OpenGL -- 如何添加纹理以及金字塔添加纹理案例解析

一、纹理的简单介绍

1，什么是纹理？

纹理其实是一个图片，通俗点讲就是绘制图形的时候在它的表面附着的一层图片。在OpenGL中有个TGA文件，这个文件一般是由设计提供给开发者的，在iOS中我们使用的OpenGLES中使用PNG、JPEG就可以。

2，图像是怎么进行存储的呢？

图像的存储和图像的本身有关，我们需要知道图像本身的高度、宽度、每个像素的字节数；可以总结为图像存储空间=图像的高度*图像的宽度*每个像素的字节数。

二、纹理相关的函数介绍

2.1像素存储方式相关

//改变像素存储⽅式
void glPixelStorei(GLenum pname,GLint param);
//恢复像素存储⽅式
void glPixelStoref(GLenum pname,GLfloat param);
//举例：
//参数1：GL_UNPACK_ALIGNMENT 指定OpenGL 如何从数据缓存区中解包图像数据
//参数2：表示参数GL_UNPACK_ALIGNMENT 设置的值
//GL_UNPACK_ALIGNMENT 指内存中每个像素⾏起点的排列请求，允许设置为1 （byte排列）、2（排列为偶数byte的⾏）、4（字word排列）、8（⾏从双字节边界开始）
glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT,1);

2.2从颜⾊缓存区内容作为像素图直接读取

//参数1：x,矩形左下⻆的窗⼝坐标
//参数2：y,矩形左下⻆的窗⼝坐标
//参数3：width,矩形的宽，以像素为单位
//参数4：height,矩形的⾼，以像素为单位
//参数5：format,OpenGL 的像素格式，参考 表6-1
//参数6：type,解释参数pixels指向的数据，告诉OpenGL 使⽤缓存区中的什么数据类型来存储颜⾊分量，像素数据的数据类型，参考表6-2
//参数7：pixels,指向图形数据的指针
void glReadPixels(GLint x,GLint y,GLSizei width,GLSizei height, GLenum format, GLenum type,const void * pixels);
// 指定读取的缓存
glReadBuffer(mode);
//指定写⼊的缓存
glWriteBuffer(mode);

2.3 载入纹理

void glTexImage1D(GLenum target,GLint level,GLint internalformat,GLsizei width,GLint border,GLenum 
format,GLenum type,void *data);

void glTexImage2D(GLenum target,GLint level,GLint 
internalformat,GLsizei width,GLsizei height,GLint 
border,GLenum format,GLenum type,void * data);


void glTexImage3D(GLenum target,GLint level,GLint 
internalformat,GLSizei width,GLsizei height,GLsizei 
depth,GLint border,GLenum format,GLenum type,void *data); 

* target:`GL_TEXTURE_1D`、`GL_TEXTURE_2D`、`GL_TEXTURE_3D`。 
* Level:指定所加载的mip贴图层次。⼀般我们都把这个参数设置为0。
* internalformat:每个纹理单元中存储多少颜⾊成分。
* width、height、depth参数:指加载纹理的宽度、⾼度、深度。==注意！==这些值必须是2的整数次⽅。（这是因为OpenGL 旧版本上的遗留下的⼀个要求。当然现在已经可以⽀持不是2的整数次⽅。但是开发者们还是习惯使⽤以2的整数次⽅去设置这些参数。）
* border参数:允许为纹理贴图指定⼀个边界宽度。
* format、type、data参数：与我们在讲glDrawPixels 函数对于的参数相同

2.4 更新纹理

下面的函数参数和载入问题的参数相同

void glTexSubImage1D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLsizei width,GLenum format,GLenum type,const GLvoid *data);


void glTexSubImage2D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLint yOffset,GLsizei 
width,GLsizei height,GLenum format,GLenum type,const GLvoid *data);


void glTexSubImage3D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLint yOffset,GLint 
zOffset,GLsizei width,GLsizei height,GLsizei depth,Glenum type,const GLvoid * data);

2.5插入替换纹理

void glCopyTexSubImage1D(GLenum target,GLint level,GLint xoffset,GLint x,GLint y,GLsizei width);

void glCopyTexSubImage2D(GLenum target,GLint level,GLint xoffset,GLint yOffset,GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei height);


void glCopyTexSubImage3D(GLenum target,GLint level,GLint xoffset,GLint yOffset,GLint zOffset,GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei height);

