MCU 上纯软件实现 OpenGL

memory LV 7

在 ESP32 上移植 OpenGL 实现（一）

看 @FrostMiku 最近一直在玩 ESP32，而且看起来真的很有趣，所以就求了个链接买了一块板子自己玩。咱也很想玩玩嵌入式嘛。不过 ESP32 的板子倒是真便宜，基本都在二三十左右。我这块由于带了个 TFT 屏，所以稍贵，价格是 38。到手之后发现屏幕虽然不大，但是分辨率有 135×240，所以整体显示效果还是很清晰的。正好最近在学 OpenGL，于是就觉得移植一个 OpenGL 实现玩玩。

选择实现
我还没自己实现 OpenGL 的功力，所以还是用别人吧。大致找到了如下实现：

Google 的 SwiftShader。其实原本不是 Google 的，前身是 TransGaming 的开源项目 swShader（后转为闭源），不过后来由 Google 接盘再开源的。SwiftShader 实现了 Vulkan、OpenGL ES、D3D 9，并且运行效率很不错。不过 SwiftShader 大量使用多线程，显然不适合 ESP32。
Mesa。Mesa 大概是最被广泛使用的 OpenGL/Vulkan 的软件实现了，Mesa 的运行销量也相当不错。但是 Mesa 过于庞大，移植难度非常大。
Vincent（ogles）。Vincent 实现了 OpenGL ES 1.1，由 C++ 编写，本身就是为嵌入式打造的。不过我简单浏览了下，为了优化，Vincent 的很多逻辑都是直接内嵌汇编的，和平台关系过于紧密，移植起来还是有难度的。
TinyGL。TinyGL 是 Fabrice Bellard 开发的 OpenGL 1.1 子集。Fabrice 不用多说，是神仙级程序员。TinyGL 是他开发的一个轻量级 C 语言的 OpenGL 软件实现。TinyGL 的一大优点是，本身实现是纯 C 的，没有用到任何汇编内嵌，而且编译结果按官方说明只有 40K，非常适合移植。
经过评估，我最后选择了 TinyGL 的一个分支实现 PicoGL。PicoGL 基于 TinyGL 4.0，增加了直接写 Linux Framebuffer 的 backend、使用 Makefile 组织项目、增加了定点数运算支持。

再开发：RepicoGL
不过对于移植来说，PicoGL 还是有很多问题的。首先就是 PicoGL 增加的 backend 是写 Linux Framebuffer 的，然而 ESP32 并不是 Embed Linux，所以要新编写一个直接写入内存 Framebuffer 的后端。其次就是改用更现代的 CMake 来控制编译流程。另外，我在试验过程中发现，现有的 X11 backend 的支持实际上是有问题的，最终的渲染结果会显示两份并且颜色也不对。而且，似乎内部渲染修改为 RGB24 时也无法给出正确的输出（默认是 RGB565）。

因此，我在 PicoGL 的基础上又重新开发了一个 backend。不过这个 backend 由于其特殊性，需要兼容各种不同的输入，所以原有的接口是无法满足开发需求的，因此还需要扩充若干函数。另外，由于我的开发环境是 Arduino，因此还需要为 C++ 的兼容做一些处理。

另外，SDL 的 backend 还是可用的，因此可以用作图形程序的调试。不过 SDL 目前 backend 默认使用的 bbp 为 8（在 tk.c 里可以调整）。

由于各处都有代码改动，所以干脆就另开一个 RepicoGL 项目好啦。代码整理完毕后，我应该会开一个 repo 上传的，时间大概在近期（咕）。

移植
因为实在是没有嵌入式开发经验，所以我选择了 Arduino 进行开发。直接上手 esp-idf 之类的还是有点顶不住。因此需要把 RepicoGL 做成一个库，不过我不咋熟悉 Arduino，所以直接暴力的把所有文件丢到了一起（

屏幕显示用的是 TFT_eSPI 这个库。不过直接烧写发现程序运行错误，不断重启。通过 coredump 发现是内部绘制用 zbuffer 的像素 buffer 没有成功分配…… 后来发现，Arduino 的 ESP32 环境下似乎不能一次性分配太大的内存？？？

因此只能把屏幕改小，这下是可以绘制了，但是绘制结果的颜色完全偏色…… 后来发现问题出在我传入 Framebuffer 数据的时候用的是 uint8_t，用 bpp8 模式输出，然后两个程序的颜色表不同。换成 uint16_t 使用 RGB565 输出就能正确绘制颜色了。

另外参考一处测试（见 Reference），ESP32 的 double 运算性能较差，而且似乎并不是使用 FPU，而是采用软件计算的，因此最好是让程序内部使用 float 进行运算。好在 PicoGL 使用了统一的定点数运算库，所以有一个统一的数据类型来负责计算，全都改为 float 就可以了。修改为 float 之后，输出帧率有了肉眼可见的提升。

实际帧率是大于 30 的，不过为了防止 gif 过大所以就进行了压缩。