作者：lyman來源：http://www.lymanli.com/2020/01/04/ios-opengles-paint/
今天我們使用 OpenGL ES 來實現一個繪畫板，主要介紹在 OpenGL ES 中繪製平滑曲線的實現方案。
首先看一下最終效果：
在 iOS 中，有很多種方式可以實現一個繪畫板，比如我的另外一個項目 MFPaintView 就是基於 CoreGraphics 實現的。
然而，使用 OpenGL ES 來實現可以獲得更多的靈活性，比如我們可以自定義筆觸的形狀，這是其他實現方式做不到的。
我們知道，OpenGL ES 中只有 點、直線、三角形 這三種圖元。因此，怎麼在 OpenGL ES 中繪製曲線，是我們第一個要解決的問題，也是最複雜的問題。
我們會使用比較大的篇幅來講解這個問題。至於繪畫板的其他功能實現，並不是說不重要，只是說其他的繪畫板實現方式，也會有類似的邏輯，所以這部分會放在最後再簡單介紹一下。
一、怎麼繪製曲線
在 OpenGL ES 中繪製曲線的方式，就是 將曲線拆分成點序列來繪製 。
因為要繪製點，所以我們採取的是 點圖元 。即我們要把頂點數據當成 點 來繪製，並且每個點都要繪製出筆觸的紋理。關鍵步驟如下：
指定圖元類型：
1glDrawArrays(GL_POINTS, 0, self.vertexCount);
2複製代碼
頂點著色器：
1attribute vec4 Position;
2
3uniform float Size;
4
5void main (void) {
6 gl_Position = Position;
7 gl_PointSize = Size;
8}
9複製代碼
片段著色器：
1precision highp float;
2
3uniform float R;
4uniform float G;
5uniform float B;
6uniform float A;
7
8uniform sampler2D Texture;
9
10void main (void) {
11 vec4 mask = texture2D(Texture, vec2(gl_PointCoord.x, 1.0 - gl_PointCoord.y));
12 gl_FragColor = A * vec4(R, G, B, 1.0) * mask;
13}
14
15複製代碼
這裡的關鍵點在於 gl_PointCoord 這個內置變量，當我們使用點圖元的時候，可以通過這個變量獲取到 當前像素在點圖元中的歸一化坐標 。
但是這個坐標的原點是在左上角，這和紋理坐標在豎直方向上是相反的。所以從紋理讀取顏色的時候，要做一個 y 坐標的轉換。
接下來，我們通過 UITouch 來獲取觸摸點的位置，然後算出歸一化的頂點坐標。
1- (void)touchesMoved:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
2 [super touchesMoved:touches withEvent:event];
3
4 [self addPointWithTouches:touches];
5}
6複製代碼
但是由於 iOS 系統觸摸事件的派發頻率有限，我們最終得到的只能是稀疏的點。如下圖所示，每個觸摸點之間的間隔會比較大。
img
二、怎麼繪製密集的點
很容易想到，只需要在兩個點之間，按照一定的密度進行插值，就可以繪製出連續的軌跡。
img
但是很明顯，我們的繪製結果是折線，並不平滑。
三、怎麼使曲線變平滑
解決點連接不平滑的問題，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用。
具體的做法是使用 兩個頂點間的中點 和 一個頂點 ，來構造一條貝塞爾曲線。如下圖，圖中的 3 個 紅點 被用來構造一條貝塞爾曲線。
img
於是，我們的問題就變成了 怎麼在 OpenGL ES 中繪製貝塞爾曲線 。相當於已知貝塞爾曲線的 3 個關鍵點，反向來求曲線上的點序列。
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，其取值範圍是 0 ~ 1 。
所以我們可以採取線性取值的方式，每一條貝塞爾曲線取 n 個點（n 是個確定的常量）。只要依次往方程中代入 1 / n 、 2 / n 、 ... n / n ，就可以得到一個點序列。
img
先將 n 取一個比較小的值，這樣比較容易看出存在的問題。我們發現，點序列的間隔並不均勻。原因有兩個：
- 不同貝塞爾曲線的長度不一樣，使用同一個 n 值，算出來的點的疏密程度肯定不同。
- 由於貝塞爾曲線隨著 t 增長，曲線長度的增長並不是線性的。按照我們上面的算法，最終會得到的結果是 兩頭比較稀疏，中間比較密集 。
四、怎麼生成均勻的點序列