2.6 使⽤颜⾊缓存区加载数据,形成新的纹理使⽤

void glCopyTexImage1D(GLenum target,GLint level,GLenum 
internalformt,GLint x,GLint y,GLsizei width,GLint border);

void glCopyTexImage2D(GLenum target,GLint level,GLenum 
internalformt,GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei 
height,GLint border);
x,y 在颜⾊缓存区中指定了开始读取纹理数据的位置；
缓存区⾥的数据，是源缓存区通过glReadBuffer设置的。
注意不存在glCopyTextImage3D ，因为我们⽆法从2D 颜⾊缓存区中获取体积数据。

三、纹理对象

3.1使用函数分配纹理对象、指定纹理对象的数量和指针（指针指向一个无符号整形数组，由纹理对象标识符填充）

void glGenTextures(GLsizei n,GLuint * textTures);

3.2绑定纹理状态

//参数target:GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
//参数texture:需要绑定的纹理对象
void glBindTexture(GLenum target,GLunit texture);

3.3删除绑定纹理对象

• 纹理对象 以及 纹理对象指针（指针指向⼀个⽆符号整形数组，由纹理对象标识符填充）。

void glDeleteTextures(GLsizei n,GLuint *textures);

3.4测试纹理对象是否有效

• 如果texture是⼀个已经分配空间的纹理对象，那么这个函数会返回GL_TRUE,否则会返回GL_FALSE。

GLboolean glIsTexture(GLuint texture);

3.5设置纹理参数

glTexParameterf(GLenum target,GLenum pname,GLFloat param);

glTexParameteri(GLenum target,GLenum pname,GLint param);

glTexParameterfv(GLenum target,GLenum pname,GLFloat *param);

glTexParameteriv(GLenum target,GLenum pname,GLint *param);

参数1:target,指定这些参数将要应⽤在那个纹理模式上，⽐如GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D。

参数2:pname,指定需要设置哪个纹理参数

参数3:param,设定特定的纹理参数的值

3.6设置过滤方式

邻近过滤(GL_NEAREST)和 线性过滤(GL_LINEAR)

//纹理放⼤时,使⽤线性过滤
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR) ;

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR);

3.7设置环绕方式

参数1：GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
参数2：GL_TEXTURE_WRAP_S、GL_TEXTURE_T、GL_TEXTURE_R,针对s,t,r坐标
参数3：GL_REPEAT、GL_CLAMP、GL_CLAMP_TO_EDGE、GL_CLAMP_TO_BORDER

GL_REPEAT:OpenGL 在纹理坐标超过1.0的⽅向上对纹理进⾏重复；

GL_CLAMP:所需的纹理单元取自纹理边界或TEXTURE_BORDER_COLOR。

GL_CLAMP_TO_EDGE环绕模式强制对范围之外的纹理坐标沿着合法的纹理单元的最后⼀⾏或者最后⼀列来进⾏采样。

GL_CLAMP_TO_BORDER:在纹理坐标在0.0到1.0范围之外的只使⽤边界纹理单元。边界纹理单元是作为围绕基本图像的额外的⾏和列，并与基本纹理图像⼀起加载的。

glTextParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAR_S,GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTextParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAR_T,GL_CLAMP_TO_EDGE);

截屏2020-07-20 16.54.19.png

表6-1OpenGL像素格式

表6-2像素数据的数据类型

四、金字塔案例解析

效果图

• 先绘制金字塔
• 设置纹理坐标并且将金字塔添加纹理

#include "GLTools.h"
#include "GLShaderManager.h"
#include "GLFrustum.h"
#include "GLBatch.h"
#include "GLFrame.h"
#include "GLMatrixStack.h"
#include "GLGeometryTransform.h"

#ifdef __APPLE__
#include 
#else
#define FREEGLUT_STATIC
#include 
#endif

GLShaderManager        shaderManager;
GLMatrixStack        modelViewMatrix;
GLMatrixStack        projectionMatrix;
GLFrame                cameraFrame;
GLFrame             objectFrame;
GLFrustum            viewFrustum;

GLBatch             pyramidBatch;

//纹理变量，一般使用无符号整型
GLuint              textureID;

GLGeometryTransform    transformPipeline;
M3DMatrix44f        shadowMatrix;

void MakePyramid(GLBatch& pyramidBatch)
{
    /*1、通过pyramidBatch组建三角形批次
     参数1：类型
     参数2：顶点数
     参数3：这个批次中将会应用1个纹理
     注意：如果不写这个参数，默认为0。
     */
    pyramidBatch.Begin(GL_TRIANGLES, 18,1);
    /* 2)设置纹理坐标
     void MultiTexCoord2f(GLuint texture, GLclampf s, GLclampf t);
     参数1：texture，纹理层次，对于使用存储着色器来进行渲染，设置为0
     参数2：s：对应顶点坐标中的x坐标
     参数3：t:对应顶点坐标中的y
     (s,t,r,q对应顶点坐标的x,y,z,w)
     
     pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0,s,t);
     
