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OpenGL入门第七课--纹理

纹理坐标

       纹理可以理解为一个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;你可以想象纹理是一张绘有砖块的纸,无缝折叠贴合到你的3D的房子上,这样你的房子看起来就像有砖墙外表了。因为我们可以在一张图片上插入非常多的细节,这样就可以让物体非常精细真实。

       为了能够把纹理映射(Map)到物体上,我们需要让物体的每个顶点各自对应纹理的相应部分。这样每个顶点就会关联着一个纹理坐标(Texture Coordinate),用来标明从该纹理图像的哪个部分采样。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。下面的图片展示了我们是如何把纹理坐标映射到三角形上的。

                                    

        给三角形指定了3个纹理坐标点。如上图所示,三角形的左下角对应纹理的左下角,因此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)。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。

       事实上纹理坐标只是一种映射关系,对于花纹相似的纹理其实只要保证纹理映射不重叠不交叉就行,并不是只有一种映射关系。

纹理的环绕方式

        纹理坐标的范围通常是从(0, 0)到(1, 1),但是如果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(忽略浮点纹理坐标的整数部分),但OpenGL还提供其他的环绕方式:

     

      当纹理坐标超出默认范围时,每个选项都有不同的视觉效果输出。如下图:

   

     可以使用glTexParameter*函数对单独的一个坐标轴设置环绕方式:

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_MIRRORED_REPEAT);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_MIRRORED_REPEAT);复制代码

      其中第一个参数(GL_TEXTURE_2D)指定了纹理目标是2D纹理,第二个参数 GL_TEXTURE_WRAP_S  和  GL_TEXTURE_WRAP_T分别代表X和Y轴,如果是使用3D纹理那么还有个R轴和Z轴对应。S、T、R它们和X、Y、Z是等价的。最后一个参数需要传递一个环绕方式(Wrapping)。

纹理的过滤方式

      纹理坐标不依赖于分辨率,它可以是任意浮点值,想象一下假设有个很大的物体但是纹理的分辨率很低的时候怎么办?所以OpenGL需要知道怎样将纹理像素映射到纹理坐标。OpenGL提供了纹理过滤来解决这个问题。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。

      GL_NEAREST(也叫邻近过滤)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)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。

                                     

       那么这两种纹理过滤方式有怎样的视觉效果呢?让我们看看在一个很大的物体上应用一张低分辨率的纹理会发生什么。

                 

       GL_NEAREST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GL_LINEAR能够产生更平滑的图案,很难看出单个的纹理像素。GL_LINEAR可以产生更真实的输出,但有些开发者更喜欢GL_NEAREST

       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);复制代码

多级渐远纹理

        假设在一个包含着上千物体的大房间里,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,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:

              

        手工为每个纹理图像创建一系列多级渐远纹理很麻烦,幸好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。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NEARESTLINEAR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:


      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);复制代码

      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。

相关API介绍

与纹理相关的API多而且复杂,这里对相对较常用的API做一个简单介绍,方便后面使用。

像素的存储方式

// 改变像素存储方式
glPixelStorei(GLenum pname, GLint param);

// 恢复像素存储值方式
glPixelStoref(GLenum pname, GLint param);
/*
参数1: 指定OpenGL如何从数据缓冲区中解包图像数据
参数2: 允许设置的值,包括: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)
*/
// 比如想要改成紧密包装像素数据glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);  复制代码

        这里需要简单解释一下何为紧密包装。图像数据在内存中很少以紧密包装的形式存在。在许多硬件平台上,处于性能考虑,一幅图像的每一行都应该从一种特定的字节对齐地址开始。绝大多数编译器会自动把变量和缓冲区放置在一个针对该架构对齐优化的地址上。默认情况下,OpenGL采用4个字节的对齐方式,这种方式适合于很多目前正在使用时的系统。

       而所谓紧密包装就是指采用1字节对齐方式存储的。比如Targa(.TGA)文件格式就是1个字节排列的。所以简单的认为”图像的宽度(单位像素)乘以图像的高度(单位像素)再乘以每个每个像素所占的字节数就是一个图像所需的存储器数量“是不严谨的。比如一幅RGB图像,包含3个颜色分量,每个分量都存储在一个字节中(每个颜色通道8位),如果图像的宽度为199个像素,那么图像的每一行需要多少存储空间呢?按照上面的算法来计算:199*3 = 597字节这样也许是对的,但是作为优秀的程序员,可能会讨厌这个数字。如果硬件本身的体系结构是4字节排列(大部分是这样的),那么图像每一行的末尾都将有额外的3个空字节进行填充(每一行600字节),而这是为了使每一行的存储器地址从一个能够被4整除的地址开始。

