OpenGL ES 3.0 : руководство разработчика

OpenGL ES 3.0 
Руководство разработчика

With Earlier 
Contributions From
Dave Shreiner
Aaftab Munshi

OpenGL ES 3.0 
Programming Guide

Dan Ginsburg, Budirijanto Purnomo

Upper Saddle River, NJ • Boston • Indianapolis • San Francisco
New York • Toronto • Montreal • London • Munich • Paris • Madrid
Capetown • Sydney • Tokyo • Singapore • Mexico City

Addison-Wesley

Совместно 
с  Дейвом Шрейнером 
и Аафтабом Мунши

OpenGL ES 3.0 
Руководство разработчика

Москва, 2023

Дэн Гинсбург, Будирижанто Пурномо

2-издание, электронное

УДК 004’27OpenGL ES 3
ББК 32.972.121
Г49

Г49
Гинсбург, Дэн.
OpenGL ES 3.0 : руководство разработчика / Д. Гинсбург, Б. Пурномо ; пер. с англ. 
А. Борескова. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 449 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. 
требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-312-7

OpenGL ES — это ведущий интерфейс и графическая библиотека для рендеринга сложной 
трехмерной графики на мобильных устройствах. Последняя версия, OpenGL ES 3.0, делает возможным создания потрясающей графики для новых игр и приложений, не влияя на производительность устройства и время работы аккумулятора.
В данной книге авторы рассматривает весь API и язык для написания шейдеров. Они внимательно рассматривают возможности OpenGL ES такие как теневые карты, дублирование геометрии, 
рендеринг в несколько текстур, uniform-буферы, сжатие текстур, бинарное представление программ 
и преобразование обратной связи. Шаг за шагом вы перейдете от вводных примеров к продвинутому попиксельному освещению и системам частиц. Также вы найдете содержательные советы по 
оптимизации быстродействия, максимизации эффективности работы API и GPU и полном использовании OpenGL ES в широком спектре приложений.
На сайте издательства выложены примеры к книге на языке С.
Издание предназначено программистам мобильных приложений, желающих максимально 
использовать графические возможности своих устройств.

УДК 004’27OpenGL ES 3 
ББК 32.972.121

Электронное издание на основе печатного издания: OpenGL ES 3.0 : руководство разработчика / Д. Гинсбург, 
Б. Пурномо ; пер. с англ. А. Борескова. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 448 с. — ISBN 978-5-97060-256-0. — 
Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы 
то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с 
этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-312-7
© 2014 Pearson Education, Inc.
© Оформление, перевод, ДМК Пресс, 2015

Содержание

Предисловие ......................................................... 14

Введение .............................................................. 15

Благодарности ....................................................... 20

Об авторах ............................................................ 22

Глава 1. Введение в OpenGL ES 3.0 ............................ 23

OpenGL ES 3.0 ...............................................................................................................................25
Вершинный шейдер .............................................................................................................26
Сборка примитивов .............................................................................................................28
Растеризация ..........................................................................................................................28
Фрагментный шейдер .........................................................................................................29
Пофрагментные операции .................................................................................................30
Что нового в OpenGL ES 3.0? ..................................................................................................32
Текстурирование ...................................................................................................................32
Шейдеры ..................................................................................................................................34
Геометрия .................................................................................................................................35
Буферные объекты ...............................................................................................................36
Фреймбуфер ...........................................................................................................................37
OpenGL ES 3.0 и обратная совместимость ..........................................................................37
EGL  ...................................................................................................................................................38
Программирование с OpenGL ES 3.0 ............................................................................39
Библиотеки и заголовочные файлы ...............................................................................39
Синтаксис EGL .............................................................................................................................40
Синтаксис команд OpenGL ES ...............................................................................................40
Обработка ошибок .......................................................................................................................42
Основы управления состоянием ............................................................................................43
Дальнейшее чтение ......................................................................................................................44

Глава 2. Hello Triangle: пример использования 
OpenGL ES 3.0 ........................................................ 45

Используемая библиотека ........................................................................................................45
Где можно скачать примеры .....................................................................................................46
Пример Hello Triangle.................................................................................................................46
Использование библиотеки утилит для OpenGL ES 3.0................................................50

 Содержание

Создание простого вершинного и фрагментного шейдеров .........................................51
Компиляция и загрузка шейдеров .........................................................................................53
Создание объекта-программы и сборка шейдеров ...........................................................54
Задание области вывода и очистка буфера цвета .............................................................55
Загрузка геометрии и вывод примитива ..............................................................................56
Отображение буфера ..................................................................................................................56
Резюме .............................................................................................................................................57

