Qt移动应用开发（八）：实现跨平台的QML和OpenGL混合渲染

Qt移动应用开发（八）：实现跨平台的QML和OpenGL混合渲染

         上一篇文章讲到了利用C++这个桥梁，我们实现了QML和Java的交互。Qt 5大力推崇的QML/JS开发，让轻量、快速开发的QML/JS打头阵，让重量的C++撑腰，几乎什么技术都能够实现。接下来的这篇文章讲的是我们使用QML，借助Qt库和OpenGL，实现了使用着色器定义OpenGL的渲染方式，为大家呈现混合渲染的效果。

原创文章，反对未声明的引用。原博客地址：http://blog.csdn.net/gamesdev/article/details/38024327

         本文难度偏大，适合有经验的Qt开发同行学习交流。

         演示程序下载地址：这里

         源代码下载地址：这里

         演示程序的截图如下（Android）：

         首先我们来看简单的QML代码。本例很简单，只有一个界面，没有任何界面的跳转。我们在前面显示一个矩形，上面写了”您好世界！”的文字，后面显示的是一个旋转的矩形。按照规定，先显示的内容在最底层显示，于是我们将Cube放在前面，Rectangle放在了后面。

import QtQuick 2.2
import QtQuick.Window 2.2
import OpenGLCube 1.0

Window
{
    id: root
    width: Qt.platform.os === "android"? Screen.width: 320
    height: Qt.platform.os === "android"? Screen.height: 480
    visible: true

    Cube
    {
        id: cube
        anchors.fill: parent
        ParallelAnimation
        {
            running: true
            NumberAnimation
            {
                target: cube
                property: "rotateAngle"
                from: 0
                to: 360
                duration: 5000
            }

            Vector3dAnimation
            {
                target: cube
                property: "axis"
                from: Qt.vector3d( 0, 1, 0 )
                to: Qt.vector3d( 1, 0, 0 )
                duration: 5000
            }
            loops: Animation.Infinite
        }
    }

    Rectangle
    {
        anchors.centerIn: parent
        width: textField.width * 1.2
        height: textField.height * 1.5
        radius: textField.height / 3
        color: "lightsteelblue"
        border.color: "white"
        border.width: 2
        Text
        {
            id: textField
            anchors.centerIn: parent
            text: "您好世界！"
            font.pixelSize: root.width / 20
        }
    }
}

我们发现Cube类并不是Qt Quick自带的，而是我们自定义的一个QML模块OpenGLCube。按照第六篇文章上面的方法，我们通过在C++注册QML类实现了让QML访问C++代码。下面是主函数的实现：

#include <QApplication>
#include <QQmlApplicationEngine>
#include "Cube.h"

int main( int argc, char** argv )
{
    QApplication app( argc, argv );

    qmlRegisterType<Cube>( "OpenGLCube", 1, 0, "Cube" );

    QQmlApplicationEngine engine;
    engine.load( QUrl( QStringLiteral( "qrc:///main.qml" ) ) );

    return app.exec( );
}

         主函数中通过qmlRegisterType函数向QML环境注册了一个QML类。接下来就是Cube类的定义和实现了。

Cube.h

#ifndef CUBE_H
#define CUBE_H

#include <QVector3D>
#include <QMatrix4x4>
#include <QOpenGLFunctions>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QQuickItem>
#include <QQuickWindow>

#define DECLRARE_Q_PROPERTY( aType, aProperty ) protected:    aType m_ ## aProperty; public:    aType aProperty( void ) { return m_ ## aProperty; }     void set ## aProperty( aType _ ## aProperty )     {        m_ ## aProperty = _ ## aProperty;        if ( window( ) != Q_NULLPTR )        {            window( )->update( );        }    }

class Cube: public QQuickItem
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY( qreal rotateAngle READ RotateAngle
                WRITE setRotateAngle NOTIFY RotateAngleChanged )
    Q_PROPERTY( QVector3D axis READ Axis
                WRITE setAxis NOTIFY AxisChanged )
public:
    explicit Cube( void );
signals:
    void RotateAngleChanged( void );
    void AxisChanged( void );
protected slots:
    void Render( void );
    void OnWindowChanged( QQuickWindow* pWindow );
    void Release( void );
protected:
    bool RunOnce( void );

