为GLUT应用编写TGA图像加载程序
GLUT是学习OpenGL编程时一个很好的助手。但它缺乏相应的图像加载功能。这使得我们在学习与研究诸如纹理贴图等内容时，不免显得有些尴尬 —— 要么坚持使用GLUT而不得不忍受在内存中手工生成简单图像的窘境，要么放弃使用GLUT而转向使用Cocoa或MFC等庞大类库。如果选择了后者，看似解决了这个问题，但我们学习研究的方向恐怕会不知不觉地从OpenGL转向Cocoa或MFC了。并且，我们的OpenGL应用也将不得不绑定于特定平台，最终丧失了借助GLUT跨越平台的优越性。
OpenGL是使用C语言来制定的编程接口。利用C语言简单、灵活、强大的语言特性，我们可以很轻松地编写图像加载程序。
难点在于图像文件的格式可能很复杂。但TGA类型的图像文件则属例外。它的格式比较简单，但足以胜任类似纹理贴图等任务。
下面是一个名为c1.tga的图像文件。
下面是其格式在Xcode中的十六进制显示。
当然，对于人类来讲，直接看懂这些内容是勉为其难的。所以上图只作感性认识。遇到不懂的地方就去查字典，而网络时代最好的字典就是维基百科了（抱歉，这里仅指英文版的，中文的维基自愿者太少了）。http://en.wikipedia.org/wiki/Truevision_TGA较为详细地介绍了TGA的格式。根据该内容，我们很容易就能识破TGA的天机。
TGA的结构分为必备部分与可选部分。本文只讨论必备部分。必备部分又包括头部与实际内容部分。先看头部部分。
| 字段编号 | 长度 | 字段名 | 简介 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1字节 | Id长度 | ID字段的长度 |
| 2 | 1字节 | 颜色表类型 | 是否包含颜色表 |
| 3 | 1字节 | 图像类型 | 压缩及颜色类型 |
| 4 | 5字节 | 颜色表规范 | 颜色表的细节 |
| 5 | 10字节 | 图像规范 | 图像大小及格式 |
其中，颜色表规范的5字节又分为下表中的3个子字段。
| 长度 | 字段名 | 简介 |
|---|---|---|
| 2字节 | 第一个条目的索引值 | 在颜色表中的偏移位置 |
| 2字节 | 颜色表长度 | 条目数量 |
| 1字节 | 颜色表条目的大小 | 每像素多少位 |
图像规范的10字节又分为下表中的6个子字段。
| 长度 | 字段名 | 简介 |
|---|---|---|
| 2字节 | X-origin | 左下角（原点）的绝对坐标值 |
| 2字节 | Y-origin | 左下角（原点）的绝对坐标值 |
| 2字节 | 图像宽度 | 以像素为单位 |
| 2字节 | 图像高度 | 以像素为单位 |
| 1字节 | 像素深度 | 每像素多少位 |
| 1字节 | 图像描述符 | 3-0位代表alpha通道深度，5-4位代表方向 |
结合上述3表，比照TGA内容的十六进制的表示，您能找出规律吗？
十六进制表中，每两个数字为1字节。字段编号1的长度为1字节，因此，十六进制表中的第一个“00”就是Id长度。第二个“00”就是字段编号2的颜色表类型，接下来的“02”即是图像类型，表示它是无压缩的真彩图像。后面的5个“00”，对应于表格2的内容，其值全为0，说明这个TGA图像没有颜色表。接着的4个“00”，表示图像的原点坐标。而“46”“00”，合并后成为“0046”，根据表3，是图像宽度，十进制为70。后面的“002E”，是图像高度，十进制为46。这两组数字表示TGA图像的大小是70 X 46。“18”是像素深度，十进制为24，表示图像是24位真彩。接下来的“00”表示该图像没有alpha通道。
表格1、2、3解释了TGA图像的头部部分。接下来又该是什么了？我们来看第4个表格。
| 字段编号 | 长度 | 字段名 | 简介 |
|---|---|---|---|
| 6 | 来自于Id长度字段 | 图像的ID | 可选字段，包括一些标识信息 |
| 7 | 来自于颜色表规范字段 | 颜色表数据 | 包含颜色表数据的查询表 |
| 8 | 来自于图像规范字段 | 图像数据 | 根据图像描述符所存储的图像内容 |
字段编号为6、7的字段都是可选的。上面的c1.tga文件就没有这方面的信息。因此，没有这两个字段的存储空间。字段编号8的内容，就是我们最关心的，即图像本身的内容。因此，在十六进制表中，从第2行的“44 58 4C”开始，一直到结束，全部都是图像的内容。当然，我们的肉眼看不出这些数字到底画了什么，但计算机自有识别它们的解码方法。
以上4个表格是实现本文功能的基础。或许，作为程序员，看懂这些表格实属不易。那么，我们来看看用代码如何重现这些表格吧。
//
// tga.h
//
// Created by Sarkuya on 12-4-27.
