Android 3D教程怎么学？从哪开始入门？-杰瑞科技汇

我们将主要使用 Google 推荐的 OpenGL ES (Open Graphics Library for Embedded Systems) API，并重点介绍现代、高效的 Vulkan API，也会提及一些更高级的框架，如 Unity 和 Android Studio 内置的 Sceneform。

（图片来源网络，侵删）

第一步：准备工作与环境搭建
核心概念：3D 图形流水线
技术路线选择：OpenGL ES vs. Vulkan
深入 OpenGL ES
- 1. 创建一个 OpenGL ES 项目
- 2. 绘制你的第一个三角形：渲染管线详解
- 3. 添加颜色与纹理
- 4. 实现 3D 效果：模型视图投影矩阵
- 5. 添加光照
- 6. 加载 3D 模型
探索 Vulkan
更高级的选择：Sceneform
专业级选择：Unity
推荐学习资源
总结与学习路径

第一步：准备工作与环境搭建

在开始之前,请确保你的开发环境已经就绪。

Android Studio: 最新版本的 Android Studio。
Android SDK: 安装最新的 SDK 和 SDK Build-Tools。
NDK (Native Development Kit): 如果你打算用 C/C++ 编写 OpenGL/Vulkan 代码，需要安装 NDK，这通常是最现代和推荐的方式。
模拟器或真机: 强烈建议使用支持 OpenGL ES 3.0 或更高版本的真机进行开发，性能和兼容性更好。

项目创建: 在 Android Studio 中创建一个新项目时，选择 "Native C++" 模板，这会自动为你设置好 CMake 和 JNI 的环境，让你可以轻松地在 Java/Kotlin 和 C/C++ 代码之间进行交互。

核心概念：3D 图形流水线

在写代码之前,理解 3D 图形是如何在屏幕上显示出来的至关重要，这被称为 图形渲染管线，它是一个将 3D 模型数据最终转换为 2D 像素图像的固定流程。

主要阶段如下：

顶点数据: 你的 3D 模型由无数个顶点组成，每个顶点包含位置、颜色、纹理坐标等信息。
顶点着色器: 对每个顶点进行变换，将模型的局部坐标转换到世界坐标、视图坐标，最后是投影坐标（也就是我们常说的 MVP 矩阵变换）。
图元装配: 将顶点组装成指定的图元，如点、线或三角形。
光栅化: 确定哪些屏幕像素（片段）被图元覆盖，并计算出这些片段的坐标和插值后的属性（如颜色、纹理坐标）。
片段着色器: 对每个片段进行处理，决定其最终的颜色，这是实现光照、纹理贴图等效果的核心。
测试与混合: 进行深度测试（确保远处的物体不会挡住近处的）、模板测试，以及将片段颜色与屏幕上已有颜色进行混合（实现半透明效果等）。
帧缓冲: 最终处理好的像素被写入到帧缓冲中，然后显示在屏幕上。

关键工具:

GLSL (OpenGL Shading Language): 用于编写顶点着色器和片段着色器的语言，你将在 C++ 代码中以字符串的形式嵌入它们。

技术路线选择：OpenGL ES vs. Vulkan

对于初学者,选择合适的 API 非常重要。

特性	OpenGL ES (ES 3.0+)	Vulkan
易用性	高，API 设计直观，封装了底层的复杂性，学习曲线较平缓。	低，API 非常底层和繁琐，需要开发者手动管理大量资源（如内存、命令缓冲区），学习曲线陡峭。
性能	良好，由驱动程序优化，但有一定开销。	极高，CPU 开销极低，并行度极高，能充分发挥硬件性能，适合移动高端设备和 PC 游戏。
控制力	较低，许多细节由驱动程序处理。	极高，开发者对渲染管线有完全的控制权。
适用场景	初学者、大多数 App、UI、中等复杂度的 3D 效果。	专业游戏、高性能计算、需要极致优化的 3D 应用。

建议:

如果你是初学者：从 OpenGL ES 3.0 开始，它能让你快速理解核心概念，并看到成果，建立信心。
如果你是经验丰富的开发者，追求极致性能：直接学习 Vulkan，虽然痛苦，但回报是巨大的性能提升。

深入 OpenGL ES

我们将通过一个 C++ 项目来演示。

1. 创建一个 OpenGL ES 项目

如前所述,使用 "Native C++" 模板创建项目，你会看到几个关键文件：

app/src/main/cpp/native-lib.cpp: C++ 代码的入口。
app/src/main/cpp/CMakeLists.txt: 用于编译 C++ 代码的脚本。
app/src/main/java/com/yourpackage/MainActivity.java: Java/Kotlin 主活动，用于加载 C++ 库和设置 GLSurfaceView。