    QMatrix4x4                  m_ModelViewMatrix;
    QMatrix4x4                  m_ProjectionMatrix;
    QOpenGLBuffer               m_VertexBuffer, m_IndexBuffer;
    QOpenGLBuffer               m_ColorBuffer;
    QOpenGLShaderProgram        m_ShaderProgram;

    DECLRARE_Q_PROPERTY( qreal, RotateAngle )
    DECLRARE_Q_PROPERTY( QVector3D, Axis )
};

#endif // CUBE_H

         在Cube.h中，我们让Cube继承QQuickItem。因为Cube也是一个Qt Quick的显示对象。这里顺便说一下，C++的QQuickItem对应QML的Item类，而C++的QObject则是对应QML的QtObject类。在C++中，QQuickItem继承于QObject，在QML中，Item继承QtObject。在类的定义中，我使用了QOpenGLBuffer来保持各种绘图缓存（缓冲区），使用QOpenGLShaderProgram来方便地载入着色器数据。最后我使用了一个方便的宏来定义受QML属性系统控制的成员变量。当这些变量发生变化的时候，让其通知父窗口（QQuickWindow）进行更新。

Cube.cpp

// Cube.cpp
#include "Cube.h"

Cube::Cube( void ):
    m_VertexBuffer( QOpenGLBuffer::VertexBuffer ),
    m_IndexBuffer( QOpenGLBuffer::IndexBuffer ),
    m_ColorBuffer( QOpenGLBuffer::VertexBuffer ),
    m_RotateAngle( 0.0f ),
    m_Axis( 1.0f, 1.0f, 0.0f )
{   
    // 初始化
    connect( this, SIGNAL( windowChanged( QQuickWindow* ) ),
             this, SLOT( OnWindowChanged( QQuickWindow* ) ) );
}

void Cube::OnWindowChanged( QQuickWindow* pWindow )
{
    if ( pWindow == Q_NULLPTR ) return;
    connect( pWindow, SIGNAL( beforeRendering( ) ),
             this, SLOT( Render( ) ), Qt::DirectConnection );
    pWindow->setClearBeforeRendering( false );
}

void Cube::Render( void )
{
    static bool runOnce = RunOnce( );
    Q_UNUSED( runOnce );

    // 运动
    m_ModelViewMatrix.setToIdentity( );
    m_ModelViewMatrix.translate( 0.0f, 0.0f, -60.0f );
    m_ModelViewMatrix.rotate( m_RotateAngle, m_Axis.x( ),
                              m_Axis.y( ), m_Axis.z( ) );

    // 渲染
    glViewport( 0, 0, window( )->width( ), window( )->height( ) );
    glClearColor( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f );
    glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT );
    glEnable( GL_DEPTH_TEST );
    glEnable( GL_CULL_FACE );
    glFrontFace( GL_CW );

    m_ShaderProgram.bind( );
    m_VertexBuffer.bind( );
    int posLoc = m_ShaderProgram.attributeLocation( "position" );
    m_ShaderProgram.enableAttributeArray( posLoc );
    m_ShaderProgram.setAttributeBuffer( posLoc,                 // 位置
                                        GL_FLOAT,               // 类型
                                        0,                      // 偏移
                                        3,                      // 元大小
                                        0 );                    // 迈

    m_ColorBuffer.bind( );
    int colorLoc = m_ShaderProgram.attributeLocation( "color" );
    m_ShaderProgram.enableAttributeArray( colorLoc );
    m_ShaderProgram.setAttributeBuffer( colorLoc,               // 位置
                                        GL_FLOAT,               // 类型
                                        0,                      // 偏移
                                        4,                      // 元大小
                                        0 );                    // 迈
    m_IndexBuffer.bind( );
    m_ShaderProgram.setUniformValue( "modelViewMatrix", m_ModelViewMatrix );
    m_ShaderProgram.setUniformValue( "projectionMatrix", m_ProjectionMatrix );
    glDrawElements( GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_BYTE, Q_NULLPTR );