     3)void Vertex3f(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);
     void Vertex3fv(M3DVector3f vVertex);
     向三角形批次类添加顶点数据(x,y,z);
     pyramidBatch.Vertex3f(-1.0f, -1.0f, -1.0f);
     
     */
    //塔顶
    M3DVector3f vApex = { 0.0f, 1.0f, 0.0f };
    M3DVector3f vFrontLeft = { -1.0f, -1.0f, 1.0f };
    M3DVector3f vFrontRight = { 1.0f, -1.0f, 1.0f };
    M3DVector3f vBackLeft = { -1.0f,  -1.0f, -1.0f };
    M3DVector3f vBackRight = { 1.0f,  -1.0f, -1.0f };
    
    //金字塔底部
    //底部的四边形相当于三角形X + 三角形Y
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackLeft);
    
    //vBackRight
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackRight);
    
    //vFrontRight
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 1.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontRight);
    
    
    //三角形Y =(vFrontLeft,vBackLeft,vFrontRight)
    //vFrontLeft
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 1.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontLeft);
    
    //vBackLeft
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackLeft);
    
    //vFrontRight
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 1.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontRight);
    
    //设置纹理坐标
    //金字塔前面
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.5,  1);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vApex);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontLeft);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontRight);
    
    //金字塔左边
    //三角形：（vApex, vBackLeft, vFrontLeft）
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.5f, 1.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vApex);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackLeft);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontLeft);
    
    //金字塔右边
    //三角形：（vApex, vFrontRight, vBackRight）
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.5f, 1.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vApex);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vFrontRight);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackRight);
    
    //金字塔后边
    //三角形：（vApex, vBackRight, vBackLeft）
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.5f, 1.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vApex);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 0.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackRight);
    
    pyramidBatch.MultiTexCoord2f(0, 1.0f, 0.0f);
    pyramidBatch.Vertex3fv(vBackLeft);
    
    //结束批次类的设置
    pyramidBatch.End();
    
    
}
// 将TGA文件加载为2D纹理。
bool LoadTGATexture(const char *szFileName, GLenum minFilter, GLenum magFilter, GLenum wrapMode){
    GLbyte *pBits;
    int nWidth, nHeight, nComponents;
    GLenum eFormat;
    //1、读纹理位，读取像素
    //参数1：纹理文件名称
    //参数2：文件宽度地址
    //参数3：文件高度地址
    //参数4：文件组件地址
    //参数5：文件格式地址
    //返回值：pBits,指向图像数据的指针
    pBits = gltReadTGABits(szFileName, &nWidth, &nHeight,&nComponents,&eFormat);
    
    if(pBits == NULL)
        return false;
    //2、设置纹理参数
    //参数1：纹理维度
    //参数2：为S/T坐标设置模式
    //参数3：wrapMode,环绕模式
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, wrapMode);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, wrapMode);
    //参数1：纹理维度
    //参数2：线性过滤
    //参数3: 缩小/放大过滤方式.
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, minFilter);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, magFilter);
    
    //3.载入纹理
    //参数1：纹理维度
    //参数2：mip贴图层次
    //参数3：纹理单元存储的颜色成分（从读取像素图是获得）
    //参数4：加载纹理宽
    //参数5：加载纹理高
    //参数6：加载纹理的深度
    //参数7：像素数据的数据类型（GL_UNSIGNED_BYTE，每个颜色分量都是一个8位无符号整数）
    //参数8：指向纹理图像数据的指针
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, nComponents, nWidth, nHeight,0 , eFormat, GL_UNSIGNED_BYTE, pBits);
    //使用完毕释放pBits
    free(pBits);
    //只有minFilter 等于以下四种模式，才可以生成Mip贴图
    //GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST具有非常好的性能，并且闪烁现象非常弱
    //GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST常常用于对游戏进行加速，它使用了高质量的线性过滤器
    //GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR 和GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR 过滤器在Mip层之间执行了一些额外的插值，以消除他们之间的过滤痕迹。
    //GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR 三线性Mip贴图。纹理过滤的黄金准则，具有最高的精度。
    if(minFilter == GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR ||
       minFilter == GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST ||
       minFilter == GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR ||
       minFilter == GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST)
        //4.纹理生成所有的Mip层
        //参数：GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
        glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    
    return true;
}

//窗口大小改变时接受新的宽度和高度，其中0,0代表窗口中视口的左下角坐标，w，h代表像素

void ChangeSize(int w,int h)

