解密安卓系统游戏开发中的图形渲染技术

在安卓系统游戏开发中，图形渲染技术是至关重要的部分，直接影响到游戏的视觉效果和性能表现。通过解密安卓系统游戏开发中的图形渲染技术，我们可以深入了解游戏开发中的关键技术和原理，为开发者提供更多的参考和指导。

安卓系统上广泛应用的图形渲染API是OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems），这是一种轻量级的OpenGL版本，专门用于移动设备和嵌入式系统。OpenGL ES提供了一套标准的图形渲染接口，开发者可以利用这些接口来实现各种复杂的图形效果。在安卓系统中，通常使用OpenGL ES 2.0或者更高版本进行图形渲染。

在安卓系统游戏开发中，图形渲染技术涉及到的核心概念主要包括顶点着色器、片元着色器、纹理映射、光照、阴影等。顶点着色器负责处理顶点坐标的变换和投影，片元着色器则负责处理每个像素的颜色和透明度。通过编写这些着色器程序，开发者可以实现各种复杂的图形效果。

除了着色器程序外，纹理映射也是图形渲染中的重要部分。开发者可以将各种纹理贴图应用到模型表面，从而使游戏场景更加逼真。光照和阴影技术也是图形渲染中常用的技术，可以增强游戏场景的真实感和立体感。

在安卓系统游戏开发中，为了提高图形渲染的效率和性能，开发者通常会采用一些优化技术。其中，批处理和三角形剔除是两种常用的优化技术。通过合并多个绘制调用，减少状态切换，可以有效减少CPU和GPU的负担，提高图形渲染的效率。而三角形剔除则可以排除不可见的三角形，减少不必要的绘制，进一步提高性能表现。

安卓系统上还有一些专门针对图形渲染的工具和框架，如OpenGL ES工具箱（GLES Toolkit）、AndEngine、Unity等。这些工具和框架可以帮助开发者更快速地实现复杂的图形效果，提高开发效率，缩短开发周期。

图形渲染技术在安卓系统游戏开发中扮演着非常重要的角色，直接影响到游戏的视觉效果和性能表现。通过深入了解图形渲染原理和技术，开发者可以更好地优化游戏的图形表现，提升用户体验，增加游戏的吸引力。

图形渲染是什么意思

图形渲染是将计算机生成的图形或图像经过算法处理，显示在物理设备上或者保存成文件的过程。它可以使图像更加真实、精细、美观。图形渲染可以应用在各个领域，如游戏开发、影视特效、工业设计等。

图形渲染技术涵盖了很多方面，包括光线追踪、着色器、纹理映射等等。其中，光线追踪是一种非常重要的图形渲染技术，能够真实地模拟光线在环境中的传播和反射，实现真实的光照效果。着色器则是控制图形的颜色和亮度，纹理映射则可以将复杂纹理贴在三维图形上，增加图形的现实感。

现在，图形渲染技术已经得到了广泛应用，许多行业都需要使用图形渲染来展示产品或者模拟真实情况。比如，在建筑行业中，设计师可以使用图形渲染技术来展示建筑的效果，帮助客户更好地理解建筑的结构和外观。而在游戏开发中，图形渲染则是一个不可或缺的环节，只有通过图形渲染技术，游戏才能实现更加真实的效果，让玩家更加享受游戏的乐趣。

游戏的渲染是什么意思

游戏渲染是指利用计算机硬件和软件对游戏中的3D模型、贴图、声音等进行处理和呈现的技术。在游戏中，渲染技术扮演着至关重要的角色，它能够决定游戏的视觉效果和游戏体验的舒适度。因此，游戏开发者需要不断地提升和优化游戏渲染技术以达到更好的画面效果和更流畅的游戏体验。

游戏渲染技术的发展可以追溯到1980年代后期，当时主要应用于电影制作和科学模拟领域。随着GPU的出现和3D图形学领域的不断发展，游戏渲染技术得以拥有更快的处理速度和更高的实时性。而如今，随着技术的不断更新和硬件参数的提升，游戏渲染技术已经达到了非常出色的水平。

未来游戏渲染技术的发展方向主要为提升游戏画面的真实感和逼真度，以及增加游戏的交互感。此外，游戏渲染技术还将通过与人工智能技术以及虚拟现实、增强现实技术的结合，进一步推动游戏的发展和创新。总之，游戏渲染技术的持续发展将为我们带来更加逼真、流畅及具有沉浸感的游戏体验。