从颜色缓存区内容中直接读取像素 

       像素图在内存布局上与位图非常相似,但是每个像素将需要一个以上的存储位来表示。每个像素的附加位允许存储强度(亮度)或者颜色分量值。

void glReadPixels(GLint x,GLint y,GLSizei width,GLSizei height, 
GLenum format, GLenum type,const void * pixels);
						//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2
//参数7:pixels,指向图形数据的指针		glReadBuffer(mode);//指定读取的缓存						glWriteBuffer(mode);//指定写入的缓存
复制代码

       

                                                                         表1-像素格式

                

                                                         表2-像素数据的数据类型 

从TGA⽂件中读取像素图

       上文已经说到过TGA文件其实是一种紧密排列的文件,1字节对齐,比较节省内存。那么从TAG文件读取像素就得用下面这个函数了

GLbyte *gltReadTGABits(const char *szFileName, GLint *iWidth, GLint *iHeight, 
GLint*iComponents, GLenum *eFormat);
/*
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:纹理单元存储的颜色组成
参数5:文件格式地址
返回值:指向图像数据的指针
*/复制代码

载入纹理

       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。纹理图像可能被储存为各种各样的格式,每种都有自己的数据结构和排列,所以我们如何才能把这些图像加载到应用中呢?

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',用来指定是1D纹理还是2D纹理还是3D纹理;
 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:分别指加载纹理的宽度、⾼度、深度.值得注意的是这些值必须是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的整数次方了。
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:允许为纹理贴图指定⼀个边界宽度;
format、type、data:与上文讲glReadPixels函数的参数意义相同。
*/	复制代码

更新纹理

      在利用多张纹理的场景中比如游戏等重复加载新纹理可能会成为性能瓶颈。 如果我们不再需要某个已加载的纹理,它可以被全部替换,也可以被替换掉一部分。替换一个纹理图像要比直接使用上文中说到的glTexImage直接加载纹理要快得多。相关函数如下: 

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)复制代码

     和载入纹理glTexImage相比更新纹理多了Offset偏移量这个参数,分别表示在原纹理的基础上需要更新的区域的偏移量。另外,width、height、depth分别表示需要更新的宽高和深度。有这几个参数就能确认需要更新的位置和大小。比如要完全更新掉一个纹理可以将偏移量offset全部设置为0,宽高和深度设置为与源纹理相同的即可。

从颜色缓冲区加载纹理数据

     除了可以从纹理图像文件中载入纹理外,我们还可以直接从颜色缓冲区加载纹理数据,并将他们作为一个新的纹理使用。

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);		复制代码

     这里的参数x,y表示在颜色缓存区中开始读取纹理数据的位置; 缓存区里的数据,是原缓存区通过glReadBuffer设置的 。需要注意的是不存在glCopyTextImage3D ,因为我们无法从2D 颜色缓存区中获取体积数据。 

操作颜色缓冲区里的数据形成新的纹理

      与更新纹理类似,我们可以直接读取颜色缓冲区并更新替换其中的一部分纹理数据。

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);复制代码

     虽然由于无法从2D颜色缓存区中获取体积数据,不存在glCopyTextImage3D ,但是我们可以用颜色缓冲区里的数量填充一个三维纹理单元。故而是存在glCopyTexSubImage3D函数的。

纹理对象

     在我们的代码中是用一个符号整形数来标识一个纹理对象。

//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);

//绑定纹理状态
//参数1: GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
//参数2: 需要绑定的纹理对象
void glBindTexture(GLenum target, GLunit texture);

//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);

//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);复制代码

     glGenTextures生成纹理(用一个无符号整型数据来表示这个纹理),  OpenGL转态机允许我们加载多个纹理,那么怎么从各个纹理直接切换,以及为各个纹理设置参数等,这就需要用到绑定纹理glBindTexture,相应的也有删除绑定glDeleteTextures。另外纹理是否可用可以用glIsTexture来检测。

     绑定纹理之后就可以为该纹理设置相关参数了,比如上文介绍的纹理过滤方式、纹理环绕方式等等。



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