OpenGL 實踐中如何進行貝塞爾曲線繪制

這篇文章給大家介紹OpenGL 實踐中如何進行貝塞爾曲線繪制，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

說到貝塞爾曲線，大家肯定都不陌生，網上有很多關于介紹和理解貝塞爾曲線的優秀文章和動態圖。

以下兩個是比較經典的動圖了。

二階貝塞爾曲線：

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三階貝塞爾曲線：

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由于在工作中經常要和貝塞爾曲線打交道，所以簡單說一下自己的理解：

現在假設我們要在坐標系中繪制一條直線，直線的方程很簡單，就是 y=x ，很容易得到下圖：

image.png

現在我們限制一下 x 的取值范圍為 0~1 的閉區間，那么可以得出 y 的取值范圍也是 0~1。

而在 0~1 的區間范圍內，x 能取的數有多少個呢？答案當然是無數個了。

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同理，y 的取值個數也是有無數個。每一個 x 都有唯一的 y 與之對應，一個 (x,y) 在坐標系上就是一個點。

所以最終得到的 0~1 區間的線段，實際上是由無數的點組成的。

那么這條線段有多長呢？長度是由 x 的取值范圍來決定的，若 x 的取值為 0~2，那么線段就長了一倍。

另外，如果 x 的取值范圍不是無數個，而是以 0.05 的間距從 0 到 1 之間遞增，那么得到的就是一串點了。

由于 點 是一個理想狀態下的描述，在數學上點是沒有寬高、沒有面積的。
但是，如果你在草稿紙上繪制一個點，不管你用到是鉛筆、毛筆、水筆還是畫筆，一個點總是要占面積的。
毛筆畫一個點的面積可能需要鉛筆畫幾十個點了。

在實際生活中，如果要以 0.05 的間距在第一幅坐標系圖中畫出 x 在 0~1 區間的一串點，最終結果就和直接畫一條線段沒啥差別了。

這就是現實和理想的差別了。理想一串點，現實一條線。

我們把這個邏輯放到手機屏幕上。

手機屏幕上的最小顯示單位就是像素了，一個 1920 * 1080 的屏幕指的就是各方向上像素點的數量。

假如繪制一條和屏幕一樣寬的線段，一個點最小就算一個像素，最多也就 1080 個點了。

點占的像素越多，那么實際繪制時需要的點的數量越少，這也算是潛在的優化項了。

說完直線，再回到貝塞爾曲線上。

曲線和直線都有一個共同點，它們都有各自特定的方程，只不過我們用的直線例子比較簡單，既 y = x ，一眼看出計算結果。

直線方程 y = x，在數學上可以這么描述：y 是關于 x 的函數，既 y = F(x) ，其中 x 的取值決定了該直線的長度。

根據上面的理解，這個長度的直線實際又是由在 x 的取值范圍內對應的無數個點組成的。

反觀貝塞爾曲線方程以及對應的圖形如下：

• 二階貝塞爾曲線：其中，P0 和 P2 是起始點，P1 是控制點。

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• 三階貝塞爾曲線其中，P0 和 P3 是起始點，P1 和 P2 是控制點。

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不難理解，假設我們要繪制一條曲線，肯定要有起始和結束點來指定曲線的范圍曲線。

而控制點就是指定該曲線的弧度，或者說指定該曲線的彎曲走向，不同的控制點得出的曲線繪制結果是不一樣的。

另外，可以觀察到，無論是幾階貝塞爾曲線，都會有參數 t 以及 t 的取值范圍限定。

t 在 0~1 范圍的閉區間內，那么 t 的取值個數實際上就有無數個了，這時的 t 就可以理解成上面介紹直線中講到的 x 。

這樣一來，就可以把起始點、控制點當初固定參數，那么貝塞爾曲線計算公式就成了 B = F(t) ，B 是關于 t 的函數，而 t 的取值范圍為 0~1 的閉區間。

也就是說貝塞爾曲線，選定了起始點和控制點，照樣可以看成是 t 在 0~1 閉區間內對應的無數個點所組成的。

有了上面的闡述，在工(ban)程(zhuan)的角度上，就不難理解貝塞爾曲線到底怎么使用了。

Android 繪制貝塞爾曲線

Android 自帶貝塞爾曲線繪制 API ，通過 Path 類的 quadTo 和 cubicTo 方法就可以完成繪制。

 1 // 構建 path 路徑，也就是選取
 2 path.reset(); 3 path.moveTo(p0x, p0y); 4 // 繪制二階貝塞爾曲線
 5 path.quadTo(p1x, p1y, p2x, p2y); 6 path.moveTo(p0x, p0y); 7 path.close(); 8
 9 // 最后的繪制操作10 canvas.drawPath(path, paint);

這里的繪制實際上就是把貝塞爾曲線計算的方程式交給了 Android 系統內部去完成了，參數傳遞上只傳遞了起始點和控制點。

我們可以通過自己的代碼來計算這個方程式從而對邏輯上獲得更多控制權，也就是把曲線拆分成許多個點組成，如果點的尺寸比較大，甚至可以減少點的個數實現同樣的效果，達到繪制優化的目的。

