Cocos2d-x屏幕适配之Sprite绘制原理

概述原文地址：http://tonybai.com/2014/05/13/sprite-draw-principles-of-cocos2dx-screen-adaptation/#comments 手机(智能终端)游戏绝大多数为全屏(Full Screen)显示，这样开发人员在制作游戏时势必要考虑不同手机(智能终端）屏幕大小、宽高比的不同给游戏画面带来的影响，并且要将这种影响降低到最 小，努力使用不

原文地址：http://tonybai.com/2014/05/13/sprite-draw-principles-of-cocos2dx-screen-adaptation/#comments

手机(智能终端)游戏绝大多数为全屏(Full Screen)显示，这样开发人员在制作游戏时势必要考虑不同手机(智能终端）屏幕大小、宽高比的不同给游戏画面带来的影响，并且要将这种影响降低到最 小，努力使用不同终端的游戏玩家拥有几乎相同的游戏画面体验。为此各种游戏引擎在屏幕适配方面都给出了自己的方案，Cocos2d-x也不例外。 在Cocos2d-x官网Wiki上特地撰写了一篇讲解Cocos2d-x多屏幕适配原理的文章“Detailed explanation of Cocos2d-x Multi-resolution adaptation”。

这里我们以Cocos2d-x引擎（基于2.2.2版本）自带的Sample项目HelloCpp(<span face="CourIEr


New">cocos2d-x-2.2.2/samples/Cpp/HelloCpp）为例，直观的看看这个方案带来的好 处。首先，我们对HelloCpp项目做些许改造：
– 注释掉AppDelegate.cpp中applicationDIDFinishLaunching下的pEGLVIEw->setDesignResolutionSize(designResolutionSize.wIDth,designResolutionSize.height,kResolutionNoborder);
– 仅使用Resource/iphone下的资源，即仅searchPath.push_back(smallResource.directory)； 这里我们有一张480×320分辨率大小PNG文件。
– 通过改变proj.linux/main.cpp中的eglVIEw->setFrameSize(960,640);来改变屏幕参数。（用linux工程模拟甚为方便，编译和运行占用资源小，极为迅捷，效果与AndroID平台是等 效的）

我们对比一下以下三种条件下的游戏Demo显示结果：
1) 屏幕大小480×320，未做任何屏幕适配工作，不调用pEGLVIEw->setDesignResolutionSize。
2) 屏幕大小960×640，未做任何屏幕适配工作，不调用pEGLVIEw->setDesignResolutionSize。
3) 屏幕大小同为960×640，按照上面Cocos2d-x屏幕适配指南Wiki中的做法，调用pEGLVIEw->setDesignResolutionSize(480,320);

如我们所料，我们得到三个截然不同的结果。

第一种情况，我们所得到的游戏屏幕截图如下：

第二种情况，我们所得到的游戏屏幕截图如下：

第三种情况，我们所得到的游戏屏幕截图如下：

第一种情况是最理想的情况，屏幕大小与背景图片大小相同，如我们所愿，屏幕与背景图片吻合的天衣无缝。
第二种情况显然是模拟我们初次遇到问题的场景。屏幕Size扩大为原先的二倍，在资源没有变化的情况下，我们发现480×320大小的背景图片没 有铺满屏幕，仅仅是居中显示，并在四周露出较多”黑边“，这显然不是我们想要的。
第三种情况，也就是我们按照官方屏幕适配方案调整后得到的结果，在资源依旧不变的情况下，我们得到了相对令人满意的结果：背景图片恰如其分的铺满 整个屏幕，比例正确。这样我们用一套资源就可以同时适配两个屏幕了：480×320、960×640。这两种终端的玩家至少不会对我们的游戏心生 抱怨之情^_^。

当然在遇到第二种情况的时候，你也大可再准备一套新资源，比如一张960×640的背景图片。在480×320手机上，使用480×320的图 片；在960×640的手机上，使用960×640的背景图片。但这种方法的弊端至少有三：
– 包大了：游戏的安装包Size急剧变大。
– 活儿多了：因适配屏幕种类太多而制作大量的图片。
– 新屏幕出来咋办：如果某个厂家突然于某天出品一款手机，其分辨率与以往市面上的所有手机均不同，那你的游戏因没有对应的资源，肯定无法很好适配该手机，导 致较差用户体验。

为此，适配屏幕唯一的出路似乎只有按照官方推荐的方案进行了，当然适当结合有限种类的资源也许可以更好的提升游戏体验。

如果仅仅从游戏制作角度来看，我们找到了可以适配屏幕的方法就可以了，没有必要刨根问底。甚至当有人问起来：为何 setDesignResolutionSize后，背景图片就可以充满屏幕了呢？我们可以回答：“引擎对精灵进行了缩放，就是这样”。但对于上 面的背景精灵来说，真的是我们理解的普通意义上的“精灵缩放(Scale)吗？本着“知其然，也要知其所以然”的精神，这里对引擎如何对 Sprite进行绘制进行了一番研究，我还真发现了一些与我之前理解差异较大的“深奥”原理，这里与大家一起分享一下。

