OpenGL纹理贴图
OpenGL纹理
- 1. 基本概念
- 2. 纹理环绕方式
- 3. 纹理过滤
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- 3.1 GL_NEAREST
- 3.2 GL_LINEAR
- 3.3 多级渐远纹理 (Mipmap)
- 4. 纹理加载与创建
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- 4.1 纹理加载
- 4.2 纹理创建
- 4.3 纹理的使用
1. 基本概念
纹理是一个2D图片（甚至也有1D和3D的纹理），它可以用来表示物体的细节特征，希望绘制一个有足够多细节的物体，当然可以用足够多的顶点颜色来描述，但是无疑也增加了许多额外的开销；另一种办法就是使用纹理。
学习之前先展示一张实现的纹理图以更好理解纹理！
还是这张图为了将纹理映射到三角形上，需要指定三角形的每个顶点各自对应纹理的哪个部分，这样每个顶点就会关联着一个纹理坐标(Texture Coordinate)，之后在图形的其它片段上进行片段插值(Fragment Interpolation)。用来标明该从纹理图像的哪个部分采样。实现的纹理三角形图片如图所示：
2D的纹理坐标在x和y轴上，范围为0到1之间，起始点(0,0)起始于左下角。为三角形指定了3个纹理坐标点。如上图所示，我们希望三角形的左下角对应纹理的左下角，因此我们把三角形左下角顶点的纹理坐标设置为(0, 0)；三角形的上顶点对应于图片的上中位置所以我们把它的纹理坐标设置为(0.5, 1.0)；同理右下方的顶点设置为(1, 0)。我们只要给顶点着色器传递这三个纹理坐标就行了，接下来它们会被传片段着色器中，它会为每个片段进行纹理坐标的插值。
纹理坐标：
float texCoords[] = {
0.0f, 0.0f, // 左下角
1.0f, 0.0f, // 右下角
0.5f, 1.0f // 上中
};
2. 纹理环绕方式
纹理坐标的范围通常是从(0, 0)到(1, 1)，那如果我们把纹理坐标设置在范围之外会发生什么？试试看：
对于纹理坐标将其扩大两倍得到的图如下所示：
float vertices[] = {
// positions // colors // texture coords
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 2.0f, 2.0f, // top right
0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 2.0f, 0.0f, // bottom right
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // bottom left
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 2.0f // top left
};
此外，OpenGL提供了更多的选择
| 环绕方式 | 描述 |
|---|---|
| GL_REPEAT | 对纹理的默认行为。重复纹理图像。 |
| GL_MIRRORED_REPEAT | 和GL_REPEAT一样，但每次重复图片是镜像放置的。 |
| GL_CLAMP_TO_EDGE | 纹理坐标会被约束在0到1之间，超出的部分会重复纹理坐标的边缘，产生一种边缘被拉伸的效果。 |
| GL_CLAMP_TO_BORDER | 超出的坐标为用户指定的边缘颜色。 |
前面提到的每个选项都可以使用glTexParameter*函数对单独的一个坐标轴设置（s、t（如果是使用3D纹理那么还有一个r）它们和x、y、z是等价的）：
使用GL_MIRRORED_REPEAT实现镜像
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_MIRRORED_REPEAT);// S轴
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT); // T轴
使用GL_CLAMP_TO_EDGE实现边缘拉伸
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
使用GL_CLAMP_TO_BORDER实现超出部分用户指定颜色填充
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
默认为黑色！
设置填充颜色为白色
float borderColor[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };
glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, borderColor);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER); // set texture wrapping to GL_REPEAT (default wrapping method)
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
3. 纹理过滤
纹理坐标不依赖于分辨率(Resolution)，它可以是任意浮点值，所以OpenGL需要知道怎样将纹理像素(Texture Pixel)映射到纹理坐标，主要考虑两种方式 GL_NEAREST和GL_LINEAR
3.1 GL_NEAREST
