Android OpenGLES2.0（十三）——流畅的播放逐帧动画

Posted 2022-08-01 湖广午王

在当前很多直播应用中，拥有给主播送礼物的功能，当用户点击赠送礼物后，视频界面上会出现比较炫酷的礼物特效。这些特效，有的是用粒子效果做成的，但是更多的时用播放逐帧动画实现的，本篇博客将会讲解在android下如何利用OpenGLES流畅的播放逐帧动画。在本篇博客中的动画素材，是从花椒直播中“借”出来的（只做学习交流用，应该不构成侵权吧:-D）。

逐帧动画的实现方案分析

有些朋友看到逐帧动画可能会想，逐帧动画还不容易吗？Android中的动画本来就支持逐帧动画啊，不是分分钟就能实现么？没错，用Android的Animation的确很容易就实现了逐帧动画。但是用Android的Animation实现动画，当图片要求较高时，播放会比较卡。为什么呢？
Png图片并不能在被直接用来播放动画，它需要先被解码成Bitmap，才能被绘制到屏幕上。而这个解码是一个比较耗时的工作。而且解码时间与手机、CPU工作状态、Png图片内容都有很大的关系。当图片较小时，播放出来的逐帧动画效果还不错，但是当图片较大时，比如720*720，解码时间就往往需要100多ms，甚至会达到200ms以上。这个时间让我们很难以接受。
那么怎么办呢？限制动画的是PNG解码时间，而不是渲染时间，用OpenGL做渲染又有什么用呢？是的，用OpenGL来播放PNG逐帧动画，虽然比用Animation会有一些改善，但是并不能解决动画播放卡顿的问题。（当初天真的以为Animation播放动画是因为Animation用CPU绘制导致卡顿，然后改成用GPU来做，发现然并卵，这才把视线放到PNG解码上了。）
既然是PNG解码占用时间，那么能不能直接用BMP格式存储图片，来做动画呢？这样解码的时间就基本可以忽略了。那么问题又来了，BMP是不进过压缩的，一张720*720的PNG图片大小转成BMP就为720*720*4/1024=2025kb，那么一秒25帧动画，就要二十四五兆了。显然是难以让人接受的。那么怎么办呢？以下为Android下OpenGLES实现逐帧动画的方案比较：

待选方案

1. 直接2D纹理逐帧加载PNG
2. 使用ETC压缩纹理替代PNG
3. 使用ETC2压缩纹理替代PNG
4. 使用PVRTC压缩纹理替代PNG
5. 使用S3TC压缩纹理替代PNG

文件大小对比

1. PNG图片大小与其内容有关，透明区域越多，大小越小。
2. ETC1图片每个像素占0.5byte,720*720png变为ETC后大小为720*720*2*0.5+16（alpha通道导致文件高度增加一倍，16个字节为文件头部信息），约507KBytes。
3. ETC2大小与设置相关，不包含A通道，大小与ETC1不保留A通道相同，包含A通道的，与ETC1保留A通道相同。
4. S3TC 相对于24位原图，DXT1压缩比例为6:1，DXT2-DXT5压缩比例为4:1。
5. PVRTC4 压缩比为6:1，PVRTC2压缩比为12:1（PVRTC图片宽高为2的幂数）

文件支持对比

1. PNG通用
2. ETC1是OpenGL2.0支持标准，基本上所有支持OpenGLES2.0，版本不低于2.2的Android设备都能使用。
3. ETC2是OpenGL3.0支持标准，基本上所有支持OpenGLES3.0，版本不低于4.3的Android设备都能使用。
4. S3TC广泛用于Windows平台上，DirectX中使用较多。在Android上支持率很低，主要是NVIDIA Tegra2芯片的手机。
5. PVRTC只有PowerVR的显卡支持。在苹果系中使用广泛。

方案选择

根据上述分析，在Android中使用OpenGLES加载动画：

• 方案4和方案5由于支持问题，直接排除了。
• 方案1可以使用
• 当前Android市场Android2.2以下设备基本不没有了，Android2.2及以上到Android4.3下，占比15%左右。所以方案2与方案3之中，取方案2。

选择方案1与方案2进行对比。

方案1和方案2数据

针对测试用的60张png烟花图片动画进行量化分析（图片大小为720*720，手机360F4）：

• PNG图片总大小为4.88M，ETC总大小29.6M。
• PNG IO+解码耗时为15-40ms之间，与单张图片大小有关。ETC不在CPU中解码，只有IO时间，为4-10ms之间。（IO及解码时间与CPU能力及状态有关）
• 渲染时间二者基本一致。

