在iOS中使用OpenGLES實(shí)現(xiàn)繪畫板的方法

今天我們使用 OpenGL ES 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)繪畫板，主要介紹在 OpenGL ES 中繪制平滑曲線的實(shí)現(xiàn)方案。

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首先看一下最終效果：

在 iOS 中，有很多種方式可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)繪畫板，比如我的另外一個(gè)項(xiàng)目 MFPaintView 就是基于 CoreGraphics 實(shí)現(xiàn)的。

然而，使用 OpenGL ES 來實(shí)現(xiàn)可以獲得更多的靈活性，比如我們可以自定義筆觸的形狀，這是其他實(shí)現(xiàn)方式做不到的。

我們知道，OpenGL ES 中只有 點(diǎn)、直線、三角形這三種圖元。因此， 怎么在 OpenGL ES 中繪制曲線，是我們第一個(gè)要解決的問題，也是最復(fù)雜的問題。

我們會(huì)使用比較大的篇幅來講解這個(gè)問題。至于繪畫板的其他功能實(shí)現(xiàn)，并不是說不重要，只是說其他的繪畫板實(shí)現(xiàn)方式，也會(huì)有類似的邏輯，所以這部分會(huì)放在最后再簡單介紹一下。

一、怎么繪制曲線

在 OpenGL ES 中繪制曲線的方式，就是 將曲線拆分成點(diǎn)序列來繪制。

因?yàn)橐L制點(diǎn)，所以我們采取的是 點(diǎn)圖元。即我們要把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)當(dāng)成 點(diǎn)來繪制，并且每個(gè)點(diǎn)都要繪制出筆觸的紋理。關(guān)鍵步驟如下：

指定圖元類型：

glDrawArrays(GL_POINTS, 0, self.vertexCount);

頂點(diǎn)著色器：

attribute vec4 Position;

uniform float Size;

void main (void) {
  gl_Position = Position;
  gl_PointSize = Size;
}

片段著色器：

precision highp float;

uniform float R;
uniform float G;
uniform float B;
uniform float A;

uniform sampler2D Texture;

void main (void) {
  vec4 mask = texture2D(Texture, vec2(gl_PointCoord.x, 1.0 - gl_PointCoord.y));
  gl_FragColor = A * vec4(R, G, B, 1.0) * mask;
}

這里的關(guān)鍵點(diǎn)在于 gl_PointCoord 這個(gè)內(nèi)置變量，當(dāng)我們使用點(diǎn)圖元的時(shí)候，可以通過這個(gè)變量獲取到 當(dāng)前像素在點(diǎn)圖元中的歸一化坐標(biāo)。

但是這個(gè)坐標(biāo)的原點(diǎn)是在左上角，這和紋理坐標(biāo)在豎直方向上是相反的。所以從紋理讀取顏色的時(shí)候，要做一個(gè) y 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

接下來，我們通過 UITouch 來獲取觸摸點(diǎn)的位置，然后算出歸一化的頂點(diǎn)坐標(biāo)。

- (void)touchesMoved:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
  [super touchesMoved:touches withEvent:event];
  
  [self addPointWithTouches:touches];
}

但是由于 iOS 系統(tǒng)觸摸事件的派發(fā)頻率有限，我們最終得到的只能是稀疏的點(diǎn)。如下圖所示，每個(gè)觸摸點(diǎn)之間的間隔會(huì)比較大。

二、怎么繪制密集的點(diǎn)

很容易想到，只需要在兩個(gè)點(diǎn)之間，按照一定的密度進(jìn)行插值，就可以繪制出連續(xù)的軌跡。

但是很明顯，我們的繪制結(jié)果是折線，并不平滑。

三、怎么使曲線變平滑

解決點(diǎn)連接不平滑的問題，一般是使用貝塞爾曲線。這種方案在 MFPaintView 中也得到了很好的應(yīng)用。

具體的做法是使用 兩個(gè)頂點(diǎn)間的中點(diǎn)和 一個(gè)頂點(diǎn)，來構(gòu)造一條貝塞爾曲線。如下圖，圖中的 3 個(gè) 紅點(diǎn)被用來構(gòu)造一條貝塞爾曲線。

于是，我們的問題就變成了 怎么在 OpenGL ES 中繪制貝塞爾曲線。相當(dāng)于已知貝塞爾曲線的 3 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，反向來求曲線上的點(diǎn)序列。

我們知道貝塞爾曲線的方程是 P = (1 - t)^2 * P0 + 2 * t * (1 - t) * P1 + t^2 * P2 ， t 是唯一的變量，其取值范圍是 0 ~ 1 。

所以我們可以采取線性取值的方式，每一條貝塞爾曲線取 n 個(gè)點(diǎn)（ n 是個(gè)確定的常量）。只要依次往方程中代入 1 / n 、 2 / n 、 ... n / n ，就可以得到一個(gè)點(diǎn)序列。