GL_NEAREST（也叫邻近过滤，Nearest Neighbor Filtering）是OpenGL默认的纹理过滤方式。当设置为GL_NEAREST的时候，OpenGL会选择中心点最接近纹理坐标的那个像素。下图中你可以看到四个像素，加号代表纹理坐标。左上角那个绿色纹理像素的中心距离纹理坐标最近，所以它会被选择为样本颜色：
3.2 GL_LINEAR
GL_LINEAR（也叫线性过滤，(Bi)linear Filtering）它会基于纹理坐标附近的纹理像素，计算出一个插值，近似出这些纹理像素之间的颜色。一个纹理像素的中心距离纹理坐标越近，那么这个纹理像素的颜色对最终的样本颜色的贡献越大。下图中你可以看到返回的颜色是邻近像素的混合色：
| GL_NEAREST颗粒状 | GL_LINEAR平滑 |
|---|---|
当进行放大(Magnify)和缩小(Minify)操作的时候可以设置纹理过滤的选项，比如你可以在纹理被缩小的时候使用邻近过滤，被放大时使用线性过滤。我们需要使用glTexParameter*函数为放大和缩小指定过滤方式。
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
3.3 多级渐远纹理 (Mipmap)
假设我们有一个包含着上千物体的场景，每个物体上都有纹理。有些物体会很远，但其纹理会拥有与近处物体同样高的分辨率。由于远处的物体可能只产生很少的片段，OpenGL从高分辨率纹理中为这些片段获取正确的颜色值就很困难，因为它需要对一个跨过纹理很大部分的片段只拾取一个纹理颜色。在小物体上这会产生不真实的感觉，更不用说对它们使用高分辨率纹理浪费内存的问题了。
OpenGL使用一种叫做多级渐远纹理(Mipmap)的概念来解决这个问题，简单来说就是一系列的纹理图像，后一个纹理图像是前一个的二分之一。多级渐远纹理背后的理念很简单：距观察者的距离超过一定的阈值，OpenGL会使用不同的多级渐远纹理，即最适合物体的距离的那个。由于距离远，解析度不高也不会被用户注意到。同时，多级渐远纹理另一加分之处是它的性能非常好。让我们看一下多级渐远纹理是什么样子的：
在渲染中切换多级渐远纹理级别(Level)时，OpenGL在不同级别的多级渐远纹理层之间会产生不真实的生硬边界。就像普通的纹理过滤一样，切换多级渐远纹理级别时你也可以在两个不同多级渐远纹理级别之间使用NEAREST和LINEAR过滤。为了指定不同多级渐远纹理级别之间的过滤方式，你可以使用下面四个选项中的一个代替原有的过滤方式：
| 过滤方式 | 描述 |
|---|---|
| GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST | 使用最邻近的多级渐远纹理来匹配像素大小，并使用邻近插值进行纹理采样 |
| GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST | 使用最邻近的多级渐远纹理级别，并使用线性插值进行采样 |
| GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR | 在两个最匹配像素大小的多级渐远纹理之间进行线性插值，使用邻近插值进行采样 |
| GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR | 在两个邻近的多级渐远纹理之间使用线性插值，并使用线性插值进行采样 |
注意：一个常见的错误，将放大过滤的选项设置为多级渐远纹理过滤选项之一。这样没有任何效果，因为多级渐远纹理主要是使用在纹理被缩小的情况下的：纹理放大不会使用多级渐远纹理
4. 纹理加载与创建
4.1 纹理加载
本文使用 stb_image.h加载大部分流行的图片文件格式
使用stb_image.h加载图片，需要使用它的stbi_load函数：
int width, height, nrChannels;
unsigned char *data = stbi_load("xingkong.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
这个函数首先接受一个图像文件的位置作为输入。接下来它需要三个int作为它的第二、第三和第四个参数，stb_image.h将会用图像的宽度、高度和颜色通道的个数填充这三个变量。
4.2 纹理创建
和生成OpenGL对象一样，纹理也是使用ID引用的。纹理创建：
unsigned int texture;
glGenTextures(1, &texture);
glGenTextures函数首先需要输入生成纹理的数量，然后把它们储存在第二个参数的unsigned int数组中，像其他对象一样，我们需要绑定它，之后任何的纹理指令都可以配置当前绑定的纹理：
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
绑定完纹理之后，可以使用前面载入的图片生成纹理。纹理可以通过函数glTexImage2D来生成：
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
参数解释：
- 第一个参数指定了纹理目标(Target)。设置为GL_TEXTURE_2D意味着会生成与当前绑定的纹理对象在同一个目标上的纹理（任何绑定到GL_TEXTURE_1D和GL_TEXTURE_3D的纹理不会受到影响）。
- 第二个参数为纹理指定多级渐远纹理的级别，如果你希望单独手动设置每个多级渐远纹理的级别的话。这里我们填0，也就是基本级别。
- 第三个参数告诉OpenGL我们希望把纹理储存为何种格式。我们的图像只有
RGB值，因此我们也把纹理储存为RGB值。 - 第四个和第五个参数设置最终的纹理的宽度和高度。我们之前加载图像的时候储存了它们，所以我们使用对应的变量。
- 第六个参数应该总是被设为
