六、纹理

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：

image.png

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);

如果选择GL_CLAMP_TO_BORDER选项，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

纹理是要贴到图形表面的，而图形上的pixel中心和纹理上的texel中心并不一至（pixel不一定对应texture上的采样中心texel），大小也不一定一致。当纹理大于图形表面时，导至一个像素被映射到许多纹理像素上；当维理小于三维图形表面时，许多个像素都映射到同一纹理。当这些情况发生时，贴图就会变得模糊或发生错位。要解决此类问题，必须通过技术平滑texel和pixel之间的对应。这种技术就是纹理滤波。

不同的过滤模式，计算复杂度不一样，会得到不同的效果。过滤模式由简单到复杂包括：Nearest Point Sampling（最近点采样）、Bilinear（双线性过滤）、Trilinear（三线性过滤）、Anisotropic Filtering（各向异性过滤）。

GL_NEAREST（Nearest Neighbor Filtering）是OpenGL默认的纹理过滤方式，是最近点采样。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：

image.png

GL_LINEAR（(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，是双线性过滤。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：

image.png

最近点采样产生了颗粒状的图案，我们能够清晰看到组成纹理的像素，而双线性过滤能够产生更平滑的图案，很难看出单个的纹理像素。

三线性过滤以双线性过滤为基础。会对pixel大小与texel大小最接近的两层Mipmap level分别进行双线性过滤，然后再对两层得到的结果进生线性插值（否则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）。

各向异性过滤用于三维图像显示，当需要贴图的三维表面平行于屏幕(viewport)，则是各向同性的。当要贴图的三维表面与屏幕有一定角度的倾斜，则是各向异性的。各向异性情况下三线性过滤效果不理想。（这里只知道个大概，还没接触过三维，没有详细了解）

Mipmap

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四分之一。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（ 比较当前pixel周边 (比如上下左右) 像素们的 uv变化量，然后取其中最大变化量，再取对数）。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。

mipmap会增加缓存命中率，如果没有mipmap 纹理很大，采样频率却很小的情况下，相邻的两个屏幕像素采样的纹素差的很远，此时会大大降低缓存命中率不过mipmap主要的作用也不是为了提高性能，主要目的还是为了提高质量，因为数据频率远高于采样频率，会导致严重的失真。

OpenGL有一个glGenerateMipmap函数，在创建完一个纹理后调用它OpenGL就会自动为创建的Texture生成mipmap的各级。

切换多级渐远纹理级别时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。还多了4中特有的过滤方式：

image.png

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，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_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

使用一个支持多种流行格式的图像加载库stb_image.h来解决不同图片格式的支持问题。

下载地址：https://github.com/nothings/stb/blob/master/stb_image.h

下载这一个头文件，将它以stb_image.h的名字加入你的工程，并另创建一个新的C++文件，输入以下代码：

#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image.h"

通过定义STB_IMAGE_IMPLEMENTATION，预处理器会修改头文件，让其只包含相关的函数定义源码，等于是将这个头文件变为一个 .cpp 文件了。现在只需要在你的程序中包含stb_image.h并编译就可以了。（PS：C++的东西忘记了，这里不清楚为啥）

获取生成纹理所需要的宽度、高度和颜色通道的个数：

int width, height, nrChannels;
stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
unsigned char *data = stbi_load("container.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);

生成纹理：

unsigned int textures[2];
glGenTextures(2, textures);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textures[0]);
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_MIPMAP_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
if (data)
{
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
}
else
{
    cout << "Filed to load texture1" << endl;
}

stbi_image_free(data);

glTexImage2D的参数：

image.png

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，我们必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。

应用纹理

使用glDrawElements绘制。

float vertices[] = {
    0.5f, -0.5f, 0.0f,      1.0f, 0.0f, 0.0f,   0.6f, 0.3f,
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,     0.0f, 1.0f, 0.0f,   0.3f, 0.3f,
    0.5f, 0.5f, 0.0f,       0.0f, 0.0f, 1.0f,   0.6f, 0.6f,
    -0.5f, 0.5f, 0.0f,      0.0f, 0.0f, 1.0f,   0.3f, 0.6f,
};
int indices[] = {
    0, 1, 2,
    1, 2, 3,
};

//中间代码省略
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(2);

//中间代码省略
glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

着色器：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPox;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;

out vec3 outColor;
out vec2 TexCoord;

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPox, 1.0);
    outColor = aColor;
    TexCoord = aTexCoord;
}

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 outColor;
in vec2 TexCoord;

uniform sampler2D ourTexture;

void main()
{
    FragColor = texture(ourTexture, TexCoord);
}

使用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。

我们还可以把得到的纹理颜色与顶点颜色混合，来获得更有趣的效果。我们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：

FragColor = texture(ourTexture, TexCoord) * vec4(outColor, 1.0);

纹理单元

一个纹理的位置值通常称为一个纹理单元(Texture Unit)。一个纹理的默认纹理单元是0，它是默认的激活纹理单元，所以前面部分没有给sampler2D变量分配一个位置值。

纹理单元的主要目的是让我们在着色器中可以使用多于一个的纹理。通过把纹理单元赋值给采样器，我们可以一次绑定多个纹理，只要我们首先激活对应的纹理单元。就像glBindTexture一样，我们可以使用glActiveTexture激活纹理单元，传入我们需要使用的纹理单元：

glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // 在绑定纹理之前先激活纹理单元
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[1]);

纹理单元GL_TEXTURE0默认总是被激活，所以在前面的例子里使用glBindTexture的时候，无需激活任何纹理单元。

OpenGL至少保证有16个纹理单元供你使用，也就是说你可以激活从GL_TEXTURE0到GL_TEXTRUE15。它们都是按顺序定义的，所以我们也可以通过GL_TEXTURE0 + 8的方式获得GL_TEXTURE8，这在当我们需要循环一些纹理单元的时候会很有用。

输出两个纹理的结合:

fragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), rate);

GLSL内建的mix函数需要接受两个值作为参数，并对它们根据第三个参数进行线性插值。如果第三个值是0.0，它会返回第一个输入；如果是1.0，会返回第二个输入值。0.2会返回80%的第一个输入颜色和20%的第二个输入颜色，即返回两个纹理的混合色。

还要通过使用glUniform1i设置每个采样器的方式告诉OpenGL每个着色器采样器属于哪个纹理单元。只需要设置一次即可，所以这个会放在渲染循环的前面：

Shader shader("vShader.txt", "fShader.txt");
shader.use();
shader.setInt("texture1", 0);
shader.setInt("texture2", 1);

OpenGL要求y轴0.0坐标是在图片的底部的，但是图片的y轴0.0坐标通常在顶部。很幸运，stb_image.h能够在图像加载时帮助我们翻转y轴，只需要在加载任何图像前加入以下语句即可：

stbi_set_flip_vertically_on_load(true);

六、纹理

纹理环绕方式

纹理过滤

Mipmap

加载与创建纹理

应用纹理

纹理单元

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