// Copyright (c) 2012年 Sarkuya. All rights reserved.
//
#ifndef _tga_h
#define _tga_h
#ifndef __glut_h__
#if defined(__APPLE__) || defined(MACOSX)
# include <GLUT/GLUT.h>
#else
# if defined(_WIN32)
# include <GL/freeglut.h>
# endif
#endif
#endif /* __glut_h__ */
typedef struct {
GLushort firstEntryIndex;
GLushort length;
GLubyte entrySize;
} TGA_COLOR_MAP_SPEC;
typedef struct {
GLushort xOrigin;
GLushort yOrigin;
GLushort imageWidth;
GLushort imageHeight;
GLubyte pixelDepth;
GLubyte imageDescriptor;
} TGA_IMAGE_SPEC;
typedef struct {
GLubyte idLength;
GLubyte colorMapType;
GLubyte imageType;
TGA_COLOR_MAP_SPEC colorMapSpec;
TGA_IMAGE_SPEC imageSpec;
} TGA_HEADER;
typedef struct {
TGA_HEADER header;
GLubyte* imageData;
} TGA_IMAGE;
void loadTGA(const char* fileName, TGA_IMAGE* tgaImage);
void releaseTGA(TGA_IMAGE* tgaImage);
#endif /* _tga_h */
TGA_HEADER对应于表格1。idLength, colorMapType, imageType的长度均为1字节，故用GLubyte的数据类型。colorMapSpec及imageSpec均有子字段，故根据这些子字段的长度及名称，另外定义了TGA_COLOR_MAP_SPEC及TGA_IMAGE_SPEC的结构，分别对应于表格2和表格3。4个表格加起来，代表了整个TGA图像的全部内容，所以用TGA_IMAGE来表示。
在这个tga.h的头文件中，仅声明了两个方法。loadTGA用以加载图像，releaseTGA用以释放图像所占空间的资源。
关于tga.h的头文件，还有两点需要说明。首先，由于GLUT在其头文件中自动包括了OpenGL应用所需的主要文件，因此，只要将GLUT.h包含进来，就可以减轻我们的编程负荷。freeglut由于与目前的Mac OS X存在一些不兼容的地方，因此，在Mac OS X中则使用系统自带的GLUT，而Windows则可以较方便地安装使用freeglut。
其次，我们在tga.h中使用了OpenGL特有的GLubyte, GLushort等数据类型，是经过慎重选择的。从上面各个表格可以看出，图像文件的格式信息，都是通过字节，甚至是位的方式来存储的。因此，我们需要以字节作为基本单位与之打交道。但由于C语言的int, short, long等数据类型在各平台的实现中字长可以不一致，因此我们不能断定一个int到底包括了多少个字节。而OpenGL的GLubyte, GLushort等数据类型则完全以字长为标准来定义，因此非常符合本文中的场合。在计算机中，由于char是最小的存储单位，我们可以通过“多少个char”这种方式来逐步检索图像内容。下面您将看到如何做到这一点。
给定了数据结构，我们可以编写算法了。
#include "tga.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <limits.h>
void loadTGA(const char* fileName, TGA_IMAGE* tgaImage)
{
FILE* fp = NULL;
fp = fopen(fileName, "r");
if (fp == NULL) {
fprintf(stderr, "Error opening file!\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
fscanf(fp, "%c%c%c%2c%2c%c%2c%2c%2c%2c%c%c",
&(tgaImage->header.idLength),
&(tgaImage->header.colorMapType),
&(tgaImage->header.imageType),
&(tgaImage->header.colorMapSpec.firstEntryIndex),