一、绘制参数初始化

我们还是从代码开始，了解一下引擎绘制参数的初始化工作是如何做的、在哪里做的，为后续的分析做些铺垫。这里以Cocos2d-x 2.2.2 AndroID平台为例。关于Cocos2d-x 2.2.2 AndroID平台的引擎粗线条启动流程分析，可以参考《Hello，Cocos2d-x》这篇文章。看完这篇文章，你就会知道我们这次应该从Java_org_cocos2dx_lib_Cocos2dxRenderer_nativeInit开 始。

// samples/Cpp/HelloCpp/proj.androID/jni/hellocpp/main.cpp
voID Java_org_cocos2dx_lib_Cocos2dxRenderer_nativeInit(
jnienv* env,jobject thiz,jint w,jint h)
{
if (!CCDirector::sharedDirector()->getopenGLVIEw())
{
CCEGLVIEw *vIEw = CCEGLVIEw::sharedOpenGLVIEw();
vIEw->setFrameSize(w,h);

AppDelegate *pAppDelegate = new AppDelegate();
CCApplication::sharedApplication()->run();
}
… …
}

这里是引擎部分初始化的起点:CCDirector和CCEGLVIEw先后完成创建与初始化。接下来我们分别看一下这两个过程，我们主要关 注与绘制参数设置相关的内容：

bool CCDirector::init(voID)
{
setDefaultValues();

… …
m_obWinSizeInPoints = CCSizeZero;

m_pobOpenGLVIEw = NulL;

m_fContentScaleFactor = 1.0f;
… …
return true;
}

voID CCDirector::setDefaultValues(voID)
{
CCConfiguration *conf =
CCConfiguration::sharedConfiguration();
… …
// GL projection
const char *projection =
conf->getCString("cocos2d.x.gl.projection",
"3d");
if( strcmp(projection,"3d") == 0 )
m_eProjection =kCCDirectorProjection3D;
… …
}

由于conf中没有配置“cocos2d.x.gl.projection”，因此projection使用了 getCString传入的默认值："3d"，m_eProjection则被赋值为kCCDirectorProjection3D。

CCEGLVIEw的创建更为简单：

CCEGLVIEw::CCEGLVIEw()
{
initExtensions();
}

但背后真正发挥关键作用的是其父类CCEGLVIEwProtocol。

CCEGLVIEwProtocol::CCEGLVIEwProtocol()
: m_pDelegate(NulL)
,m_fScaleX(1.0f)
,m_fScaleY(1.0f)
,m_eResolutionPolicy(kResolutionUnKNown)
{
}

这里我们看到了三个重要的字段：m_fScaleX、m_fScaleY以及m_eResolutionPolicy，这三个字段对于后续屏 幕适配起到至关重要的作用。

nativeInit中的vIEw->SetFrameSize(w,h)用于设置的屏幕物理分辨率，如果你的手机是960×640分辨率的，那FrameSize就是960×640。

voID CCEGLVIEwProtocol::setFrameSize(float wIDth,
float height)
{
m_obDesignResolutionSize
= m_obScreenSize
= CCSizeMake(wIDth,height);
}
初始情况下，CCEGLVIEwProtocol将“设计分辨率”m_obDesignResolutionSize也设置为与 FrameSize or m_obScreenSize同等大小。

我们回到游戏逻辑层代码AppDelegate.cpp，我们知道游戏逻辑的入口在这里，最初的参数初始化是在为Director设置 GLVIEw实例时进行的：

bool AppDelegate::applicationDIDFinishLaunching() {
// initialize director
CCDirector* pDirector = CCDirector::sharedDirector();
CCEGLVIEw* pEGLVIEw = CCEGLVIEw::sharedOpenGLVIEw();

pDirector->setopenGLVIEw(pEGLVIEw);
CCSize frameSize = pEGLVIEw->getFrameSize();
… …
}

voID CCDirector::setopenGLVIEw(CCEGLVIEw *pobOpenGLVIEw)
{
m_pobOpenGLVIEw = pobOpenGLVIEw;

// set size
m_obWinSizeInPoints =
m_pobOpenGLVIEw->getDesignResolutionSize();
… …

if (m_pobOpenGLVIEw)
{
setGLDefaultValues();
}

CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
… …
}
}

由于尚未调用setDesignResolutionSize，因此m_obWinSizeInPoints的值与FrameSize大小相 同。

setGLDefaultValues最为关键，这是我们第一次遇到该函数，该方法用于初始化一些OpenGL的参数，建立好后续 OpenGL *** 作时所需要的各种数据结构。

voID CCDirector::setGLDefaultValues(voID)
{
… …
setAlphaBlending(true);
setDepthTest(false);
setProjection(m_eProjection);
// set other opengl default values
glClearcolor(0.0f,0.0f,1.0f);
}

glClearcolor(0.0f,1.0f);设置初始颜色为黑色，Alpha为1.0f，即完全不透明。setProjection是实际上绘制参数设置的核心。

voID CCDirector::setProjection(ccDirectorProjection kProjection)
{
CCSize size = m_obWinSizeInPoints;

setVIEwport();

switch (kProjection)
{
case kCCDirectorProjection3D:
{
float zeye = this->getZEye();

kmMat4 matrixPerspective,matrixLookup;

kmGLMatrixMode(KM_GL_PROJECTION);
kmGLLoadIDentity();