Android图形渲染原理上

对于Android开发者来说，我们或多或少有了解过Android图像显示的知识点，刚刚学习Android开发的人会知道，在Actvity的onCreate方法中设置我们的View后，再经过onMeasure，onLayout，onDraw的流程，界面就显示出来了；对Android比较熟悉的开发者会知道，onDraw流程分为软件绘制和硬件绘制两种模式，软绘是通过调用Skia来操作，硬绘是通过调用Opengl ES来操作；对Android非常熟悉的开发者会知道绘制出来的图形数据最终都通过GraphiBuffer内共享内存传递给SurfaceFlinger去做图层混合，图层混合完成后将图形数据送到帧缓冲区，于是，图形就在我们的屏幕显示出来了。

但我们所知道的Activity或者是应用App界面的显示，只属于Android图形显示的一部分。同样可以在Android系统上展示图像的WebView，Flutter，或者是通过Unity开发的3D游戏，他们的界面又是如何被绘制和显现出来的呢？他们和我们所熟悉的Acitvity的界面显示又有什么异同点呢？我们可以不借助Activity的setView或者InflateView机制来实现在屏幕上显示出我们想要的界面吗？Android系统显示界面的方式又和IOS，或者Windows等系统有什么区别呢？……

去探究这些问题，比仅仅知道Acitvity的界面是如何显示出来更加的有价值，因为想要回答这些问题，就需要我们真正的掌握Android图像显示的底层原理，当我们掌握了底层的显示原理后，我们会发现WebView，Flutter或者未来会出现的各种新的图形显示技术，原来都是大同小异。

我会花三篇文章的篇幅，去深入的讲解Android图形显示的原理，OpenGL ES和Skia的绘制图像的方式，他们如何使用，以及他们在Android中的使用场景，如开机动画，Activity界面的软件绘制和硬件绘制，以及Flutter的界面绘制。那么，我们开始对Android图像显示原理的探索吧。

在讲解Android图像的显示之前，我会先讲一下屏幕图像的显示原理，毕竟我们图像，最终都是在手机屏幕上显示出来的，了解这一块的知识会让我们更容易的理解Android在图像显示上的机制。

图像显示的完整过程，分为下面几个阶段：

图像数据→CPU→显卡驱动→显卡（GPU）→显存（帧缓冲）→显示器

我详细介绍一下这几个阶段：

实际上显卡驱动，显卡和显存，包括数模转换模块都是属于显卡的模块。但为了能能详细的讲解经历的步骤，这里做了拆分。

当显存中有数据后，显示器又是怎么根据显存里面的数据来进行界面的显示的呢？这里以LCD液晶屏为例，显卡会将显存里的数据，按照从左至右，从上到下的顺序同步到屏幕上的每一个像素晶体管，一个像素晶体管就代表了一个像素。

如果我们的屏幕分辨率是1080×1920像素，就表示有1080×1920个像素像素晶体管，每个橡素点的颜色越丰富，描述这个像素的数据就越大，比如单色，每个像素只需要1bit，16色时，只需要4bit，256色时，就需要一个字节。那么1080×1920的分辨率的屏幕下，如果要以256色显示，显卡至少需要1080×1920个字节，也就是2M的大小。

刚刚说了，屏幕上的像素数据是从左到右，从上到下进行同步的，当这个过程完成了，就表示一帧绘制完成了，于是会开始下一帧的绘制，大部分的显示屏都是以60HZ的频率在屏幕上绘制完一帧，也就是16ms，并且每次绘制新的一帧时，都会发出一个垂直同步信号（VSync）。我们已经知道，图像数据都是放在帧缓冲中的，如果帧缓冲的缓冲区只有一个，那么屏幕在绘制这一帧的时候，图像数据便没法放入帧缓冲中了，只能等待这一帧绘制完成，在这种情况下，会有很大了效率问题。所以为了解决这一问题，帧缓冲引入两个缓冲区，即 双缓冲机制 。双缓冲虽然能解决效率问题，但会引入一个新的问题。当屏幕这一帧还没绘制完成时，即屏幕内容刚显示一半时，GPU 将新的一帧内容提交到帧缓冲区并把两个缓冲区进行交换后，显卡的像素同步模块就会把新的一帧数据的下半段显示到屏幕上，造成画面撕裂现象。