貝塞爾曲線生成均勻的點序列，涉及到了一個經典的「貝塞爾曲線勻速運動」問題。
這個問題的推導和計算比較複雜。如果你有興趣，可以閱讀一下文末的兩篇文章。由於我還不能完全領悟，就不在這裡誤導大家了。
簡單來說，就是我們通過一系列的騷操作，封裝了一個方法，只需要傳入貝塞爾曲線的 3 個關鍵點和筆觸尺寸，就可以獲取均勻的點序列。
1+ (NSArray <NSValue *>*)pointsWithFrom:(CGPoint)from
2 to:(CGPoint)to
3 control:(CGPoint)control
4 pointSize:(CGFloat)pointSize;
5複製代碼
下面我們固定貝塞爾曲線的 起始點 和 控制點，只移動 終止點，來驗證一下這個方法是否可靠。
img
可以看到，在移動過程中，點和點的距離基本是保持一致的，並且是均勻的。通過這個「神奇」的方法，我們終於畫出了平滑且均勻的曲線。
img
五、繪畫板功能實現
終於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現。
1、顏色混合
在以往的例子中，我們在開始一次渲染之前，都會調用 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) 來清除畫布，因為我們不希望保留上次的渲染結果。
但是對於一個繪畫板來說，我們要不斷地往畫布上畫東西，所以是希望保留上次結果的。因此，在繪製之前不能執行清除的操作。
另外，由於我們的畫筆可能是半透明的，所以新繪製的顏色需要和畫布上已經存在的顏色進行混合。因此在繪製開始之前，需要開啟混合選項。
1glEnable(GL_BLEND);
2glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
3複製代碼
2、筆觸調整
筆觸有 3 個屬性可以調整：顏色、尺寸、形狀。它們本質上都是對點圖元的調整，通過 uniform 變量的形式，將顏色、尺寸、紋理傳入著色器並應用。
3、橡皮擦
GLPaintView 在初始化的時候，需要傳入一個背景色參數，當用戶切換到橡皮擦功能的時候，內部只是單純地將畫筆的顏色切換成背景色，於是就產生了橡皮擦的效果。
4、撤銷重做
撤銷重做功能需要依賴兩個棧來實現。我們把用戶的手指從 按下螢幕到離開螢幕 這一過程中產生的數據，定義為一個操作對象，這個操作對象保存了歸一化後的點序列，以及點的屬性。
1@interface MFPaintModel : NSObject
2
3/// 筆刷尺寸
4@property (nonatomic, assign) CGFloat brushSize;
5/// 筆刷顏色
6@property (nonatomic, strong) UIColor *brushColor;
7/// 筆刷模式
8@property (nonatomic, assign) GLPaintViewBrushMode brushMode;
9/// 筆觸紋理圖片文件名
10@property (nonatomic, copy) NSString *brushImageName;
11/// 點序列
12@property (nonatomic, copy) NSArray<NSValue *> *points;
13
14@end
15複製代碼
撤銷重做的代碼實現大概像這樣子：
1- (void)undo {
2 if ([self.operationStack isEmpty]) {
3 return;
4 }
5 MFPaintModel *model = self.operationStack.topModel;
6 [self.operationStack popModel];
7 [self.undoOperationStack pushModel:model];
8
9 [self reDraw];
10}
11
12- (void)redo {
13 if ([self.undoOperationStack isEmpty]) {
14 return;
15 }
16 MFPaintModel *model = self.undoOperationStack.topModel;
17 [self.undoOperationStack popModel];
18 [self.operationStack pushModel:model];
19
20 [self drawModel:model];
21}
22複製代碼
需要注意的是，由於 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 可以利用上次繪製的結果，所以每次只需要繪製一個步驟即可。
源碼
請到 GitHub 上查看完整代碼。
https://github.com/lmf12/GLPaintView