… …

// issue #1334
kmMat4PerspectiveProjection( &matrixPerspective,
60,
(GLfloat)size.wIDth/size.height,
0.1f,zeye*2);

kmGLMultMatrix(&matrixPerspective);

kmGLMatrixMode(KM_GL_MODELVIEW);
kmGLLoadIDentity();
kmVec3 eye,center,up;
kmVec3Fill( &eye,size.wIDth/2,
size.height/2,zeye );
kmVec3Fill( &center,0.0f );
kmVec3Fill( &up,1.0f,0.0f);
kmMat4LookAt(&matrixLookup,&eye,
&center,&up);
kmGLMultMatrix(&matrixLookup);
}
break;
… …
}

m_eProjection = kProjection;
ccSetProjectionMatrixDirty();
}

由于前面m_eProjection已经被赋值为kCCDirectorProjection3D，因此我们只分析 kCCDirectorProjection3D这个case分支。该函数大致进行设置的顺序是：设置视口变换（VIEwPort)、设置投影变换矩阵和 设置模型视图变换矩阵。我们分别来看：

* 设置视口(VIEwPort)

voID CCDirector::setVIEwport()
{
if (m_pobOpenGLVIEw)
{
m_pobOpenGLVIEw->setVIEwPortInPoints(0,
m_obWinSizeInPoints.wIDth,
m_obWinSizeInPoints.height);
}
}

voID CCEGLVIEwProtocol::setVIEwPortInPoints(float x,
float y,float w,float h)
{
glVIEwport((Glint)(x * m_fScaleX
+ m_obVIEwPortRect.origin.x),
(Glint)(y * m_fScaleY
+ m_obVIEwPortRect.origin.y),
(GLsizei)(w * m_fScaleX),
(GLsizei)(h * m_fScaleY));
}

这是我们遇到的第一个OpenGL概念：设置视口变换，关于视口变换究竟起到什么作用，后续会细说。

* 设置“投影变换”矩阵参数

kmMat4PerspectiveProjection( &matrixPerspective,60,0.1f,zeye*2);
kmGLMultMatrix(&matrixPerspective);

* 设置“模型视图变换”矩阵参数

kmVec3 eye,up;
kmVec3Fill( &eye,zeye );
kmVec3Fill( &center,0.0f );
kmVec3Fill( &up,0.0f);
kmMat4LookAt(&matrixLookup,&up);

至此，引擎的绘制参数初始化设置就OK了，在你调用setDesignResolutionSize之前，这些参数不会被改变。

二、kazmath

Cocos2d-x引擎最底层采用OpenGL ES 2.0进行图形绘制，这样要想搞清楚前面的问题缘由，对OpenGL那一套技术体系至少要有一些直观认识才行。在这之前，我们还要先了解一些 Cocos2d-x深度使用的kazmath库。根据《Cocos2d-x高级开发教程》书 中说: “因为在Cocos2d-x 2.0采用的OpenGL ES 2.0中，而那些OpenGL ES 1.0函数已经不可使用了。但OpenGL ES 2.0已经放弃了固定的渲染流水线，取而代之的是自定义的各种着色器，在这种情况下变换 *** 作通常需要由开发者来维护。所幸引擎也引入了一套第三方库 Kazmath，它使得我们几乎可以按照原来OpenGL ES 1.0所采用的方式进行开发”。

至此，我们大致知道了Kazmath库是用来辅助我们按照OpenGL ES 1.0的方式管理变换矩阵以及做变换 *** 作的，接下来我们一起来看看kazmath库的结构吧：

//cocos2d-x-2.2.2/cocos2dx/kazmath/src/GL/matrix.c

km_mat4_stack modelvIEw_matrix_stack;
km_mat4_stack projection_matrix_stack;
km_mat4_stack texture_matrix_stack;
km_mat4_stack* current_stack = NulL;
static unsigned char initialized = 0;

以上是Cocos2d-x整个引擎生命周期内会用到的与opengl变换矩阵相关的一些全局变量。

kazmath声明了三个变换矩阵的栈，modelvIEw_matrix_stack（模型视图矩阵栈）、 projection_matrix_stack（投影矩阵栈）以及texture_matrix_stack（纹理矩阵栈）。不过Cocos2d-x引 擎只用到了前两个变化矩阵栈。current_stack指向当前所使用的那个变换矩阵栈。

这些栈的初始化在lazyInitialize中：

voID lazyInitialize()
{

if (!initialized) {
kmMat4 IDentity; //Temporary IDentity matrix

//Initialize all 3 stacks
//modelvIEw_matrix_stack =
(km_mat4_stack*) malloc(sizeof(km_mat4_stack));
km_mat4_stack_initialize(&modelvIEw_matrix_stack);

//projection_matrix_stack =
(km_mat4_stack*) malloc(sizeof(km_mat4_stack));
km_mat4_stack_initialize(&projection_matrix_stack);

//texture_matrix_stack =
(km_mat4_stack*) malloc(sizeof(km_mat4_stack));
km_mat4_stack_initialize(&texture_matrix_stack);

current_stack = &modelvIEw_matrix_stack;
initialized = 1;

kmMat4IDentity(&IDentity);