&(tgaImage->header.colorMapSpec.length),
&(tgaImage->header.colorMapSpec.entrySize),
&(tgaImage->header.imageSpec.xOrigin),
&(tgaImage->header.imageSpec.yOrigin),
&(tgaImage->header.imageSpec.imageWidth),
&(tgaImage->header.imageSpec.imageHeight),
&(tgaImage->header.imageSpec.pixelDepth),
&(tgaImage->header.imageSpec.imageDescriptor)
);
//assume we get the color map of 0, image type of 2
if (tgaImage->header.colorMapType != 0 && tgaImage->header.imageType != 2) {
fprintf(stderr, "Unimplemented TGA type Found!");
exit(EXIT_FAILURE);
}
int imageWidth = tgaImage->header.imageSpec.imageWidth;
int imageHeight = tgaImage->header.imageSpec.imageHeight;
int totalPixels = imageWidth * imageHeight;
int bytesPerPixels = tgaImage->header.imageSpec.pixelDepth / CHAR_BIT;
int totalBytes = totalPixels * bytesPerPixels;
int imageSize = totalPixels * tgaImage->header.imageSpec.pixelDepth;
tgaImage->imageData = (GLubyte*) malloc(imageSize);
char formatStr[20];
sprintf(formatStr, "%%%dc", totalBytes);
fscanf(fp, formatStr, tgaImage->imageData);
fclose(fp);
}
void releaseTGA(TGA_IMAGE* tgaImage)
{
printf("releasing tga...\n");
if (tgaImage->imageData != NULL) {
free(tgaImage->imageData);
tgaImage->imageData = NULL;
}
}
在loadTGA函数中，我们使用fscanf函数将TGA图像的头部部分的信息一次性地扫进tgaImage的header结构。此功能还可以通过getc(), fgetc(), fgets()等函数来实现，但显而易见，桂冠非fscanf()莫属。在fscanf()函数的格式字符串中，通过“%c”, “%2c”这种方式，严格依照4表的字节数依序进行扫描并赋与相应的变量。程序是以字节（即char, 或unsigned char）为基本单位而扫描的，那么在程序中是否需要将这些字节转换为其他数据类型？不需要。计算机内存中实际上只是连续或间断地存储“0”、“1”两种数字，只要它知道从哪个地址开始、偏移多少位的特定空间存储了何种数据类型的数据就足够了。它并不关心这个空间段到底是由多少个char，或是多少个int组成。连取2个char（共16位）的数据赋值于一个GLushort的变量，我们回头既可以取出char的数据，又可取出GLushort的数据。这是C语言中数据转换的自由。当然，我们甚至可以取出long的数据，但long的数据可能将随后的不明内存空间的内容也捎带出来，因此这种作法非常危险。
由于未有更多时间加以完善，loadTGA函数目前只能处理没有颜色表、且图像类型是非压缩的真彩TGA图像。如果遇到例外，则打印未实现的消息后强行退出程序。有兴趣的读者可以自己试着完善。
在存储图像时，我们先算出图像共有多少个像素，求得其占用内存的总空间并分配内存空间，再求出这些像素共多少个字节，然后以字节为单位，依次存入tgaImage的imageData中。
releaseTGA()负责将imageData所占用的空间释放。
现在，我们可以在实战中检测其功效了。下面的代码是一段功能完整的代码，使用上面的代码加载一个TGA图像（图像来源于OpenGL Super Bible的一个随盘文件）来作为纹理贴图。
//
// TGADemo.c
// TGALoader
//
// Created by Sarkuya on 12-4-27.