Глава 3. Введение в EGL ........................................... 58

Взаимодействие с оконной системой ....................................................................................58
Проверка на ошибки ...................................................................................................................59
Инициализация EGL ..................................................................................................................60
Определение допустимых конфигураций поверхностей ...............................................60
Получение атрибутов EGLConfig ...........................................................................................61
Позволяем EGL выбрать конфигурацию ............................................................................64
Создание видимой области для рендеринга: окна EGL .................................................66
Создание внеэкранных областей для рендеринга: п-буферы EGL .............................68
Создание контекста для рендеринга .....................................................................................71
Делаем EGLContext текущим ..................................................................................................73
Собираем все вместе ...................................................................................................................73
Синхронизация рендеринга .....................................................................................................75
Резюме .............................................................................................................................................76

Глава 4. Шейдеры и программы ................................ 77

Шейдеры и программы ..............................................................................................................77
Создание и компилирование шейдера ..........................................................................78
Создание и сборка программы .........................................................................................81
Uniform-переменные и атрибуты ...........................................................................................85
Получение информации и задание значений для uniform-переменных ...........86
Uniform-буферы ....................................................................................................................92
Получение  и задание атрибутов .....................................................................................96
Компилятор шейдеров ...............................................................................................................97
Бинарные программы .................................................................................................................97
Резюме .............................................................................................................................................98

Глава 5. Шейдерный язык OpenGL ES ......................... 99

Основы шейдерного языка OpenGL ES ...............................................................................99
Задание версии шейдера ......................................................................................................... 100
Переменные и типы переменных ........................................................................................ 100

Содержание  7

Конструкторы переменных ................................................................................................... 101
Векторные и матричные компоненты ................................................................................ 102
Константы .................................................................................................................................... 103
Структуры ................................................................................................................................... 104
Массивы ....................................................................................................................................... 104
Операторы ................................................................................................................................... 105
Функции....................................................................................................................................... 106
Встроенные функции............................................................................................................... 107
Управляющие операторы ....................................................................................................... 107
Uniform-переменные ................................................................................................................ 108
Uniform-блоки ............................................................................................................................ 109
Входные и выходные значения вершинного/фрагментного шейдера ................... 111
Описатели интерполяции ...................................................................................................... 113
Препроцессор и его команды ................................................................................................ 114
Упаковка uniform-переменных и интерполяторов ........................................................ 116
Описатели точности ................................................................................................................. 117
Инвариантность......................................................................................................................... 118
Резюме .......................................................................................................................................... 121

Глава 6. Атрибуты вершины, вершинные массивы 
и объекты-буферы .................................................122

Задание данных для вершинных атрибутов .................................................................... 123
Постоянный вершинный атрибут ................................................................................ 123
Вершинные массивы ........................................................................................................ 123
Советы по оптимизации .................................................................................................. 127
Объявление переменных для вершинного атрибута в вершинном шейдере ....... 131
Привязка вершинного атрибута к переменной в шейдере .................................. 133
Вершинные объекты-буферы ............................................................................................... 136
Объект состояния вершинных буферов (Vertex Array Object) ................................ 145
Отображение буферов в память приложения ................................................................. 149
Сбрасывание отображенного буфера ......................................................................... 152
Копирование данных между буферами ............................................................................. 152
Резюме .......................................................................................................................................... 153

Глава 7. Сборка примитивов и растеризация ..............155

Примитивы .................................................................................................................................. 155
Треугольники ...................................................................................................................... 155
Отрезки ................................................................................................................................. 156
Точечные спрайты ............................................................................................................. 157

 Введение

Вывод примитивов ................................................................................................................... 159
Перезапуск примитива .................................................................................................... 161
Провоцирующая вершина (provoking vertex) ......................................................... 162
Дублирование геометрии (geometry instancing) ..................................................... 162
Советы по оптимизации .................................................................................................. 165
Сборка примитивов .................................................................................................................. 167
Системы координат .......................................................................................................... 168
Отсечение ............................................................................................................................. 168
Перспективное деление ................................................................................................... 170
Преобразование в область видимости ........................................................................ 170
Растеризация .............................................................................................................................. 171
Отсечение ............................................................................................................................. 171
Смещение полигона .......................................................................................................... 173
Запросы видимости .................................................................................................................. 175
Резюме .......................................................................................................................................... 177

Глава 8. Вершинные шейдеры .................................178

Обзор вершинного шейдера .................................................................................................. 179
Встроенные переменные вершинного шейдера ...................................................... 180
Встроенные специальные переменные ...................................................................... 180
Встроенные uniform-переменные, хранящие состояние ...................................... 181
Встроенные константы .................................................................................................... 181
Описатели точности ......................................................................................................... 182
Ограничения на использование uniform-переменных в вершинном 
шейдере ................................................................................................................................. 183
Примеры вершинных шейдеров .......................................................................................... 186
Матричные преобразования .......................................................................................... 186
Модельно-видовая матрица ........................................................................................... 187
Матрица проектирования ............................................................................................... 188
Расчет освещения в вершинном шейдере ................................................................. 188
Генерация текстурных координат ....................................................................................... 194
Вершинный скиннинг ............................................................................................................. 195
Преобразование обратной связи (transform feedback) ................................................. 200
Вершинные текстуры............................................................................................................... 202
Вершинный конвейер OpenGL ES 1.1 как вершинный шейдер 
OpenGL ES 3.0 ............................................................................................................................ 203
Резюме .......................................................................................................................................... 210