//Make sure that each stack has the IDentity matrix
km_mat4_stack_push(&modelvIEw_matrix_stack,&IDentity);
km_mat4_stack_push(&projection_matrix_stack,&IDentity);
km_mat4_stack_push(&texture_matrix_stack,&IDentity);
}
}

kmMat4IDentify用于初始化“单位矩阵(Indentify Matrix)”，所谓"单位矩阵"，指的是对脚线上元素都为1的矩阵。从kmMat4IDentify的实现，我们也可以看出这一点：

kmMat4* const kmMat4IDentity(kmMat4* pOut)
{
memset(pOut->mat,sizeof(float) * 16);
pOut->mat[0] = pOut->mat[5]
= pOut->mat[10]
= pOut->mat[15] = 1.0f;
return pOut;
}

最后，lazyInitialize函数将单位矩阵分别圧入（km_mat4_stack_push）不同的matrix stack。

再回顾一下CCDirector::setProjection，该函数通过kazmath先后设置了 projection_matrix_stack和modelvIEw_matrix_stack的top元素。

kmGLMatrixMode(KM_GL_PROJECTION);
kmGLLoadIDentity();
kmMat4PerspectiveProjection( &matrixPerspective,zeye*2);
kmGLMultMatrix(&matrixPerspective);

kmGLMatrixMode(KM_GL_MODELVIEW);
kmGLLoadIDentity();
kmVec3 eye,&up);
kmGLMultMatrix(&matrixLookup);

三、精灵绘制

由《Hello，Cocos2d-x》一文我们知道，一旦引擎初始化完毕，就开始了每帧图像的绘制工作，Render Thread在一个“死循环”中反复调用CCDirector的drawScene方法 （CCdisplaylinkDirector::mainLoop中调用了drawScene）：

voID CCDirector::drawScene(voID)
{
… …
glClear(GL_color_BUFFER_BIT
| GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
… …
kmGLPushmatrix();

// draw the scene
if (m_pRunningScene)
{
m_pRunningScene->visit();
}
… …
kmGLPopMatrix();
… …
}

Cocos2d-x采用“渲染树”的方式进行绘制，即先从场景(Scene)的顶层根节点开始，深度优先的递归绘制Child Node。而整个绘制的顶层节点是CCScene。绘制从m_pRunningScene->visit()真正开始。visit是Scene、 Layer、Sprite的共同父类CCNode实现的方法：

voID CCNode::visit()
{
if (!m_bVisible)
{
return;
}
kmGLPushmatrix();
… …
this->transform();
… …

if(m_pChildren &&
m_pChildren->count() > 0)
{
sortAllChildren();
//draw children zOrder< 0
… ..
// self draw
this->draw();

//draw other children nodes
… …
} else {
this->draw();
}
… …
kmGLPopMatrix();
}

Visit大致做了这么几件事：
– 向当前OpenGL变换矩阵栈Push元素
– 用当前OpenGL变换矩阵栈栈顶元素的变换参数做节点变换
– 递归绘制zOrder < 0 的子节点
– 绘制自己
– 递归绘制其他子节点
– 从当前OpenGL变换矩阵栈Pop元素

如果你想知道为什么父节点缩放(Scale)、旋转(Rotate)、扭曲(Skew)后，子节点也会跟着父节点同样缩放(Scale)、旋 转(Rotate)、扭曲？其原理就在这里的transform方法中：

voID CCNode::transform()
{
kmMat4 transfrom4x4;

// Convert 3×3 into 4×4 matrix
CCAffinetransform tmpAffine
= this->nodetoParenttransform();
CGAffinetoGL(&tmpAffine,
transfrom4x4.mat);

// Update Z vertex manually
transfrom4x4.mat[14] = m_fVertexZ;

kmGLMultMatrix( &transfrom4x4 );
… …
}

在进入tranform以前，Cocos2d-x做了啥？对了，kmGLPushmatrix()：

voID kmGLPushmatrix(voID)
{
kmMat4 top;

lazyInitialize();

//Duplicate the top of the stack (i.e the current matrix)
kmMat4Assign(&top,current_stack->top);
km_mat4_stack_push(current_stack,&top);
}

在引擎初始化后，我们的current_stack是模型视图矩阵栈modelvIEw_matrix_stack。所有设置的初始参数都保 存在该栈的栈顶元素中。在每次Node绘制前，Node都会创建自己的变换矩阵，但这个矩阵不是凭空创造的，从kmGLPushmatrix 可以看出，在当前Node将新创建的矩阵元素圧栈前，它复制了原栈顶元素，也就携带有父节点所有的初始变换信息，也就是说在 km_mat4_stack_push后，栈顶放置的元素其实是原栈顶元素的复制品，而后续所有 *** 作都是基于这个复制品的。这样一来，如果父 节点做了缩放或旋转或扭曲，那这些信息都会作为初始信息作为子节点变换的基础，后续子节点自身的变换参数也都是在这个基础上做出的，最终的矩 阵是transform方法中的kmGLMultMatrix后得出的。真正的矩阵变换计算都在nodetoParenttransform 中，不过要想看懂这个函数，需要对OpenGL有更深入的了解才行，这里略过^_^。