// Copyright (c) 2012年 Sarkuya. All rights reserved.
//
#include "tga.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int winWidth = 1024;
int winHeight = 1024;
TGA_IMAGE tgaImage;
struct {
GLenum code;
char* msg;
} g_gl_error_table[] = {
GL_NO_ERROR, "GL_NO_ERROR",
GL_INVALID_ENUM, "GL_INVALID_ENUM",
GL_INVALID_VALUE, "GL_INVALID_VALUE",
GL_INVALID_OPERATION, "GL_INVALID_OPERATION",
GL_STACK_OVERFLOW, "GL_STACK_OVERFLOW",
GL_STACK_UNDERFLOW, "GL_STACK_UNDERFLOW",
GL_OUT_OF_MEMORY, "GL_OUT_OF_MEMORY"
};
void checkGLErrors(void)
{
GLenum result = glGetError();
if (result != GL_NO_ERROR) {
fprintf(stderr, "Error occurs! The error code is: %d\n", result);
int errorcodecounts = sizeof(g_gl_error_table) / sizeof(g_gl_error_table[0]);
for (int i = 0; i < errorcodecounts; i++) {
if (result == g_gl_error_table[i].code) {
fprintf(stderr, "And the error enum is: %s\n", g_gl_error_table[i].msg);
}
}
}
}
void init(void)
{
glShadeModel(GL_SMOOTH);
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
char* pathName = "";
char* fileName = "brick.tga";
#if defined(__APPLE__) || defined(MACOSX)
pathName = "/Volumes/MAC Data/Programming TestField/XcodeProjects/C/TGADemo/TGADemo/";
#else
# if defined(_WIN32)
pathName = "";
# endif
#endif
char pathFileName[255];
sprintf(pathFileName, "%s%s", pathName, fileName);
loadTGA(pathFileName, &tgaImage);
GLsizei imgWidth, imgHeight;
imgWidth = tgaImage.header.imageSpec.imageWidth;
imgHeight = tgaImage.header.imageSpec.imageHeight;
glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, imgWidth,
imgHeight, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE,
tgaImage.imageData);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_DECAL);
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
}
void display(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
gluLookAt( 2.0, 0.0, 4.0,
-0.5, 0.0, 0.0,
0.0, 1.0, 0.0);
glBegin(GL_QUADS);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 0.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( 0.0f, -1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(0.0f, -1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(0.0f, 1.0f, -2.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(0.0f, -1.0f, -2.0f);
glEnd();
glutSwapBuffers();
checkGLErrors();
}
void reshape(int width, int height)
{
glViewport(0, 0, (GLsizei) width, (GLsizei) height);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(35.0, (GLdouble) width / (GLdouble) height, 1.0, 30.0);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
}
void keyboard(unsigned char key, int x, int y)
{
switch (key) {
case 27:
exit(EXIT_SUCCESS);
break;
default:
break;
}
}
int main(int argc, char** argv)
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
glutInitWindowPosition((glutGet(GLUT_SCREEN_WIDTH) - winWidth) / 2,
(glutGet(GLUT_SCREEN_HEIGHT) - winHeight) / 2);
glutInitWindowSize(winWidth, winHeight);
glutCreateWindow("TGA DEMO");
glutReshapeFunc (reshape);
glutDisplayFunc(display);
glutKeyboardFunc(keyboard);
init();
glutMainLoop();
releaseTGA(&tgaImage);
return EXIT_SUCCESS;
}
两点需要注意。一是Xcode项目要读取特定文件，需要对此文件使用绝对路径引用，而Visual Studio则可以直接放在与源文件同一路径下。代码反映了这种情况。二是由于GLUT的lgutMainLoop()函数一旦进入就不能再返回，因此程序中的releaseTGA()函数实际上是无法被调用的。freeglut可以解决这个问题。
程序运行后渲染的效果如下图。
您看，即便是GLUT，也可以拥有绚丽多彩的真实世界了。
[本文调试环境：Xcode V4.3, Mac OS X Lion.]