为了解决撕裂问题，就需要在收到垂直同步的时候才将帧缓冲中的两个缓冲区进行交换。Android4.1黄油计划中有一个优化点，就是CPU和GPU都只有收到垂直同步的信号时，才会开始进行图像的绘制操作，以及缓冲区的交换工作。

我们已经了解了屏幕图像显示的原理了，那么接着开始对Android图像显示的学习。

从上一章已经知道，计算机渲染界面必须要有GPU和帧缓冲。对于Linux系统来说，用户进程是没法直接操作帧缓冲的，但我们想要显示图像就必须要操作帧缓冲，所以Linux系统设计了一个虚拟设备文件，来作为对帧缓冲的映射，通过对该文件的I/O读写，我们就可以实现读写屏操作。帧缓冲对应的设备文件于/dev/fb* ，*表示对多个显示设备的支持， 设备号从0到31，如/dev/fb0就表示第一块显示屏，/dev/fb1就表示第二块显示屏。对于Android系统来说，默认使用/dev/fb0这一个设帧缓冲作为主屏幕，也就是我们的手机屏幕。我们Android手机屏幕上显示的图像数据，都是存储在/dev/fb0里，早期AndroidStuio中的DDMS工具实现截屏的原理就是直接读取/dev/fb0设备文件。

我们知道了手机屏幕上的图形数据都存储在帧缓冲中，所以Android手机图像界面的原理就是将我们的图像数据写入到帧缓冲内。那么，写入到帧缓冲的图像数据是怎么生成的，又是怎样加工的呢？图形数据是怎样送到帧缓冲去的，中间经历了哪些步骤和过程呢？了解了这几个问题，我们就了解了Android图形渲染的原理，那么带着这几个疑问，接着往下看。

想要知道图像数据是怎么产生的，我们需要知道 图像生产者 有哪些，他们分别是如何生成图像的，想要知道图像数据是怎么被消费的，我们需要知道 图像消费者 有哪些，他们又分别是如何消费图像的，想要知道中间经历的步骤和过程，我们需要知道 图像缓冲区 有哪些，他们是如何被创建，如何分配存储空间，又是如何将数据从生产者传递到消费者的，图像显示是一个很经典的消费者生产者的模型，只有对这个模型各个模块的击破，了解他们之间的流动关系，我们才能找到一条更容易的路径去掌握Android图形显示原理。我们看看谷歌提供的官方的架构图是怎样描述这一模型的模块及关系的。

如图， 图像的生产者 主要有MediaPlayer，CameraPrevier，NDK，OpenGl ES。MediaPlayer和Camera Previer是通过直接读取图像源来生成图像数据，NDK（Skia），OpenGL ES是通过自身的绘制能力生产的图像数据； 图像的消费者 有SurfaceFlinger，OpenGL ES Apps，以及HAL中的Hardware Composer。OpenGl ES既可以是图像的生产者，也可以是图像的消费者，所以它也放在了图像消费模块中； 图像缓冲区 主要有Surface以及前面提到帧缓冲。

Android图像显示的原理，会仅仅围绕 图像的生产者 ， 图像的消费者 ， 图像缓冲区 来展开，在这一篇文章中，我们先看看Android系统中的图像消费者。

SurfaceFlinger是Android系统中最重要的一个图像消费者，Activity绘制的界面图像，都会传递到SurfaceFlinger来，SurfaceFlinger的作用主要是接收图像缓冲区数据，然后交给HWComposer或者OpenGL做合成，合成完成后，SurfaceFlinger会把最终的数据提交给帧缓冲。

那么SurfaceFlinger是如何接收图像缓冲区的数据的呢？我们需要先了解一下Layer（层）的概念，一个Layer包含了一个Surface，一个Surface对应了一块图形缓冲区，而一个界面是由多个Surface组成的，所以他们会一一对应到SurfaceFlinger的Layer中。SurfaceFlinger通过读取Layer中的缓冲数据，就相当于读取界面上Surface的图像数据。Layer本质上是 Surface和SurfaceControl的组合 ，Surface是图形生产者和图像消费之间传递数据的缓冲区，SurfaceControl是Surface的控制类。

前面在屏幕图像显示原理中讲到，为了防止图像的撕裂，Android系统会在收到VSync垂直同步时才会开始处理图像的绘制和合成工作，而Surfaceflinger作为一个图像的消费者，同样也是遵守这一规则，所以我们通过源码来看看SurfaceFlinger是如何在这一规则下，消费图像数据的。