    m_ShaderProgram.disableAttributeArray( posLoc );
    m_ShaderProgram.disableAttributeArray( colorLoc );
    m_IndexBuffer.release( );
    m_VertexBuffer.release( );
    m_ShaderProgram.release( );
}

bool Cube::RunOnce( void )
{
    // 初始化着色器
    m_ShaderProgram.addShaderFromSourceFile( QOpenGLShader::Vertex,
                                             ":/shader/Shader.vsh" );
    m_ShaderProgram.addShaderFromSourceFile( QOpenGLShader::Fragment,
                                             ":/shader/Shader.fsh" );
    m_ShaderProgram.link( );

    // 初始化顶点缓存
    const GLfloat length = 10.0f;
    const GLfloat vertices[] =
    {
        length, -length, length,
        length, -length, -length,
        -length, -length, -length,
        -length, -length, length,
        length, length, length,
        length, length, -length,
        -length, length, -length,
        -length, length, length
    };

    m_VertexBuffer.setUsagePattern( QOpenGLBuffer::StaticDraw );
    m_VertexBuffer.create( );
    m_VertexBuffer.bind( );
    m_VertexBuffer.allocate( vertices, sizeof( vertices ) );

    // 初始化颜色的缓存
    const GLfloat colors[] =
    {
        1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
        0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
        0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,
        0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,
        0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f
    };
    m_ColorBuffer.setUsagePattern( QOpenGLBuffer::StaticDraw );
    m_ColorBuffer.create( );
    m_ColorBuffer.bind( );
    m_ColorBuffer.allocate( colors, sizeof( colors ) );


    // 初始化索引缓存
    GLubyte indices[] =
    {
        0, 1, 2, 0, 2, 3,// 下面
        7, 6, 4, 6, 5, 4,// 上面
        7, 4, 3, 4, 0, 3,// 左面
        5, 6, 1, 6, 2, 1,// 右面
        4, 5, 0, 5, 1, 0,// 前面
        3, 2, 6, 3, 6, 7,// 背面
    };

    m_IndexBuffer.setUsagePattern( QOpenGLBuffer::StaticDraw );
    m_IndexBuffer.create( );
    m_IndexBuffer.bind( );
    m_IndexBuffer.allocate( indices, sizeof( indices ) );

    // 设定模型矩阵和投影矩阵
    float aspectRatio  = float( window( )->width( ) ) / float( window( )->height( ) );
    m_ProjectionMatrix.perspective( 45.0f,
                                    aspectRatio,
                                    0.5f,
                                    500.0f );

    connect( window( )->openglContext( ),
             SIGNAL( aboutToBeDestroyed( ) ),
             this, SLOT( Release( ) ),
             Qt::DirectConnection );

    return true;
}

void Cube::Release( void )
{
    qDebug( "Vertex buffer and index buffer are to be destroyed." );
    m_VertexBuffer.destroy( );
    m_IndexBuffer.destroy( );
    m_ColorBuffer.destroy( );
}

         类的实现较复杂。大致分为构造阶段、初始化阶段、渲染阶段和释放空间阶段。这里我们使用了OpenGL ES 2.0常用的buffer + attribute array方式来进行高效渲染。有关上述OpenGL的知识，感兴趣的同行们可以看看《OpenGL ES 2.0 Programming Guide》、Qt书籍有关OpenGL的部分、KDAB博客中有关OpenGL的知识以及我的其它博客以获得相关知识。

         上述程序载入了顶点着色器和片断着色器。它们如下所示：

// Shader.vsh
attribute highp vec3 position;
attribute highp vec4 color;

uniform mat4 modelViewMatrix;
uniform mat4 projectionMatrix;

varying highp vec4 v_Color;

void main( void )
{
    gl_Position = projectionMatrix *
            modelViewMatrix *
            vec4( position, 1.0 );
    v_Color = color;
}

// Shader.fsh
varying highp vec4 v_Color;

void main( void )
{
    gl_FragColor = v_Color;
}

         本例在三大桌面平台上运行正常，同时在Android平台上也能够顺利地运行。