真正绘制Node的方法是CCNode::draw的overrIDe方法。CCNode::draw是一个空函数，各个子类 overrIDe该方法进行各自的绘制。以CCSprite::draw为例：

voID CCSprite::draw(voID)
{
CC_NODE_DRAW_SETUP();

ccGLBlendFunc( m_sBlendFunc.src,m_sBlendFunc.dst );

ccGLBindTexture2D( m_pobTexture->getname() );
ccGLEnabLevertexAttribs( kCCVertexAttribFlag_PoscolorTex );

#define kQuadSize sizeof(m_squad.bl)
long offset = (long)&m_squad;

// vertex
int diff = offsetof( ccV3F_C4B_T2F,vertices);
glVertexAttribPointer(kCCVertexAttrib_position,3,
GL_float,GL_FALSE,kQuadSize,(voID*) (offset + diff));

// texCoods
diff = offsetof( ccV3F_C4B_T2F,texCoords);
glVertexAttribPointer(kCCVertexAttrib_TexCoords,2,
GL_float,(voID*)(offset + diff));

// color
diff = offsetof( ccV3F_C4B_T2F,colors);
glVertexAttribPointer(kCCVertexAttrib_color,4,
GL_UNSIGNED_BYTE,GL_TRUE,
kQuadSize,(voID*)(offset + diff));

glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP,4);
… …
}

这里的draw是一个典型的OpenGL绘制工序。CC_NODE_DRAW_SETUP()将之前的经过若干准备而得到的最终各类变换矩阵 整合并传给OpenGL：

/** @def CC_NODE_DRAW_SETUP
Helpful macro that setups the GL server state,
the correct GL program and sets the Model VIEw
Projection matrix
@since v2.0
*/
#define CC_NODE_DRAW_SETUP() \
do { \
ccGLEnable(m_eGLServerState); \
CCAssert(getShaderProgram(),"No shader program set for this node"); \
{ \
getShaderProgram()->use(); \
getShaderProgram()->setUniformsForBuiltins(); \
} \
} while(0)

voID CCGLProgram::setUniformsForBuiltins()
{
kmMat4 matrixP;
kmMat4 matrixMV;
kmMat4 matrixMVP;

kmGLGetMatrix(KM_GL_PROJECTION,&matrixP);
kmGLGetMatrix(KM_GL_MODELVIEW,&matrixMV);

kmMat4Multiply(&matrixMVP,&matrixP,&matrixMV);

setUniformlocationWithmatrix4fv(m_uUniforms[kCCUniformPMatrix],
matrixP.mat,1);
setUniformlocationWithmatrix4fv(m_uUniforms[kCCUniformMVMatrix],
matrixMV.mat,1);
setUniformlocationWithmatrix4fv(m_uUniforms[kCCUniformMVPMatrix],
matrixMVP.mat,1);
… …
}

经过计算顶点、绑定纹理等步骤后，最终由glDrawArrays完成Node绘制。

四、m_fScaleX和m_fScaleY都是1.0，背景精灵为何被放大？

根据上面的分析，我们了解到“子节点将跟随父节点的缩放而缩放”。据此，我们来分析一下前面提到的屏幕适配例子中的第三种情况，即屏幕大小为 960×640，按照Cocos2d-x屏幕适配指南Wiki中的做法，调用 pEGLVIEw->setDesignResolutionSize(480,320)。在该情况中，我们得到的结果是480×320大小的背景图片充满了大小为960×640的屏幕窗口，这给我们的直观印象就是背景图片被放大了一 倍。下面我们就尝试用上面的分析来解释一下这个现象。

在这个例子中，渲染树结构如下：
CCScene
– cclayer
– CCSprite – 背景图精灵

按照之前的理论，背景图精灵自身或父类应该有缩放的设置，比如m_fScaleX = 2.0之类的设置，于是我在代码中输出了Scene、Layer以及Sprite的m_fScaleX和m_fScaleY值。但出乎预料的是，这些 Node子类的两个轴向缩放值都保持了默认值，即1.0f。在代码里翻了半天，也的确没有找到改写Scene、Layer或Sprite Scale的地方。又一想：代码中调用了setDesignResolutionSize，这样CCEGLVIEw的m_fScaleX = m_fScaleY = 2.0f，难道是CCEGLVIEw的m_fScale传递给了CCScene等Node子类，但事实总是残酷的，代表这一联系的代码也始终未被我所找 到，看来继续纠结m_fScale的值设置是无法搞清楚真正原因，应该换换思路了。这里背景图的放大不应该是Node scale值设置的问题，也就是说关键环节不应该在绘制流程，而是在之前的OpenGL变换矩阵参数设置，看来不再深入学习点OpenGL知识，这个问题 就很难搞定了，于是开始翻看《OpenGL编程指南7th》（号称OpenGL红宝书）和《OpenGL超级宝典》（号称OpenGL蓝宝 书）。虽然我的阅读是粗粒度的，但还是收获到了一些答案。

五、OpenGL基础

OpenGL是帮助我们将三维世界的物体转换到二维屏幕上的一组接口。在新技术尚未出现之前，我们的屏幕永远是二维的，即便是现在的3D电影 也是双眼视角二维图像叠加的结果。我们知道“将大象装进冰箱总共分三 步”，将一个三维模型转换到二维屏幕上，OpenGL也规定了相对流水线般的步骤。