SurfaceFlinger专门创建了一个EventThread线程用来接收VSync。EventThread通过Socket将VSync信号同步到EventQueue中，而EventQueue又通过回调的方式，将VSync信号同步到SurfaceFlinger内。我们看一下源码实现。

上面主要是SurfaceFlinger初始化接收VSYNC垂直同步信号的操作，主要有这几个过程：

经过上面几个步骤，我们接收VSync的初始化工作都准备好了，EventThread也开始运转了，接着看一下EventThread的运转函数threadLoop做的事情。

threadLoop主要是两件事情

mConditon又是怎么接收VSync的呢？我们来看一下

可以看到，mCondition的VSync信号实际是DispSyncSource通过onVSyncEvent回调传入的，但是DispSyncSource的VSync又是怎么接收的呢？在上面讲到的SurfaceFlinger的init函数，在创建EventThread的实现中，我们可以发现答案—— mPrimaryDispSync 。

DispSyncSource的构造方法传入了mPrimaryDispSync，mPrimaryDispSync实际是一个DispSyncThread线程，我们看看这个线程的threadLoop方法

DispSyncThread的threadLoop会通过mPeriod来判断是否进行阻塞或者进行VSync回调，那么mPeriod又是哪儿被设置的呢？这里又回到SurfaceFlinger了，我们可以发现在SurfaceFlinger的 resyncToHardwareVsync 函数中有对mPeriod的赋值。

我们已经知道了VSync信号来自于HWCompser，但SurfaceFlinger并不会一直监听VSync信号，监听VSync的线程大部分时间都是休眠状态，只有需要做合成工作时，才会监听VSync，这样即保证图像合成的操作能和VSync保持一致，也节省了性能。SurfaceFlinger提供了一些主动注册监听VSync的操作函数。

可以看到，只有当SurfaceFlinger调用 signalTransaction 或者 signalLayerUpdate 函数时，才会注册监听VSync信号。那么signalTransaction或者signalLayerUpdate什么时候被调用呢？它可以由图像的生产者通知调用，也可以由SurfaceFlinger根据自己的逻辑来判断是否调用。

现在假设App层已经生成了我们界面的图像数据，并调用了 signalTransaction 通知SurfaceFlinger注册监听VSync，于是VSync信号便会传递到了MessageQueue中了，我们接着看看MessageQueue又是怎么处理VSync的吧。

MessageQueue收到VSync信号后，最终回调到了SurfaceFlinger的 onMessageReceived 中，当SurfaceFlinger接收到VSync后，便开始以一个图像消费者的角色来处理图像数据了。我们接着看SurfaceFlinger是以什么样的方式消费图像数据的。

VSync信号最终被SurfaceFlinger的onMessageReceived函数中的INVALIDATE模块处理。

INVALIDATE的流程如下：

handleMessageTransaction的处理比较长，处理的事情也比较多，它主要做的事情有这些

handleMessageRefresh函数，便是SurfaceFlinger真正处理图层合成的地方，它主要下面五个步骤。

我会详细介绍每一个步骤的具体操作

合成前预处理会判断Layer是否发生变化，当Layer中有新的待处理的Buffer帧（mQueuedFrames>0），或者mSidebandStreamChanged发生了变化， 都表示Layer发生了变化，如果变化了，就调用signalLayerUpdate，注册下一次的VSync信号。如果Layer没有发生变化，便只会做这一次的合成工作，不会注册下一次VSync了。

重建Layer栈会遍历Layer，计算和存储每个Layer的脏区， 然后和当前的显示设备进行比较，看Layer的脏区域是否在显示设备的显示区域内，如果在显示区域内的话说明该layer是需要绘制的，则更新到显示设备的VisibleLayersSortedByZ列表中，等待被合成

rebuildLayerStacks中最重要的一步是 computeVisibleRegions ，也就是对Layer的变化区域和非透明区域的计算，为什么要对变化区域做计算呢？我们先看看SurfaceFlinger对界面显示区域的分类：

还是以这张图做例子，可以看到我们的状态栏是半透明的，所以它是一个opaqueRegion区域，微信界面和虚拟按键是完全不透明的，他是一个visibleRegion，除了这三个Layer外，还有一个我们看不到的Layer——壁纸，它被上方visibleRegion遮挡了，所以是coveredRegion