先將 n 取一個(gè)比較小的值，這樣比較容易看出存在的問題。我們發(fā)現(xiàn)， 點(diǎn)序列的間隔并不均勻。原因有兩個(gè)：

• 不同貝塞爾曲線的長度不一樣，使用同一個(gè) n 值，算出來的點(diǎn)的疏密程度肯定不同。
• 由于貝塞爾曲線隨著 t 增長，曲線長度的增長并不是線性的。按照我們上面的算法，最終會(huì)得到的結(jié)果是 兩頭比較稀疏，中間比較密集。

四、怎么生成均勻的點(diǎn)序列

貝塞爾曲線生成均勻的點(diǎn)序列，涉及到了一個(gè)經(jīng)典的「貝塞爾曲線勻速運(yùn)動(dòng)」問題。

這個(gè)問題的推導(dǎo)和計(jì)算比較復(fù)雜。如果你有興趣，可以閱讀一下文末的兩篇文章。由于我還不能完全領(lǐng)悟，就不在這里誤導(dǎo)大家了。

簡單來說，就是我們通過一系列的騷操作，封裝了一個(gè)方法，只需要傳入貝塞爾曲線的 3 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和筆觸尺寸，就可以獲取均勻的點(diǎn)序列。

+ (NSArray <NSValue *>*)pointsWithFrom:(CGPoint)from
                  to:(CGPoint)to
                control:(CGPoint)control
               pointSize:(CGFloat)pointSize;

下面我們固定貝塞爾曲線的 起始點(diǎn)和 控制點(diǎn)，只移動(dòng) 終止點(diǎn)，來驗(yàn)證一下這個(gè)方法是否可靠。

可以看到，在移動(dòng)過程中，點(diǎn)和點(diǎn)的距離基本是保持一致的，并且是均勻的。通過這個(gè)「神奇」的方法，我們終于畫出了平滑且均勻的曲線。

五、繪畫板功能實(shí)現(xiàn)

終于講完了最麻煩的部分，接下來簡單介紹一下繪畫板基本功能的實(shí)現(xiàn)。

1、顏色混合

在以往的例子中，我們在開始一次渲染之前，都會(huì)調(diào)用 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) 來清除畫布，因?yàn)槲覀儾幌ＭＡ羯洗蔚匿秩窘Y(jié)果。

但是對于一個(gè)繪畫板來說，我們要不斷地往畫布上畫東西，所以是希望保留上次結(jié)果的。因此，在繪制之前不能執(zhí)行清除的操作。

另外，由于我們的畫筆可能是半透明的，所以新繪制的顏色需要和畫布上已經(jīng)存在的顏色進(jìn)行混合。因此在繪制開始之前，需要開啟混合選項(xiàng)。

glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

2、筆觸調(diào)整

筆觸有 3 個(gè)屬性可以調(diào)整： 顏色、尺寸、形狀。它們本質(zhì)上都是對點(diǎn)圖元的調(diào)整，通過 uniform 變量的形式，將顏色、尺寸、紋理傳入著色器并應(yīng)用。

3、橡皮擦

GLPaintView 在初始化的時(shí)候，需要傳入一個(gè)背景色參數(shù)，當(dāng)用戶切換到橡皮擦功能的時(shí)候，內(nèi)部只是單純地將畫筆的顏色切換成背景色，于是就產(chǎn)生了橡皮擦的效果。

4、撤銷重做

撤銷重做功能需要依賴兩個(gè)棧來實(shí)現(xiàn)。我們把用戶的手指從 按下屏幕到離開屏幕這一過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，定義為一個(gè)操作對象，這個(gè)操作對象保存了歸一化后的點(diǎn)序列，以及點(diǎn)的屬性。

@interface MFPaintModel : NSObject

/// 筆刷尺寸
@property (nonatomic, assign) CGFloat brushSize;
/// 筆刷顏色
@property (nonatomic, strong) UIColor *brushColor;
/// 筆刷模式
@property (nonatomic, assign) GLPaintViewBrushMode brushMode;
/// 筆觸紋理圖片文件名
@property (nonatomic, copy) NSString *brushImageName;
/// 點(diǎn)序列
@property (nonatomic, copy) NSArray<NSValue *> *points;

@end

撤銷重做的代碼實(shí)現(xiàn)大概像這樣子：

- (void)undo {
  if ([self.operationStack isEmpty]) {
    return;
  }
  MFPaintModel *model = self.operationStack.topModel;
  [self.operationStack popModel];
  [self.undoOperationStack pushModel:model];
  
  [self reDraw];
}

- (void)redo {
  if ([self.undoOperationStack isEmpty]) {
    return;
  }
  MFPaintModel *model = self.undoOperationStack.topModel;
  [self.undoOperationStack popModel];
  [self.operationStack pushModel:model];
  
  [self drawModel:model];
}

需要注意的是，由于 撤銷操作需要先清除畫布，所以每次都需要重繪。而 重做操作可以利用上次繪制的結(jié)果，所以每次只需要繪制一個(gè)步驟即可。

源碼

請到 GitHub 上查看完整代碼。

到此這篇關(guān)于在iOS中使用OpenGL ES實(shí)現(xiàn)繪畫板的方法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)iOS 繪畫板內(nèi)容請搜索創(chuàng)新互聯(lián)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持創(chuàng)新互聯(lián)！

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