OpenGL 繪制

通過 OpenGL 可以實現我們上述的方案，把曲線拆分成多個點組成。這種方案要求我們在 CPU 上去計算貝塞爾曲線方程，根據 t 的每一個取值，計算出一個貝塞爾點，用 OpenGL 去繪制上這個點。

這個點的繪制可以采用 OpenGL 中畫三角形 GL_TRIANGLES 的形式去繪制，這樣就可以給點帶上紋理效果，不過這里面的坑略多，起始點和控制點都是運行時動態可變的實現難度會大于固定不變的。

這里先介紹另一種方案，這種方案實現比較簡單也能達到優化效果，我們可以把貝塞爾曲線的計算方程式交給 GPU， 在 OpenGL Shader 中去完成。

這樣一來，我們只要給定起始點和控制點，中間計算貝塞爾曲線去填補點的過程就交給 Shader 去完成了。

另外，通過控制 t 的數量，我們可以控制貝塞爾點填補的疏密。

t 越大，填補的點越多，超過一定閾值后，不會對繪制效果有提升，反而影響性能。

t 越小，那么貝塞爾曲線就退化成一串點組成了。所以說 t 的取值范圍也能對繪制起到優化作用。

繪制效果如下圖所示：

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以下就是實際的代碼部分了，關于 OpenGL 的基礎理論部分可以參考之前寫過的文章和公眾號，就不再闡述了。

在 Shader 中定義一個函數，實現貝塞爾方程：

1vec2 fun(in vec2 p0, in vec2 p1, in vec2 p2, in vec2 p3, in float t){
2 float tt = (1.0 - t) * (1.0 -t);
3 return tt * (1.0 -t) *p0 
4 + 3.0 * t * tt * p1 
5 + 3.0 * t *t *(1.0 -t) *p2 
6 + t *t *t *p3;
7}

該方程可以利用 Shader 中自帶的函數優化一波：

1vec2 fun2(in vec2 p0, in vec2 p1, in vec2 p2, in vec2 p3, in float t)
2{
3 vec2 q0 = mix(p0, p1, t);
4 vec2 q1 = mix(p1, p2, t);
5 vec2 q2 = mix(p2, p3, t);
6 vec2 r0 = mix(q0, q1, t);
7 vec2 r1 = mix(q1, q2, t);
8 return mix(r0, r1, t);
9}

接下來就是具體的頂點著色器 shader ：

 1// 對應 t 數據的傳遞
 2attribute float aData; 3// 對應起始點和結束點
 4uniform vec4 uStartEndData; 5// 對應控制點
 6uniform vec4 uControlData; 7// mvp 矩陣
 8uniform mat4 u_MVPMatrix; 910void main() {11 vec4 pos;12 pos.w = 1.0;13 // 取出起始點、結束點、控制點14 vec2 p0 = uStartEndData.xy;15 vec2 p3 = uStartEndData.zw;16 vec2 p1 = uControlData.xy;17 vec2 p2 = uControlData.zw;18 // 取出 t 的值19 float t = aData;20 // 計算貝塞爾點的函數調用21 vec2 point = fun2(p0, p1, p2, p3, t);22 // 定義點的 x,y 坐標23 pos.xy = point;24 // 要繪制的位置25 gl_Position = u_MVPMatrix * pos;26 // 定義點的尺寸大小27 gl_PointSize = 20.0;28}

代碼中的 uStartEndData 對應起始點和結束點，uControlData 對應兩個控制點。

這兩個變量的數據傳遞通過 glUniform4f 方法就好了：

 1 mStartEndHandle = glGetUniformLocation(mProgram, "uStartEndData"); 2 mControlHandle = glGetUniformLocation(mProgram, "uControlData"); 3 // 傳遞數據，作為固定值
 4 glUniform4f(mStartEndHandle, 5 mStartEndPoints[0], 6 mStartEndPoints[1], 7 mStartEndPoints[2], 8 mStartEndPoints[3]); 9 glUniform4f(mControlHandle,10 mControlPoints[0],11 mControlPoints[1],12 mControlPoints[2],13 mControlPoints[3]);

另外重要的變量就是 aData 了，它對應的就是 t 在 0~1 閉區間的劃分的數量。

1 private float[] genTData() {2 float[] tData = new float[Const.NUM_POINTS];3 for (int i = 0; i < tData.length; i ++) {4 float t = (float) i / (float) tData.length;5 tData[i] = t;6 }7 return tData;8 }

以上函數就是把 t 在 0~1 閉區間分成 Const.NUM_POINTS 份，每一份的值都存在 tData 數組中，最后通過 glVertexAttribPointer 函數傳遞給 Shader 。

最后實際繪制時，我們采用 GL_POINTS 的形式繪制就好了。

1 GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_POINTS, 0, Const.NUM_POINTS );

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