OpenGL三维图形的显示流程

三维图形显示流程中，涉及到OpenGL的一个重要 *** 作，那就是“变换(transformation)”，主要的变换包括模型视图变换 （model-vIEw transformation）、投影变换(projection transformation)以及视口变换(VIEwPort transformation)。我们经常用相机模拟来对比OpenGL解决这一问题的过程以及相关概念。

回顾一下我们自己用相机拍照的步骤吧。

第零步，选景。景就是所谓的三维模型或三维物体，或简称模型(Model)，就是我们要显示到屏幕上的物体；
第一步，确定相机位置。让相机以一定的距离、高度、角度对准模型。在这里，相机的位置变换，对应OpenGL的“视图变换或叫视点变换 (VIEw transformation)”。在这一步里（对应上面图中的第二步），我们还可以调整三维物体的相对位置、角度与相机的距离，这就是模型变换 （Modeling transformation），两种变换达成的效果是相同的，因此总称模型视图变换(Model-VIEw transformation)。
第二步，选镜头，并调焦。确定图像投影在胶片上的范围以及景深等。这一步叫投影变换（Projection transformation）。
第三步，冲洗照片。拍摄好的图像放在底片上，但我们需要选择冲洗后最终是放在6寸相纸还是20寸相纸上，显然在不同大小相纸上，图像的显示效 果不同（比如大小）。这个过程叫视口变换（VIEwport transformation）。

三维空间的物体都是用三维坐标描述的，谈到坐标就离不开坐标系，OpenGL中的坐标系就有多种，我们最常用的就是世界坐标系。

世界坐标系是以屏幕中心为原点(0,0)，你面对屏幕，你的右边是x正轴，上面是y正轴，屏幕指向你的为z正轴。无论如何变换，世界坐标系都不动。我们在Cocos2d-x中设置 初始参数时，参数的单位多为世界坐标系中的单位。

视点变换时会涉及到视点坐标系，但这个变换由opengl接口来负责，我们不用过多关心。

绘图坐标系（局部坐标系），当前绘图坐标系是绘制物体时的坐标系。程序刚初始化时，世界坐标系和当前绘图坐标系是重合的，当用 glTranslatef()等变换函数做移动和旋转时，都是改变的当前绘图坐标系，改变的位置都是当前绘图坐标系相对自己的x,y,z轴所做的 改变，改变以后，再绘图时，都是在当前绘图坐标系进行绘图，所有的函数参数也都是相对当前绘图坐标系来讲的。

屏幕坐标系，即终端屏幕上的坐标系，与世界坐标系有不同，它以屏幕左上角的点为原点，向右是x正轴，向下是y正轴，屏幕指向你的为z正轴。

注意视口(VIEwport)的设置是以实际屏幕坐标定义了窗口中的区域，长度宽度都是以实际像素为单位。当然引擎在精灵绘图时用 的是绘图坐标系，我们理解原点在左下角即可。

六、Cocos2d-x各种变换矩阵的初始参数设置

前面说过，Cocos2d-x在CCDirector::setProjection中完成了对变换矩阵的初始参数设置，我们逐一来看看这些设置对模型映射后的二维图像有何影响，这也是理解篇头几个问题的关键环节。

* 投影变换

前面提到过，投影变换相当于调节相机镜头。OpenGL中提供了两种投影方式，一种是正射投影，另一种是透视投影。Cocos2d-x使用的是透视投影 （Perspective Projection)。透视投影是实际人们观察事物的真实反馈，即离视点近的物体大，离视点远的物体小，远到极点即为消失，成为灭点。Cocos2d- x使用的是kmMat4PerspectiveProjection，对应OpenGL中的gluPerspective，该方法创建一个对称透视视景体 (VIEw Volumn)，见下图：

gluPerspective的函数原型如下：voID gluPerspective(GLdouble fovy,GLdouble aspect,GLdouble zNear,GLdouble zFar);

参数fovy定义视野在X-Z平面的角度，范围是[0.0,180.0]，也就是上图中的“视角”；
参数aspect是投影平面宽度与高度的比率；
参数zNear和Far分别是近远裁剪面沿Z负轴到视点的距离，它们总为正值。

Cocos2d-x中是这么设置投影变换矩阵的：

float zeye = this->getZEye();
kmMat4PerspectiveProjection( &matrixPerspective,(GLfloat)size.wIDth/size.height,zeye*2);

float CCDirector::getZEye(voID)
{
return (m_obWinSizeInPoints.height / 1.1566f);
}

从参数上来看，
视角 = 60度
宽高比 = 设计分辨率的宽高比，
近平面 = 距离视点0.1f，几乎与视点重合
远平面 = 距离视点zeye * 2距离。
视点位置 = 设计分辨率.height / 1.1566f

投影是用来对模型进行截取的，只有在投影变换所建立的平头截体（Frustum，投影的近、远两个截面以及其他四个面构成的立体体）内的模型部分才会被最终映射和显示。我们用下面的图来直观了解一下各个参数在三维空间的概念吧。