0（历史遗留的问题）。 - 第七第八个参数定义了源图的格式和数据类型。我们使用RGB值加载这个图像，并把它们储存为
char(byte)数组，我们将会传入对应值。 - 最后一个参数是真正的图像数据。
当调用glTexImage2D时，当前绑定的纹理对象就会被附加上纹理图像。然而，目前只有基本级别(Base-level)的纹理图像被加载了，如果要使用多级渐远纹理，须手动设置所有不同的图像（不断递增第二个参数）。或者，直接在生成纹理之后调用glGenerateMipmap。这会为当前绑定的纹理自动生成所有需要的多级渐远纹理。
生成了纹理和相应的多级渐远纹理后，应该释放图像的内存。
stbi_image_free(data);
生成纹理过程：
unsigned int texture;
glGenTextures(1, &texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
// 为当前绑定的纹理对象设置环绕、过滤方式
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
// 加载并生成纹理
int width, height, nrChannels;
unsigned char *data = stbi_load("xingkong.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
if (data)
{
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
}
else
{
std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
}
stbi_image_free(data);
4.3 纹理的使用
将纹理坐标也加入顶点数据中，如下所示：
float vertices[] = {
// ---- 位置 ---- ---- 颜色 ---- - 纹理坐标 -
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, // 右上
0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 右下
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左下
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f // 左上
};
由于添加了额外的顶点属性，必须告诉OpenGL我们新的顶点格式：
步长参数为8 * sizeof(float)，(void*)X 偏移量，对应代码做相应的调整
// position attribute 坐标位置
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// color attribute 颜色
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);
// texture coord attribute 纹理坐标
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(2);
修改顶点着色器
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;
out vec3 ourColor;
out vec2 TexCoord;
void main()
{
gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
ourColor = aColor;
TexCoord = aTexCoord;
}
片段着色器应该把输出变量TexCoord作为输入变量；GLSL有一个供纹理对象使用的内建数据类型，叫做采样器(Sampler)，它以纹理类型作为后缀，例子中使用的为sampler2D 我们可以简单声明一个uniform sampler2D把一个纹理添加到片段着色器中，稍后我们会把纹理赋值给这个uniform。
修改片段着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 ourColor;
in vec2 TexCoord;
uniform sampler2D ourTexture;
void main()
{
FragColor = texture(ourTexture, TexCoord);
}
GLSL内建的texture函数来采样纹理的颜色，它第一个参数是纹理采样器，第二个参数是对应的纹理坐标。texture函数会使用之前设置的纹理参数对相应的颜色值进行采样。这个片段着色器的输出就是纹理的（插值）纹理坐标上的(过滤后的)颜色。
最后是渲染循环
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);自动把纹理赋值给片段着色器的采样器 sampler2D
glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);//使用EBO
附上实现的代码：
#include 还可以把得到的纹理颜色与顶点颜色混合，获得有趣的效果。
具体实现只需把纹理颜色与顶点颜色在片段着色器中相乘来混合二者的颜色：
代码如下：
FragColor = texture(ourTexture, TexCoord) * vec4(ourColor, 1.0);
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