【GLSL教程】（八）纹理贴图

简单的纹理贴图（Simple Texture）
为了在GLSL中应用纹理，我们需要访问每个顶点的纹理坐标。GLSL中提供了一些属性变量，每个纹理单元一个：

attribute vec4 gl_MultiTexCoord0;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord1;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord2;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord3;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord4;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord5;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord6;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord7;

GLSL还为访问每个纹理的纹理矩阵提供了一个一致变量数组：

uniform mat4 gl_TextureMatrix[gl_MaxTextureCoords];

顶点shader可以通过上面所示的内容访问OpenGL程序中指定的纹理坐标。然后必须为每个顶点计算纹理坐标，并保存在预先定义的易变变量gl_TexCoord[i]中，i表示纹理单元号。
下面这条语句直接复制OpenGL程序中指定的纹理坐标，作为纹理单元0的顶点纹理坐标。

gl_TexCoord[0]  = gl_MultiTexCoord0;

下面是个简单的例子，在顶点shader中设置纹理单元0的纹理坐标。

void main()
{
    gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0;
    gl_Position = ftransform();
}

如果你想使用纹理矩阵，可以这样操作：

void main()
{
    gl_TexCoord[0] = gl_TextureMatrix[0] * gl_MultiTexCoord0;
    gl_Position = ftransform();
}

前面说过，gl_TexCoord是一个易变变量，所以在片断shder中可以访问经过插值的纹理坐标。
为了访问纹理的数值，在片断shader中有必要声明一个特殊的变量，对一个2D纹理可以可以这样写：

uniform sampler2D tex;

如果是1D或者3D的纹理，可以改成sampler1D和sampler3D。
这个用户定义的变量tex包含我们将会使用的纹理单元，通过texture2D函数我们可以得到一个纹素（texel），这是一个纹理图片中的像素。函数参数分别为simpler2D以及纹理坐标：

vec4 texture2D(sampler2D, vec2);

函数的返回值已经考虑了所有在OpenGL程序中定义的纹理设置，比如过滤、mipmap、clamp等。
我们的片断shader可以写成如下形式：

uniform sampler2D tex;

void main()
{
    vec4 color = texture2D(tex,gl_TexCoord[0].st);
    gl_FragColor = color;
}

注意访问gl_TexCoord时选择子st的使用。在本教程前面关于数据类型和变量的讨论中说过，访问纹理坐标时可以使用如下选择子：s、t、p、q。（r因为和rgb选择子冲突而没有使用）

本节内容Shader Designer的工程下载地址：
http://www.lighthouse3d.com/wp-content/uploads/2011/03/textureSimple.zip

组合纹理与片断

OpenGL允许我们通过多种方式将纹理颜色和片断颜色联合到一起。下表显示了RGBA模式时可用的联合方式：

GL_REPLACE	C = Ct	A = At
GL_MODULATE	C = Ct*Cf	A = At*Af
GL_DECAL	C = Cf * (1 – At) + Ct * At	A = Af

表中Ct和At表示纹理的颜色和alpha值，Cf和Af表示片断（fragment）的颜色和alpha值，C和A表示最终的颜色和alpha值。
上一节的例子就相当于使用了GL_REPLACE模式。下面我们我们准备在一个立方体上实现与GL_MODULATE等同的效果。两个shader只计算使用一个白色方向光的散射以及环境光成分，关于材质的完整定义请参照光照有关的章节。
因为使用了光照，所以顶点shader中必须处理法线信息。必须将法线变换到视图空间然后归一化，光线方向向量也必须归一化（光线方向向量已经由OpenGL变换到了视图空间）。现在新的顶点shader如下：

varying vec3 lightDir,normal;

void main()
{
    normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);

    lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[0].position));
    gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0;

    gl_Position = ftransform();
}

在片断shader中，光照得到的片断的颜色和alpha值在cf和af中分别计算。shader中剩余代码按照GL_MODULATE的公式计算：

varying vec3 lightDir,normal;
uniform sampler2D tex;

void main()
{
    vec3 ct,cf;
    vec4 texel;
    float intensity,at,af;

    intensity = max(dot(lightDir,normalize(normal)),0.0);
    cf = intensity * (gl_FrontMaterial.diffuse).rgb +
                  gl_FrontMaterial.ambient.rgb;
    af = gl_FrontMaterial.diffuse.a;

    texel = texture2D(tex,gl_TexCoord[0].st);
    ct = texel.rgb;
    at = texel.a;

    gl_FragColor = vec4(ct * cf, at * af);
}

Shader Designer的工程下载地址：
http://www.lighthouse3d.com/wp-content/uploads/2011/03/textureComb.zip

多重纹理
在GLSL中实现多重纹理十分容易，我们只需要访问所有纹理即可。因为我们打算给每个纹理使用相同的纹理坐标，所以顶点shader不需要改动。片断shader中只需要进行些许改动，加上多个纹理的颜色值。

varying vec3 lightDir,normal;
uniform sampler2D tex;

void main()
{
    vec3 ct,cf;
    vec4 texel;
    float intensity,at,af;

    intensity = max(dot(lightDir,normalize(normal)),0.0);
    cf = intensity * (gl_FrontMaterial.diffuse).rgb +
                  gl_FrontMaterial.ambient.rgb;
    af = gl_FrontMaterial.diffuse.a;

    texel = texture2D(tex,gl_TexCoord[0].st) +
          texture2D(l3d,gl_TexCoord[0].st);
    ct = texel.rgb;
    at = texel.a;

    gl_FragColor = vec4(ct * cf, at * af);
}

效果如下：

下面添加点不同的效果：在黑暗中发光。我们希望第二个纹理能在黑暗中发光，在没有光照时达到最亮，在有光照时变暗。

我们通过两步计算最终的颜色：首先将第一个纹理与片断颜色进行modulate计算，然后根据光照强度（indensity）加上第二个纹理单元。
如果indensity是0，第二个纹理单元取最大值，如果indensity为1，只取第二个纹理单元颜色的10%，当indensity在0和1之间时按这两个大小进行插值。可以使用smoothstep函数实现这个要求：

genType smoothStep(genType edge0, genType edge1, genType x);

如果x <= edge0结果是0，如果x >= edge1结果为1，如果edge0 < x < edge1结果在0和1之间进行Hermite插值。在本例中我们按如下方式调用：
coef = smoothStep(1.0, 0.2, intensity);
下面的片断shader实现了需要的效果：

varying vec3 lightDir,normal;
uniform sampler2D tex,l3d;

void main()
{
    vec3 ct,cf,c;
    vec4 texel;
    float intensity,at,af,a;

    intensity = max(dot(lightDir,normalize(normal)),0.0);

    cf = intensity * (gl_FrontMaterial.diffuse).rgb +
                      gl_FrontMaterial.ambient.rgb;
    af = gl_FrontMaterial.diffuse.a;

    texel = texture2D(tex,gl_TexCoord[0].st);

    ct = texel.rgb;
    at = texel.a;

    c = cf * ct;
    a = af * at;

    float coef = smoothstep(1.0,0.2,intensity);
    c += coef *  vec3(texture2D(l3d,gl_TexCoord[0].st));

    gl_FragColor = vec4(c, a);
}

Shader Designer的工程下载地址：
http://www.lighthouse3d.com/wp-content/uploads/2011/03/textureGlow.zip