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嵌入式Linux使用OpenGL ES

article 2024/12/1 16:41:56

OpenGL ES（Open Graphics Library for Embedded Systems） 是 OpenGL 的子集，专为嵌入式设备设计，如智能手机、平板电脑和嵌入式硬件（如树莓派、i.MX 等）。使用 OpenGL ES，您可以创建高性能的图形界面和 3D 渲染。

以下是使用 OpenGL ES 的指南：

1. OpenGL ES 的版本简介

OpenGL ES 1.x: 仅支持固定函数管线，适合简单的图形应用。
OpenGL ES 2.x: 引入了可编程着色器，适合更复杂和现代的图形应用。
OpenGL ES 3.x: 增加了更多高级功能，如高级纹理操作、计算着色器等。
OpenGL ES 3.2: 最接近现代 OpenGL 的功能。

通常选择 OpenGL ES 2.0 或更高版本，因为它们支持可编程着色器并被广泛使用。

2. 开发环境准备

2.1 硬件需求

支持 OpenGL ES 的嵌入式设备，如 Raspberry Pi、NVIDIA Jetson、i.MX、Android 设备等。

2.2 软件需求

EGL：负责上下文管理、窗口系统绑定等。
GLES：OpenGL ES 图形渲染 API。
GLSL 着色器语言：用于编写顶点和片段着色器。

2.3 安装必要库

在 Linux 系统上，安装相关的开发库：

sudo apt update
sudo apt install libegl1-mesa-dev libgles2-mesa-dev

对于嵌入式平台（如树莓派），安装厂商提供的 OpenGL ES 驱动和工具。

3. OpenGL ES 基础架构

OpenGL ES 应用程序的典型工作流程：

EGL 初始化：
- 创建 OpenGL ES 上下文。
- 管理窗口系统和 GPU 驱动的交互。
OpenGL ES 渲染：
- 加载顶点和片段着色器。
- 配置顶点缓冲区。
- 设置纹理、颜色、深度缓冲等。
- 调用绘制函数进行渲染。
交换缓冲区：
- 将渲染内容显示到屏幕。

4. 编写一个简单的 OpenGL ES 示例

以下是一个使用 OpenGL ES 2.0 绘制三角形的示例：

4.1 C 程序结构

#include <EGL/egl.h>
#include <GLES2/gl2.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 顶点着色器源码
const char* vertex_shader_src =
    "attribute vec4 position;\n"
    "void main() {\n"
    "   gl_Position = position;\n"
    "}\n";

// 片段着色器源码
const char* fragment_shader_src =
    "precision mediump float;\n"
    "void main() {\n"
    "   gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n"
    "}\n";

// 检查编译状态
void check_shader_compile_status(GLuint shader) {
    GLint status;
    glGetShaderiv(shader, GL_COMPILE_STATUS, &status);
    if (status == GL_FALSE) {
        char buffer[512];
        glGetShaderInfoLog(shader, 512, NULL, buffer);
        printf("Shader Compile Error: %s\n", buffer);
    }
}

int main() {
    // 初始化 EGL
    EGLDisplay display = eglGetDisplay(EGL_DEFAULT_DISPLAY);
    eglInitialize(display, NULL, NULL);

    // 配置 EGL
    EGLConfig config;
    EGLint num_configs;
    EGLint config_attribs[] = {
        EGL_SURFACE_TYPE, EGL_WINDOW_BIT,
        EGL_RENDERABLE_TYPE, EGL_OPENGL_ES2_BIT,
        EGL_NONE
    };
    eglChooseConfig(display, config_attribs, &config, 1, &num_configs);

    // 创建窗口（假设您使用 Native Window）
    EGLSurface surface = eglCreateWindowSurface(display, config, /*native_window=*/NULL, NULL);

    // 创建 OpenGL ES 上下文
    EGLint context_attribs[] = {
        EGL_CONTEXT_CLIENT_VERSION, 2,
        EGL_NONE
    };
    EGLContext context = eglCreateContext(display, config, EGL_NO_CONTEXT, context_attribs);

    eglMakeCurrent(display, surface, surface, context);

    // 编译顶点着色器
    GLuint vertex_shader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertex_shader, 1, &vertex_shader_src, NULL);
    glCompileShader(vertex_shader);
    check_shader_compile_status(vertex_shader);

    // 编译片段着色器
    GLuint fragment_shader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragment_shader, 1, &fragment_shader_src, NULL);
    glCompileShader(fragment_shader);
    check_shader_compile_status(fragment_shader);

    // 创建着色器程序
    GLuint shader_program = glCreateProgram();
    glAttachShader(shader_program, vertex_shader);
    glAttachShader(shader_program, fragment_shader);
    glLinkProgram(shader_program);
    glUseProgram(shader_program);

    // 设置三角形顶点
    GLfloat vertices[] = {
         0.0f,  0.5f, 0.0f,
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
         0.5f, -0.5f, 0.0f
    };

    GLuint vbo;
    glGenBuffers(1, &vbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    GLint position_attrib = glGetAttribLocation(shader_program, "position");
    glEnableVertexAttribArray(position_attrib);
    glVertexAttribPointer(position_attrib, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), 0);

    // 渲染循环
    while (1) {
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
        eglSwapBuffers(display, surface);
    }

    // 清理资源
    glDeleteBuffers(1, &vbo);
    glDeleteProgram(shader_program);
    glDeleteShader(vertex_shader);
    glDeleteShader(fragment_shader);
    eglDestroySurface(display, surface);
    eglDestroyContext(display, context);
    eglTerminate(display);

    return 0;
}

4.2 编译和运行

编译：

gcc opengl_es_triangle.c -o opengl_es_triangle -lEGL -lGLESv2

运行：

在嵌入式设备或支持 OpenGL ES 的平台上运行：

./opengl_es_triangle

5. 开发工具和框架

5.1 常用框架

SDL2: 提供窗口管理和 OpenGL ES 支持。
Qt: 支持 OpenGL ES 的图形界面开发。
glfw: 简化窗口管理和 OpenGL 上下文创建。

5.2 调试工具

RenderDoc: 捕获和分析 OpenGL ES 渲染。
Khronos glslangValidator: 验证 GLSL 着色器语法。
GPU 厂商工具: 各 GPU 厂商（如 NVIDIA Nsight, ARM Mali）通常提供性能调优工具。

6. 高级功能

6.1 使用纹理

纹理是现代图形开发的重要部分，用于贴图、环境映射等。

示例：

GLuint texture;
glGenTextures(1, &texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
// 上传纹理数据
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
// 配置纹理参数
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);