显然引擎如此设置投影矩阵的参数是有考虑的：
首先就是投影平头截体的宽高比 = 设计分辨率的宽高比，这样设置使得一切符合设计分辨率宽高比的模型都可以被理想截取。
其次，视角60度，zEye的在Z轴正方向距离世界原点的距离 = (m_obWinSizeInPoints.height / 1.1566f),这里的1.1566f是怎么来的呢？我们沿着X轴负方向向zy平面投影，得到下图：

看这个图，让我想起了初中几何，通过60度的视角，我们可以推断由eye、XZ截断上平面与Y轴的交点、XZ截断下平面与Y轴的交点组成一个等边三角形， 现在我们已知在Zy平面投影中视点与原点的距离为m_obWinSizeInPoints.height / 1.1566f,我们还知道夹角是60度，我们求一下投影在(z=0，XY平面)的截面高度h。

cos30 = (m_obWinSizeInPoints.height / 1.1566f)/ h
h = (m_obWinSizeInPoints.height / 1.1566f)/cos30 = m_obWinSizeInPoints.height;

我们计算出来的结果是 h = m_obWinSizeInPoints.height = 设计分辨率中的高度分量。这意味这什么呢？Cocos2d-x是2D游戏渲染引擎，针对该引擎的模型的z坐标都是0，因此模型实际上就在xy平面内，也就 是说eye与原点的距离恰好就是eye与模型的距离，而模型可显示区域的最大高度也就是h，即m_obWinSizeInPoints.height。这 个结论会在后续问题分析时发挥作用。

注意虽然这里知道eye在Z轴正方向距离世界原点的距离，但eye的(x,y)坐标在投影设置后依旧无法确认，我们需要在设置模型视图变换时得到eye的(x,y)坐标。

* 视图变换

kmGLMatrixMode(KM_GL_MODELVIEW);
kmGLLoadIDentity();
kmVec3 eye,size.height/2,0.0f);
kmMat4LookAt(&matrixLookup,&center,&up);
kmGLMultMatrix(&matrixLookup);

OpenGL原生的视图变换参数设置方法是gluLookAt，在kazmath中对应的方法为kmMat4LookAt。gluLookAt的函数原型是：

voID gluLookAt(GLdouble eyex,GLdouble exey,GLdouble eyez,
GLdouble centrex,GLdouble centrey,GLdouble centrez,
GLdouble upx,GLdouble upy,GLdouble upz);

eye的坐标(eyex,eyey,eyez),Cocos2d-x中是这么设置的kmVec3Fill( &eye,zeye )。可以看出eye在xy平面的投影恰好是以屏幕分辨率构成的矩形的中心。

centre坐标，表示的是视线方向，该方向矢量是由eye坐标、centre坐标共同构成的，由eye指向center。Cocos2d-x的设置 kmVec3Fill( &center,0.0f )。x,y坐标与eye的相同，因此视线平行于Z轴。

最后的up参数可以理解为头顶方向，这里设置为Y轴方向。

可以看出，eye就在投影区的中心，由于投影区的高度为size.height(投影变换时分析得到的)，这样根据投影矩阵设置的宽高比，得出该投影区的宽度也恰为size.wIDth。

七、再分析

有了以上关于Cocos2d-x引擎的了解，我们再回过头来用OpenGL的变换原理对篇头的三种情况做分析。

1) 屏幕大小480×320，未做任何屏幕适配工作，不调用pEGLVIEw->setDesignResolutionSize。结果：背景图充满窗口。

在这种情况下，各个OpenGL变换矩阵参数值如下：
eye视点坐标(240,160,320/1.1566f);
投影变换矩阵在xy平面的截面区域恰好是480×320；
背景图锚点位置(240,0)；

在这种情况下，截面区域恰与背景图重合，显示在屏幕上后，背景图恰充满窗口，见下图：

2) 屏幕大小960×640，未做任何屏幕适配工作，不调用pEGLVIEw->setDesignResolutionSize。结果：背景图未充满窗口，四周有较大黑边。

在这种情况下，各个OpenGL变换矩阵参数值如下：
eye视点坐标(480,320,480/1.1566f);
投影变换矩阵在xy平面的截面区域是960×640；
而背景图锚点位置(480,0)；

因此背景图(480×320)未能完整充满截面区域(960×640)，背景图周围将有较大黑边，见下图：

3) 屏幕大小同为960×640，按照上面Cocos2d-x屏幕适配指南Wiki中的做法，调用pEGLVIEw->setDesignResolutionSize(480,320)。结果：背景图放大为原来2倍，充满屏幕窗口。

在这种情况下，各个OpenGL变换矩阵参数值如下：
eye视点坐标(240,320/1.1566f);
投影变换矩阵在xy平面的截面区域是480×320；
而背景图锚点位置(240,0)；

在这种情况下，截面区域恰与背景图重合。但这里需要注意的是现在屏幕是960×640，而截面区域仅仅是480×320，为何映射后，背景图充满屏幕了呢？这里就不能不提到视口的作用了。

前面说过视口相当于相片，现在我们拍摄出的图片是480×320的，但我们选择的底片VIEwport却是960×640的，怎么办，在视口转换 时，OpenGL自动将480×320的图片映射到960×640的底片上，相当于对图像进行的放大。而960×640的视口恰好与屏幕窗口大小一致且坐 标重叠，于是我们就在屏幕上看到了一个铺满屏幕的背景图，见下图：