GLSurfaceView 是一个专门用于渲染 OpenGL 内容的 SurfaceView。

2. 绘制你的第一个三角形

这是 "Hello, World!" 的 3D 版本。

步骤 1: 设置 GLSurfaceView 在 MainActivity 中，你需要设置一个 GLSurfaceView.Renderer。Renderer 是一个接口，它定义了 OpenGL 绘制的三个关键生命周期方法：

onSurfaceCreated(): 当 Surface 创建时调用，通常在这里初始化 OpenGL 环境和加载着色器。
onSurfaceChanged(int width, int height): 当 Surface 大小改变时调用，通常在这里设置视口和投影矩阵。
onDrawFrame(): 每一帧都会调用，这是执行渲染指令的地方。

// In MainActivity.java
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_main);
    GLSurfaceView glView = findViewById(R.id.glview);
    glView.setEGLContextClientVersion(3); // 使用 OpenGL ES 3.0
    glView.setRenderer(new MyGLRenderer()); // 设置你的 Renderer
    glView.setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY); // 当数据变化时才渲染
}

步骤 2: 编写着色器 在 native-lib.cpp 中，我们将定义 GLSL 代码字符串。

顶点着色器 (simple_vertex_shader.glsl):

attribute vec4 vPosition; // 顶点位置属性
void main() {
    gl_Position = vPosition; // 直接将顶点位置设置为裁剪空间坐标
}

片段着色器 (simple_fragment_shader.glsl):

precision mediump float; // 设置浮点数精度
void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 所有片段都输出红色
}

步骤 3: 加载着色器并编译链接 你需要 C++ 函数来加载这些字符串，并编译、链接它们成一个可执行的着色器程序，这涉及到 glCreateShader, glShaderSource, glCompileShader, glCreateProgram, glAttachShader, glLinkProgram 等调用。

步骤 4: 定义顶点数据 定义一个三角形的顶点坐标数组，这些坐标是在一个标准的立方体空间（-1.0 到 1.0）中定义的，称为裁剪空间。

// 定义一个三角形的顶点坐标
static const GLfloat triangleVertices[] = {
     0.0f,  0.5f, 0.0f, // 顶点1
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 顶点2
     0.5f, -0.5f, 0.0f  // 顶点3
};

步骤 5: 在 onDrawFrame 中绘制

void MyGLRenderer::onDrawFrame(GL10 unused) {
    // 清除颜色缓冲区，为下一帧做准备
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    // 使用着色器程序
    glUseProgram(mProgram);
    // 绑定顶点数据
    // 1. 启用顶点属性数组
    glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
    // 2. 将顶点数据指针传递给着色器
    glVertexAttribPointer(mPositionHandle, 3, GL_FLOAT, false, 0, triangleVertices);
    // 绘制三角形
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3); // 从第0个顶点开始，绘制3个顶点
    // 禁用顶点属性数组
    glDisableVertexAttribArray(mPositionHandle);
}

现在运行你的 App，你应该能在屏幕中央看到一个红色的三角形！

3. 添加颜色与纹理

颜色: 修改顶点数据，为每个顶点添加一个颜色属性，然后在顶点着色器中将颜色传递给片段着色器，片段着色器接收插值后的颜色并输出。
纹理:
1. 加载图片: 在 Java/Kotlin 中使用 BitmapFactory 加载一张图片。
2. 生成纹理: 在 C++ 中调用 glGenTextures 创建一个纹理对象。
3. 绑定并上传数据: 调用 glBindTexture，glTexImage2D 将图片数据上传到 GPU。
4. 修改着色器: 顶点着色器需要传递纹理坐标，片段着色器使用 sampler2D 和 texture2D() 函数来采样纹理颜色。

4. 实现 3D 效果：模型视图投影矩阵

目前我们画的是 2D 三角形，要让它看起来是 3D 的，需要使用矩阵变换。

模型矩阵: 将模型从自己的局部空间移动到世界空间（如旋转、平移、缩放）。
视图矩阵: 将世界中的所有物体移动到相机（观察者）的视角下，通常将相机放在原点，并看向 Z 轴负方向。
投影矩阵: 将 3D 坐影转换到 2D 屏幕坐标，有透视投影（近大远小）和正交投影。

这三个矩阵相乘 (Projection * View * Model) 得到最终的 MVP 矩阵。

在 C++ 中，你可以使用 GLM (OpenGL Mathematics) 库来方便地进行矩阵运算。

流程:

在 C++ 中创建一个 glm::mat4 类型的 MVP 矩阵。
使用 GLM 函数填充这个矩阵。
在顶点着色器中,定义一个 uniform mat4 uMVPMatrix; 变量。
在 C++ 中获取 uMVPMatrix 的位置 (glGetUniformLocation)。
在 onDrawFrame 中，使用 glUniformMatrix4fv 将计算好的 MVP 矩阵传递给着色器。
在顶点着色器中,将 gl_Position 修改为 gl_Position = uMVPMatrix * vPosition;。

通过修改模型矩阵,你就可以让三角形旋转起来！

5. 添加光照

要实现逼真的 3D 效果，光照是必不可少的，最简单的是冯氏光照，它包含三个分量：

环境光: 环境的基础亮度。
漫反射光: 来自特定方向的漫反射，取决于表面法线和光照方向的夹角。
镜面高光: 来自特定方向的镜面反射，取决于视线方向和反射方向的夹角。