Глава 9. Текстурирование ........................................211

Основы текстурирования ....................................................................................................... 211

Содержание  9

Двухмерные текстуры ...................................................................................................... 211
Кубические текстурные карты ...................................................................................... 213
Трехмерные текстуры ....................................................................................................... 214
Массив двухмерных текстур ......................................................................................... 214
Текстурные объекты и загрузка текстур .................................................................... 215
Фильтрование текстуры и пирамидальное фильтрование ................................. 220
Бесшовная фильтрация кубических текстур ........................................................... 224
Автоматическое построение пирамиды изображений ......................................... 224
Отсечение текстурных координат ............................................................................... 225
Перестановки каналов ..................................................................................................... 227
Текстурный уровень детализации ............................................................................... 227
Сравнение для текстуры глубины (Percentage Closest Filtering, PCF) .......... 228
Форматы текстур ............................................................................................................... 228
Нормализованные текстурные форматы .................................................................. 229
Форматы текстур с плавающей точкой ..................................................................... 230
Целочисленные текстурные форматы ........................................................................ 231
Форматы текстур с общей экспонентой .................................................................... 232
Текстурные форматы sRGB ........................................................................................... 233
Форматы для текстур глубины ..................................................................................... 234
Использование текстур в шейдере .............................................................................. 234
Пример использования кубической текстуры ........................................................ 237
Загрузка трехмерных текстур и массивов двухмерных текстур ....................... 239
Сжатые текстуры....................................................................................................................... 240
Задание части изображения текстуры ............................................................................... 243
Копирование текстурных данных из буфера цвета ...................................................... 246
Объекты-сэмплеры ................................................................................................................... 249
Неизменяемые текстуры ........................................................................................................ 252
Распаковка объектов-буферов.............................................................................................. 253
Резюме .......................................................................................................................................... 254

Глава 10. Фрагментные шейдеры .............................255

Пример реализации фиксированного конвейера .......................................................... 256
Обзор фрагментного шейдера .............................................................................................. 257
Встроенные специальные переменные ...................................................................... 258
Встроенные константы .................................................................................................... 259
Описатели точности ......................................................................................................... 260
Реализация алгоритмов из фиксированного конвейера при помощи 
шейдеров ...................................................................................................................................... 260
Мультитекстурирование ................................................................................................. 261
Туман ...................................................................................................................................... 262

 Содержание

Альфа-тест (с использованием discard) ..................................................................... 265
Задаваемые пользователем плоскости отсечения .................................................. 267
Резюме .......................................................................................................................................... 269

Глава 11. Операции с фрагментами ..........................270

Буферы ......................................................................................................................................... 270
Запрос дополнительных буферов  ............................................................................... 271
Очистка буферов ............................................................................................................... 272
Использование масок для управления записью во фреймбуферы .................. 273
Тесты фрагментов и операции .............................................................................................. 275
Использование теста попадания в прямоугольник (scissor test) ...................... 275
Тесты трафарета ................................................................................................................. 276
Тесты глубины .................................................................................................................... 281
Смешение цветов (альфа-блендинг) .................................................................................. 282
Растрирование ............................................................................................................................ 284
Антиалиасинг с использованием мультисэмплинга ..................................................... 284
Использование спецификатора centroid ................................................................... 285
Чтение и запись пикселов во фреймбуфер ...................................................................... 286
Объекты-буферы для упаковки пикселов ................................................................ 289
Рендеринг в несколько буферов цвета (MRT) ............................................................... 290
Резюме .......................................................................................................................................... 293

Глава 12. Объекты-фреймбуферы ............................294

Зачем нужны объекты-фреймбуферы? ............................................................................. 294
Объекты-фреймбуферы и  рендербуферы ....................................................................... 296
Выбор между рендербуфером и текстурой в качестве подключения 
к фреймбуферу ................................................................................................................... 296
Сравнение объектов-фреймбуферов с поверхностями EGL .............................. 297
Создание объектов-фреймбуферов и рендербуферов.................................................. 298
Использование рендербуферов ............................................................................................ 298
Рендербуферы с мультисэмплингом........................................................................... 300
Форматы рендербуфера .................................................................................................. 301
Использование объектов-фреймбуферов ......................................................................... 302
Подключение рендербуфера к точке подключения фреймбуфера .................. 303
Подключение двухмерной текстуры к фреймбуферу........................................... 304
Подключение слоя трехмерной текстуры к фреймбуферу ................................. 305
Проверка полноты фреймбуфера ................................................................................ 306
Копирование между фреймбуферами ............................................................................... 307
Сообщение о том, что содержимое фреймбуфера больше не нужно ...................... 309