OpenGL之纹理过滤（Texture Filtering）、MipMap方法、纹理坐标

1.1 纹理过滤

像素、片元都是具有面积的，一个像素可能对应物体上的一小块区域，而物体上这个小区域对应于纹理图像上的一个小区域，因此一个像素的颜色可能来自于纹理中的一小个不规则区域，如果纹理的分辨率比较高，则这个区域可能包含多个纹元（纹理中的单元，即纹元），由这几个纹元的颜色确定这个像素的颜色的过程就叫做纹理过滤。

1.2 一个像素一般不会正好对应于一个纹元（texel）。所以像素的颜色无法直接得到，需要经过一定的运算，这个过程就是纹理过滤。

1.3 纹理过滤的几种情况

• GL_TEXTURE_MAG_FILTER，如下左边；
• GL_TEXTUER_MIN_FILTER，如下右边；
  

纹理过滤的几种方式:

• GL_NEAREST：选择距像素中心距离最小的texel的颜色作为像素的颜色；
• GL_LINAR：选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色；对于上述第一中情况，将会考虑邻居纹元的颜色；

采样上述方式，远处纹理会出现如下错误。

1.4 MipMap方法

当一个屏幕像素覆盖的纹理区域大于4个纹元甚至更多的时候，采用4个邻居的加权平均值作为像素颜色是不合理的。

1.4.1 mipmap方法

• 首先对纹理进行预处理，生成不同分辨率的版本；
• 纹理过滤时，首先选取合适的分辨率，然后进行Linear过滤；
  
  假设，一个像素覆盖了四个纹元，那么就选择$\frac{1}{4}$那张分辨率的图片就行。如果一个像素覆盖了的纹元数量在4~16之间，那么就在$\frac{1}{4}$和$\frac{1}{16}$分辨率的图片各取一个值做加权平均即可。

1.4.2 对于GL_TEXTURE_MIN_FILTER方式，才需要采用mipmap方式。

如下、各种方式，远处的效果，近处采用的都是相同的方式，主要对比远处，可知GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR效果最优，也被称做三线性过滤。

1.4.3 mipmap层 的选择由系统自动完成，采用计算一个像素与其所覆盖的纹理区域的面积比例（取x、y方向上的最大缩放值），由此选定mipmap层。

1.4.4 mipmap的生成

• 可以调用gluScaleImage()来逐级生成；
• 通过glTexImage2D(GLenum target,GLint level,…)来进行加载；

更常用的方法是，调用如下方法，就可以生成所以mipmap层级并加载。

int gluBuild2DMipmaps(GLenum target,GLint components,GLint width,GLint height,GLenum fromat,GLenum type,const void* data);

//在OpenGL3.0之后，这个函数被提升到了核心库中；
glGenerateMimmap(GLenum target);

1.4.5 Mipmap存在的问题

• 如果覆盖区域非常狭长，与正方形相差较大，效果不好。
• 正方形、圆形各个法向尺度一样，为各向同性滤波；
• 克服上述问题，可以采用各向异性滤波，即可以采用长方形来过滤；
  
  如上图，途中黑白格为长方形时，采用各向异性滤波效果最优。

1.5 纹理坐标

做纹理映射，需要知道纹理坐标。纹理坐标可以自己指定、从模型文件中读取，也可以采用OpenGL自动生成纹理坐标。OpenGL中提供了五种自动生成纹理坐标的方式：

• GL_OBJECT_LINEAR :
  • 设置三维空间中的一个平面；
  • 计算当前顶点与该平面的距离；
  • 以此距离作为一维纹理中的纹理位置，如果是二维纹理，则可以为s和t分别设置一个平面；
    

三维空间中的一个平面由(p1,p2,p3,p4)四个参数即可确定一个平面，即：
$p1\ast x+p2\ast y+p3\ast z+p4=0$，三维空间中顶点到平面的距离计算为：
$d=p1\ast x+p2\ast y+p3\ast z+p4$，则GL_OBJECT_LINEAR中的纹理坐标计算：

$g=p1\ast x+p2\ast y+p3\ast z+p4\ast w$，一般w为1，即齐次坐标，则g就是距离。

• GL_EYE_LINEAR ：
  

1.5.1 操作步骤为：

指定坐标生成模式

在OpenGL中，(x，y，z，w)表示的是顶点，(s，t，r，q)表示的是纹理坐标，（u，v，w）可以表示纹理坐标。

指定参参考平面的参数：

打开纹理自动生成的开关：

1.5.2 更常用的纹理坐标自动生成为：

• GL_SPHERE_MAP
• GL_REFLECTION_MAP
• GL_NORMAL_MAP

可以实现类似于环境映射的效果，把环境映射到模型表面。