纹理是一个2D图片(甚至也有1D和3D的纹理),它可以用来添加物体的细节。
为了能够把纹理映射(Map)到三角形上,我们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),用来标明该从纹理图像的哪个部分采样(译注:采集片段颜色)。之后在图形的其它片段上进行片段插值(Fragment Interpolation)。
纹理坐标在x和y轴上,范围为0到1之间(注意我们使用的是2D纹理图像
使用纹理坐标获取纹理颜色叫做采样(Sampling)
纹理坐标起始于(0, 0),也就是纹理图片的左下角,终始于(1, 1),即纹理图片的右上角
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?OpenGL默认的行为是重复这个纹理图像(我们基本上忽略浮点纹理坐标的整数部分),但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)
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_MIRRORED_REPEAT);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_MIRRORED_REPEAT);
- 第一个参数指定了纹理目标;我们使用的是2D纹理,因此纹理目标是GL_TEXTURE_2D。
- 第二个参数需要我们指定设置的选项与应用的纹理轴。我们打算配置的是
WRAP
选项,并且指定S
和T
轴。 - 最后一个参数需要我们传递一个环绕方式(Wrapping),在这个例子中OpenGL会给当前激活的纹理设定纹理环绕方式为
GL_MIRRORED_REPEAT
。
如果我们选择GL_CLAMP_TO_BORDER
选项,我们还需要指定一个边缘的颜色。这需要使用glTexParameter
函数的fv
后缀形式,用GL_TEXTURE_BORDER_COLOR
作为它的选项,并且传递一个float数组作为边缘的颜色值:
float borderColor[] = { 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f };
glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, borderColor);
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,也叫Texel)映射到纹理坐标。当你有一个很大的物体但是纹理的分辨率很低的时候这就变得很重要了。你可能已经猜到了,OpenGL也有对于纹理过滤(Texture Filtering)的选项。纹理过滤有很多个选项,但是现在我们只讨论最重要的两种:GL_NEAREST
和GL_LINEAR
。
Texture Pixel也叫Texel,你可以想象你打开一张.jpg格式图片,不断放大你会发现它是由无数像素点组成的,这个点就是纹理像素;注意不要和纹理坐标搞混,纹理坐标是你给模型顶点设置的那个数组,OpenGL以这个顶点的纹理坐标数据去查找纹理图像上的像素,然后进行采样提取纹理像素的颜色。
-
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:
-
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:
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。这段代码看起来会和纹理环绕方式的设置很相似:
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
多级渐远纹理(mipmap)
它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:
OpenGL有一个glGenerateMipmaps
函数,在创建完一个纹理后调用它OpenGL就会承担接下来的所有工作了。无需手动创建mipmap。
在渲染中切换多级渐远纹理级别(Level)时,OpenGL在两个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 |
就像纹理过滤一样,我们可以使用glTexParameteri
将过滤方式设置为前面四种提到的方法之一:
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
一个常见的错误是,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,为放大过滤设置多级渐远纹理的选项会产生一个GL_INVALID_ENUM
错误代码。
加载与创建纹理
使用纹理之前要做的第一件事是把它们加载到我们的应用中。
这里使用stb_image.h
库。
stb_image.h
要使用stb_image.h加载图片,我们需要使用它的stbi_load
函数:
int width, height, nrChannels;
unsigned char *data = stbi_load("container.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。我们之后生成纹理的时候会用到的图像的宽度和高度的。
生成纹理
和之前生成的OpenGL对象一样,纹理也是使用ID引用的。让我们来创建一个:
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(我们的例子中只是单独的一个unsigned int
),就像其他对象一样,我们需要绑定它,让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);
现在纹理已经绑定了,我们可以使用前面载入的图片数据生成一个纹理了。纹理可以通过glTexImage2D
来生成:
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
函数很长,参数也不少,所以我们一个一个地讲解:
- 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)。