4) 我们再来说两个有关视口的例子

以第三种情况为基础，我们修改一下引擎代码，看看视口的作用。

我们手工将CCDirector::setVIEwport()中的：
m_pobOpenGLVIEw->setVIEwPortInPoints(0,m_obWinSizeInPoints.wIDth,m_obWinSizeInPoints.height);
改为：
m_pobOpenGLVIEw->setVIEwPortInPoints(0,m_obWinSizeInPoints.wIDth/2,m_obWinSizeInPoints.height/2);

这样修改后，VIEwport从point(0,0),rect (960×640)变成了point(0,rect (480×320)。也就是说用照相机拍出的景物大小是480×320，底片也是480×320，但屏幕是960×640，我们可以将屏幕理解为相框，把 一张480×320的照片，放到960×640大小的相框里，相片只能占据相框的四分之一。这个例子的最终屏幕显示结果见下图：

前面的例子中背景图片size均小于屏幕大小，我们再来举一个资源图片大于屏幕大小的例子，看看经过一系列变换会得到什么样的结果。

首先将CCDirector::setVIEwport()中的代码恢复原先状态。然后我们准备一张1024×768(>屏幕的960×640)的 背景图片"HelloWorld-1024×768.jpg"，修改HelloWorldScene.cpp，将：
CCSprite* pSprite = CCSprite::create("HelloWorld.png");
修改为：
CCSprite* pSprite = CCSprite::create("HelloWorld-1024×768.png");

注释掉AppDelegate.cpp中的pEGLVIEw->setDesignResolutionSize调用，这样更直观。

这样修改后，各参数如下：
eye视点坐标(480,640/1.1566f);
投影变换矩阵在xy平面的截面区域是960×640；
而背景图锚点位置(480,0)；
VIEwport point(0,rect (960×640)

由于背景资源图片太大(1024×768)，大于我们的投影截面区域960×640，因此模型真正能显示的部分仅仅是投影截面区域中的那960×640范围内的图片。于是显示结果如下：

矩阵变换过程如下：

投影截面区域与视口区域重叠，这里就不再赘述了。

八、CCDirector::m_fContentScaleFactor

决定图像在屏幕上的最终显示结果的因素还有一个，那就是CCDirector::m_fContentScaleFactor。在最初的HelloCpp例子中，我们能看到这样的代码：

if (frameSize.height > mediumResource.size.height)
{
searchPath.push_back(largeResource.directory);
pDirector->setContentScaleFactor(
MIN(largeResource.size.height/designResolutionSize.height,
largeResource.size.wIDth/designResolutionSize.wIDth));
}
… …

可以看出这个contentScaleFactor存储的是资源分辨率与设计分辨率的比值。我们还是用例子来看看该元素对显示的影响。我们在第一种情况的基础上验证。

第一种情况：屏幕480×320，未调用setDesignResolutionSize，资源大小480×320。结果：图片充满屏幕。

现在我们增加并使用一个新资源：HelloWorld-960×640.png，这个图片大小960×640，是屏幕大小的二倍，根据上面的分析，我们很容易猜测到最终结果是：只有图片中央区域(480×320)可以显示出来，其余部分被投影矩阵截掉。

现在我们使用setContentScaleFactor，在AppDelegate.cpp中做如下调用：

pDirector->setContentScaleFactor(MIN(960/480,640/320));

这样我们得到的m_fContentScaleFactor = 2。而我们编译运行后得到的结果是：图片铺满整个屏幕。为什么会这样呢？

我们在代码中搜索contentScaleFactor，我们找到一些宏和调用：

#define CC_CONTENT_SCALE_FACTOR() CCDirector::sharedDirector()->getContentScaleFactor()

CCSize CCTexture2D::getContentSize()
{

CCSize ret;
ret.wIDth =m_tContentSize.wIDth / CC_CONTENT_SCALE_FACTOR();
ret.height =m_tContentSize.height / CC_CONTENT_SCALE_FACTOR();

return ret;
}

#define CC_RECT_PIXELS_TO_POINTS(__rect_in_pixels__) \
CCRectMake( (__rect_in_pixels__).origin.x / CC_CONTENT_SCALE_FACTOR(),(__rect_in_pixels__).origin.y / CC_CONTENT_SCALE_FACTOR(),\
(__rect_in_pixels__).size.wIDth / CC_CONTENT_SCALE_FACTOR(),(__rect_in_pixels__).size.height / CC_CONTENT_SCALE_FACTOR() )
… …

bool CCSprite::initWithTexture(CCTexture2D *pTexture)
{
CCAssert(pTexture != NulL,"InvalID texture for sprite");

CCRect rect = CCRectZero;
rect.size = pTexture->getContentSize();

return initWithTexture(pTexture,rect);
}

这些代码都在告诉我们，如果m_fContentScaleFactor = 2，那代码会对Sprite的纹理进行缩放，让上面得到的数据是经过contentScaleFactor变换的，我们可以认为我们所用的实际资源大小是 原资源的1/m_fContentScaleFactor即可。

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