{
    
    glViewport(0,0, w, h);
    //创建投影矩阵
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w)/float(h), 1.0f, 100);
    //加载到投影矩阵上
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    //设置变换管道以使用两个矩阵堆栈（变换矩阵modelViewMatrix ，投影矩阵projectionMatrix）
    //初始化GLGeometryTransform 的实例transformPipeline.通过将它的内部指针设置为模型视图矩阵堆栈 和 投影矩阵堆栈实例，来完成初始化
    //当然这个操作也可以在SetupRC 函数中完成，但是在窗口大小改变时或者窗口创建时设置它们并没有坏处。而且这样可以一次性完成矩阵和管线的设置。
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
    
    
}

//为程序作一次性的设置

void SetupRC()

{
    glClearColor(0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f );
    shaderManager.InitializeStockShaders();
    
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    //分配纹理对象
    //分配纹理对象 参数1:纹理对象个数，参数2:纹理对象指针
    
    glGenTextures(1, &textureID);
    //绑定纹理对象
    //绑定纹理状态 参数1：纹理状态2D 参数2：纹理对象
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
    //将TGA文件加载为2D纹理。
    //参数1：纹理文件名称
    //参数2&参数3：需要缩小&放大的过滤器
    //参数4：纹理坐标环绕模式
    LoadTGATexture("floor.tga", GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST, GL_LINEAR, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    
    //创建金字塔
    MakePyramid(pyramidBatch);
    /**相机frame MoveForward(平移)
     参数1：Z，深度（屏幕到图形的Z轴距离）
     */
    cameraFrame.MoveForward(-10);
    
    
    
}
// 清理…例如删除纹理对象
void ShutdownRC(void)
{
    glDeleteTextures(1, &textureID);
}


//开始渲染

void RenderScene(void)

{
    
    //1.颜色值&光源位置
    static GLfloat vLightPos [] = { 1.0f, 1.0f, 0.0f };
    static GLfloat vWhite [] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };
    
    //2.清理缓存区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
    //当前模型压栈
    modelViewMatrix.PushMatrix();
    //添加照相机矩阵
    M3DMatrix44f mCamera;
    //从camraFrame中获取一个4*4的矩阵
    cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera);
    //矩阵乘以矩阵堆栈顶部矩阵，相乘结果存储到堆栈的顶部 将照相机矩阵 与 当前模型矩阵相乘 压入栈顶
    modelViewMatrix.MultMatrix(mCamera);
    
    //创建mObjectFrame矩阵
    M3DMatrix44f mObjectFrame;
    //从objectFrame中获取矩阵，objectFrame保存的是特殊键位的变换矩阵
    objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame);
    //矩阵乘以矩阵堆栈顶部矩阵，相乘结果存储到堆栈的顶部 将世界变换矩阵 与 当前模型矩阵相乘 压入栈顶
    modelViewMatrix.MultMatrix(mObjectFrame);
    
    //绑定纹理因为我们的项目中只有一个纹理。如果有多个纹理。绑定纹理很重要
    
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
    
    
    // 纹理替换矩阵着色器
    /*
     参数1：GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE（着色器标签）
     参数2：模型视图投影矩阵
     参数3：纹理层
     */
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), 0);
    
    //绘制
    pyramidBatch.Draw();
    //模型出栈
    modelViewMatrix.PopMatrix();
    //交换缓冲区
    glutSwapBuffers();
    
    
    
}
void SpecialKeys(int key, int x, int y)
{
    if(key == GLUT_KEY_UP)
        objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_DOWN)
        objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_LEFT)
        objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_RIGHT)
        objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    
    glutPostRedisplay();
}


int main(int argc,char* argv[])

{
    
    //设置当前工作目录，针对MAC OS X
    
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
    
    //初始化GLUT库
    
    glutInit(&argc, argv);
    
    /*初始化双缓冲窗口，其中标志GLUT_DOUBLE、GLUT_RGBA、GLUT_DEPTH、GLUT_STENCIL分别指
     
     双缓冲窗口、RGBA颜色模式、深度测试、模板缓冲区*/
    
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE|GLUT_RGBA|GLUT_DEPTH|GLUT_STENCIL);
    
    //GLUT窗口大小，标题窗口
    
    glutInitWindowSize(800,800);
    glutCreateWindow("Pyramid");
    glutReshapeFunc(ChangeSize);
    glutSpecialFunc(SpecialKeys);
    glutDisplayFunc(RenderScene);
    
    GLenum err = glewInit();
    if (GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    
    
    SetupRC();
    
    glutMainLoop();
    
    ShutdownRC();
    
    return 0;
    
}