纹理设置，是纹理颜色会与几何图形颜色相调制（即相乘）。用这种方法，可以达到动态减弱纹理中某个颜色通道（R\G\B\A）的效果。

b.颜色映射
颜色映射，可以将某个颜色映射为另外一种颜色。用于颜色缓冲区和外部图像数据转移时使用,即在glDrawPixels/glReadPixels/glTexImage等API调用时发生。可以采用表格的方式，也可以采用color*scale+bias的计算公式。但是这种方式在进行映射时似乎只能是通道独立的，，并不能将R\G\B结合起来映射

c.颜色矩阵和颜色表
属于图像子集（opengl es不支持）。用于图像处理管线的各个过程中。颜色矩阵（glMatrixMode(GL_COLOR)）即是RGBA色彩空间的矩阵运算，颜色表(glColorTable)类似上面的颜色映射

d.索引色纹理图
Paletted textures，属于一个扩展，这个应该就是指让opengl在非索引色模式下支持索引色纹理图。新硬件一般已经不支持。可以通过shaders达到同样的功能。

4.缓冲区操作

未完待续