对这几个区域的概念清楚了，我们就可以去了解computeVisibleRegions中做的事情了，它主要是这几步操作：

手机的开发者选项里的强制GPU渲染加速有什么用处？

强制GPU渲染加速在手机的开发者选项中的主要用途是提高图形处理速度和效率。

详细解释如下：

手机的图形处理通常是由CPU和GPU共同完成的。CPU负责处理一般的计算任务，而GPU则专注于图形处理。当我们在手机开发者选项中启用“强制GPU渲染加速”时，更多的图形处理任务会被分配给GPU来处理。这样可以减轻CPU的负担，提高整体的处理速度，使得应用程序和游戏的运行更加流畅，画面更加清晰。

举个例子，当我们玩一些3D游戏时，如果手机的性能不够强大，可能会出现卡顿、掉帧等现象。此时，启用强制GPU渲染加速，可以将更多的图形计算任务交给GPU处理，从而提高游戏的流畅度。

然而，值得注意的是，虽然强制GPU渲染加速能够提高图形处理速度，但它也可能会增加电池的耗电量。因为GPU运行需要消耗更多的电能。所以，在启用这个功能时，我们需要权衡其带来的流畅度和电池耗电的增加。

总的来说，强制GPU渲染加速是一个有用的工具，能够帮助我们提高手机的图形处理性能，但使用时需要根据实际情况做出调整。

游戏图形如何实现

游戏图形是游戏中最重要的元素之一，它的实现涉及到多种技术和工具。

下面就让我们一起来了解一下游戏图形是如何实现的。

游戏图形的实现可以分为两个部分：渲染和动画。

渲染是指将游戏中的模型、纹理等信息转化成屏幕上的图像的过程；而动画则是指游戏中物体的运动、旋转、缩放等动态效果的实现。

渲染技术的实现离不开计算机图形学。

计算机图形学是一门专门研究计算机图形处理的学科。

在游戏中，渲染的基本实现是通过将游戏场景中的3D世界转化为2D图像。

这一过程实现的关键是图形绘制API，包括OpenGL和DirectX等。

这些API提供了一系列的函数和接口，通过这些函数和接口可以实现游戏中的图形渲染。

同时，游戏引擎也是实现图形渲染的重要工具，它提供了一些高级的渲染技术和优化方案，如光照、阴影、反射等。

另外一方面，游戏图形的动画实现是通过变换矩阵实现的。

变换矩阵是一种数学工具，可以实现物体的旋转、缩放、平移等运动效果。

游戏中通过程序控制变换矩阵，可以实现物体的动态效果。

同时，游戏引擎也提供了一些动画制作工具，如骨骼动画、粒子效果等，可以简化开发者的工作。

总之，游戏图形的实现涉及到多个方面的技术和工具。

通过运用这些技术和工具，开发者可以实现出更加逼真、生动的游戏图形效果，使玩家沉浸于游戏的世界中。

手机中的“强制进行GPU渲染”是什么？

手机中的“强制进行GPU渲染”的意思如下：

GPU是图形处理器，启用Gpu渲染加速，就是调用GPU加速图形的渲染和填充。开启GPU渲染加速后可以提升图形加载速度，降低CPU处理器的负担，使系统运行更加流畅，但是也更加耗电。强制进行GPU渲染，就是用显卡来运行游戏，而不是用CPU来运行。

好处：Android系统应用程序的界面可以通过CPU或者GPU来进行渲染，由于GPU在处理图形方面比CPU更快且效果更好，强制使用GPU渲染会充分地利用你手机的GPU，而不是只在玩游戏时才使用GPU。开启该功能之后可以大大降低CPU的使用率，减轻CPU的负担，这样会让Android手机运行一些应用程序时更为流畅。

弊处：首先，图形处理从由CPU承担转移到GPU上，手机是保证运行流畅了，但耗能肯定会相应的提升，这就会造成你的手机续航时间将会缩短一些。其次，有的应用程序存在不支持GPU渲染的情况，在“强制进行GPU渲染”模式下运行这些软件可能会出现崩溃的异常情况。

拓展资料：

图形处理器（英语：Graphics Processing Unit，缩写：GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上图像运算工作的微处理器。

用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，也是“人机对话”的重要设备之一。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，承担输出显示图形的任务，对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。