针对方案2的补充方案

方案2文件总大小太大，针对这个问题，可采用zip压缩纹理，加载时直接加载zip中的纹理文件。数据如下：

• 总大小7.05M
• IO+解码时间为4-16ms。
• 渲染时间同不进行压缩的ETC

注：不同手机不同环境时间数据不同，此数据仅为PNG加载和压缩纹理方式加载的对比。

播放ZIP包下的ETC1压缩纹理逐帧动画

这种方式，主要是针对PNG透明区域比较多的图片，这样压缩纹理会比PNG大很多，ZIP压缩一下可以压缩的和PNG大小差不多。先直接说在实现过程中踩到的坑吧。

存在的坑

1. 在Mali 官网工具中提供的三个方法中，方法一纹理拼图最简单，但是有的图片在边界处会出现奇怪的线条。这是因为纹理采样的时候，RGB和Alpha压缩在一个文件中，在边界处采样会采样过界，导致颜色不对。方法三虽然使用上步会出什么问题，但是单独的Alpha通道依旧会占用更多空间和内存带宽。所以选方法二。
2. ZIP打包所有的ETC压缩纹理时，命名上保证顺序，图片数字前要补0，比如有100张图片，变成了200个pkm文件，最后一个为p100alpha.pkm，倒数第二个为p100.pkm。那么第一个应该为p001.pkm，而不是p1.pkm。其他的类似。这个是遍历文件夹、ZIP包的顺序纹理。
3. Android提供的ETC1Util工具类的 ETC1Util.createTexture(InputStream in)方法有坑。具体问题，后面贴代码的时候说。

实现

压缩纹理的加载，OpenGLES 提供了GLES10.glCompressedTexImage2D(int target,int level,int internalformat,int width,int height, int border,int imageSize,java.nio.Buffer data) 方法，但是在Android中，可以用工具类ETC1Util提供的loadTexture(int target, int level, int border,int fallbackFormat, int fallbackType, ETC1Texture texture) 方法来更简单的使用。
这样，我们就需要先得到一个ETC1Texture，而ETC1Util又提供了创建ETC1Texture的方法，上面说过，这个方法在使用中有点小坑，其源码为：

public static ETC1Texture createTexture(InputStream input) throws IOException 
    int width = 0;
    int height = 0;
    byte[] ioBuffer = new byte[4096];
    
        if (input.read(ioBuffer, 0, ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE) != ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE) 
            throw new IOException("Unable to read PKM file header.");
        
        ByteBuffer headerBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE)
            .order(ByteOrder.nativeOrder());
        headerBuffer.put(ioBuffer, 0, ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE).position(0);
        if (!ETC1.isValid(headerBuffer)) 
            throw new IOException("Not a PKM file.");
        
        width = ETC1.getWidth(headerBuffer);
        height = ETC1.getHeight(headerBuffer);
    
    int encodedSize = ETC1.getEncodedDataSize(width, height);
    ByteBuffer dataBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(encodedSize).order(ByteOrder.nativeOrder());
    for (int i = 0; i < encodedSize; ) 
        int chunkSize = Math.min(ioBuffer.length, encodedSize - i);
        if (input.read(ioBuffer, 0, chunkSize) != chunkSize) 
            throw new IOException("Unable to read PKM file data.");
        
        dataBuffer.put(ioBuffer, 0, chunkSize);
        i += chunkSize;
    
    dataBuffer.position(0);
    return new ETC1Texture(width, height, dataBuffer);

修改为：

ETC1Util.ETC1Texture createTexture(InputStream input) throws IOException 
    int width = 0;
    int height = 0;
    byte[] ioBuffer = new byte[4096];
    
        if (input.read(ioBuffer, 0, ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE) != ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE) 
            throw new IOException("Unable to read PKM file header.");
        
        if(headerBuffer==null)
            headerBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE)
                .order(ByteOrder.nativeOrder());
        
        headerBuffer.put(ioBuffer, 0, ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE).position(0);
        if (!ETC1.isValid(headerBuffer)) 
            throw new IOException("Not a PKM file.");
        
        width = ETC1.getWidth(headerBuffer);
        height = ETC1.getHeight(headerBuffer);
    
    int encodedSize = ETC1.getEncodedDataSize(width, height);
    ByteBuffer dataBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(encodedSize).order(ByteOrder.nativeOrder());
    int len;
    while ((len =input.read(ioBuffer))!=-1)
        dataBuffer.put(ioBuffer,0,len);
    
    dataBuffer.position(0);
    return new ETC1Util.ETC1Texture(width, height, dataBuffer);