这需要在片段着色器中进行计算，你需要为着色器提供：

光源位置
物体表面颜色（或纹理）
物体表面法线（每个顶点一个）
观察者（相机）位置

计算会变得复杂一些,但效果非常棒。

6. 加载 3D 模型

手动定义顶点数据只适合简单的几何体,加载复杂的 3D 模型（如 .obj 文件）是常见需求。

解析模型文件: 你需要一个解析器（如 tinyobjloader）来读取 .obj 文件，提取顶点位置、法线、纹理坐标和面信息（索引）。
使用索引缓冲区: 为了避免重复的顶点数据，模型文件通常使用索引，你需要创建一个顶点缓冲对象 和一个索引缓冲对象。
渲染: 使用 glDrawElements 代替 glDrawArrays，并传递索引缓冲区。

探索 Vulkan

如果你已经掌握了 OpenGL ES 并且对底层性能有追求，那么可以开始学习 Vulkan。

学习 Vulkan 的挑战在于它需要你做 OpenGL 驱动程序为你做的大部分事情：

实例和设备: 显式创建 Vulkan 实例和逻辑设备。
交换链: 管理前后缓冲区，防止画面撕裂。
命令缓冲区: 你需要自己录制一系列绘制命令，然后提交给 GPU 执行。
内存管理: 你需要显式地为每个资源（缓冲区、图像）分配内存，并指定其类型（如设备本地、主机可见等）。

好处是,一旦你掌握了这些繁琐的设置，你就能获得极高的性能和更可预测的帧率，Vulkan 是 3D 图形的未来，尤其是在移动平台上。

更高级的选择：Sceneform

如果你不想陷入底层的 OpenGL/Vulkan 细节，只想快速地在 AR 或普通 App 中添加 3D 内容，Sceneform 是一个绝佳的选择。

是什么: Sceneform 是一个由 Google 提供的高层 3D 框架，专门为 Android 设计，它使用 Vulkan 作为后端，但为你提供了简洁的 Java/Kotlin API。
优点:
- 纯 Java/Kotlin: 无需编写 C++。
- 基于物理的渲染: 轻松实现逼真的光照和材质。
- 易于使用: API 设计直观，几行代码就能加载和显示一个 3D 模型。
- 内置 AR 支持: 与 ARCore 无缝集成。
缺点:
- 灵活性较低: 不像 OpenGL/Vulkan 那样可以完全控制渲染管线。
- 社区较小: 相比 OpenGL，学习资源和社区支持较少。

适合人群: Android 应用开发者，希望快速集成 3D 内容，而不是成为图形专家。

专业级选择：Unity

如果你的目标是开发一个完整的 3D 游戏或复杂的 3D 应用，而不是在 App 中嵌入一些 3D 效果，Unity 是行业标准。

是什么: 一个完整的游戏引擎，它内置了强大的渲染器、物理引擎、动画系统、音频系统等。
工作流程:
1. 在 Unity 编辑器中进行可视化场景搭建、材质编辑、动画制作。
2. 使用 C# 编写游戏逻辑。
3. Unity 负责将你的所有内容打包成一个 Android App。
优点:
- 极高效率: 无需处理底层图形 API，专注于创意和玩法。
- 庞大的生态系统: 资源商店、教程社区、工具链极其成熟。
- 跨平台: 一套代码可以发布到 Android, iOS, Windows, macOS, Console 等。
缺点:
- 引擎体积大: 最终的 App 包体积会比较大。
- 非原生: 对 Android 平台特性的直接控制不如原生开发灵活。

总结与学习路径

初学者/应用开发者:
- 目标: 在 App 中添加漂亮的 3D 效果或 AR 功能。
- 路径: Sceneform -> 如果需要更多控制，再学习 OpenGL ES 3.0，直接跳过 Vulkan。
游戏开发者/图形工程师:
- 目标: 开发高性能的 3D 游戏或应用。
- 路径: Unity (快速上手和开发) -> OpenGL ES 3.0 (理解底层原理) -> Vulkan (追求极致性能和平台控制)。

学习 3D 图形是一个循序渐进的过程，从简单的三角形开始，逐步添加颜色、纹理、光照和变换，不要害怕遇到问题，查阅官方文档和优秀的开源项目是解决问题的关键，祝你学习愉快！

Android 3D教程怎么学？从哪开始入门？

目录

第一步：准备工作与环境搭建

核心概念：3D 图形流水线

技术路线选择：OpenGL ES vs. Vulkan

深入 OpenGL ES

1. 创建一个 OpenGL ES 项目

2. 绘制你的第一个三角形

3. 添加颜色与纹理

4. 实现 3D 效果：模型视图投影矩阵

5. 添加光照

6. 加载 3D 模型

探索 Vulkan

更高级的选择：Sceneform

专业级选择：Unity

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核心概念：3D 图形流水线

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2. 绘制你的第一个三角形

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