这个方法，是通过InputStream得到一个ETC1Texture，所以我们直接读取Zip下的文件生成ETC1Texture就算完成了一大半工作了。读取Zip下的文件代码网上很容易找到，这里直接贴出Demo中的ZipPkmReader:

public class ZipPkmReader 

    private String path;
    private ZipInputStream mZipStream;
    private AssetManager mManager;
    private ZipEntry mZipEntry;
    private ByteBuffer headerBuffer;

    public ZipPkmReader(Context context)
        this(context.getAssets());
    

    public ZipPkmReader(AssetManager manager)
        this.mManager=manager;
    

    public void setZipPath(String path)
        Log.e("wuwang",path+" set");
        this.path=path;
    

    public boolean open()
        Log.e("wuwang",path+" open");
        if(path==null)return false;
        try 
            if(path.startsWith("assets/"))
                InputStream s=mManager.open(path.substring(7));
                mZipStream=new ZipInputStream(s);
            else
                File f=new File(path);
                Log.e("wuwang",path+" is File exists->"+f.exists());
                mZipStream=new ZipInputStream(new FileInputStream(path));
            
            return true;
         catch (IOException e) 
            Log.e("wuwang","eee-->"+e.getMessage());
            e.printStackTrace();
            return false;
        
    

    public void close()
        if(mZipStream!=null)
            try 
                mZipStream.closeEntry();
                mZipStream.close();
             catch (Exception e) 
                e.printStackTrace();
            
            if(headerBuffer!=null)
                headerBuffer.clear();
                headerBuffer=null;
            
        
    

    private boolean hasElements()
        try 
            if(mZipStream!=null)
                mZipEntry=mZipStream.getNextEntry();
                if(mZipEntry!=null)
                    return true;
                
                Log.e("wuwang","mZip entry null");
            
         catch (IOException e) 
            Log.e("wuwang","err  dd->"+e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        
        return false;
    

    public InputStream getNextStream()
        if(hasElements())
            return mZipStream;
        
        return null;
    

    public ETC1Util.ETC1Texture getNextTexture()
        if(hasElements())
            try 
                ETC1Util.ETC1Texture e= createTexture(mZipStream);
                return e;
             catch (IOException e1) 
                Log.e("wuwang","err->"+e1.getMessage());
                e1.printStackTrace();
            
        
        return null;
    

    private ETC1Util.ETC1Texture createTexture(InputStream input) throws IOException 
        int width = 0;
        int height = 0;
        byte[] ioBuffer = new byte[4096];
        
            if (input.read(ioBuffer, 0, ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE) != ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE) 
                throw new IOException("Unable to read PKM file header.");
            
            if(headerBuffer==null)
                headerBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE)
                    .order(ByteOrder.nativeOrder());
            
            headerBuffer.put(ioBuffer, 0, ETC1.ETC_PKM_HEADER_SIZE).position(0);
            if (!ETC1.isValid(headerBuffer)) 
                throw new IOException("Not a PKM file.");
            
            width = ETC1.getWidth(headerBuffer);
            height = ETC1.getHeight(headerBuffer);
        
        int encodedSize = ETC1.getEncodedDataSize(width, height);
        ByteBuffer dataBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(encodedSize).order(ByteOrder.nativeOrder());
        int len;
        while ((len =input.read(ioBuffer))!=-1)
            dataBuffer.put(ioBuffer,0,len);
        
        dataBuffer.position(0);
        return new ETC1Util.ETC1Texture(width, height, dataBuffer);
    

Shader直接使用Mali 官网上方法2提供的Shader即可，然后在开启一个定时器，定时requestRender，加载下一帧压缩纹理。动画播放就基本完成了。为了简便，Demo中直接在在GL线程中Sleep然后requestRender的。

这里也贴上Shader的代码吧。
顶点Shader：

attribute vec4 vPosition;
attribute vec2 vCoord;
varying vec2 aCoord;
uniform mat4 vMatrix;

void main()
    aCoord = vCoord;
    gl_Position = vMatrix*vPosition;

片元Shader:

precision mediump float;
varying vec2 aCoord;
uniform sampler2D vTexture;
uniform sampler2D vTextureAlpha;

void main() 
    vec4 color=texture2D( vTexture, aCoord);
    color.a=texture2D(vTextureAlpha,aCoord).r;
    gl_FragColor = color;

可以看到，在片元着色器中，我们需要两个Texture，一个包含着原来PNG图片的RGB信息，一个包含着原PNG图片的Alpha信息。这些信息并不是完全和原PNG信息相同的，压缩纹理在色彩上会有一些损失。
片元着色器中用到了两个采样器，纹理传入的代码为：

GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0);
GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D,texture[0]);
ETC1Util.loadTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D,0,0,GLES20.GL_RGB,GLES20
   .GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5,t);
GLES20.glUniform1i(mHTexture,0);

GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE1);
GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D,texture[1]);
ETC1Util.loadTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D,0,0,GLES20.GL_RGB,GLES20
   .GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5,tAlpha);
GLES20.glUniform1i(mGlHAlpha,1);

其他地方就和之前渲染图片差不多了。

源码

所有的代码全部在一个项目中，托管在Github上——Android OpenGLES 2.0系列博客的Demo

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