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OpenGL-06-Texture

纹理


纹理坐标

纹理坐标看起来就像这样:

float texCoords[] = {
    0.0f, 0.0f, // 左下角
    1.0f, 0.0f, // 右下角
    0.5f, 1.0f // 上中
};

我们用纹理坐标获取纹理颜色,我们需要指定三角形的顶点对应的纹理的哪一部分,这样每个顶点就会关联着一个纹理坐标,用来标明该从纹理图像的哪个部分采样,我们只需要向顶点着色器提供顶点的纹理坐标,接下来它们会被传入片段着色器中进行片段插值

纹理环绕方式

纹理坐标的范围通常是(0,0)到(1,1),如果我们把纹理坐标设置在范围之外时,OpenGL为我们提供了一些选项来设置范围外显示的图像

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。

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。我们来看看这些纹理图像的例子:

img

OpenGL提供了glTexParameter函数帮助我们设置这些选项

纹理过滤

纹理坐标可以是任意浮点数,不依赖与分辨率,当图像放大或缩小时,纹理坐标的中心不一定正对着像素的中心,因此在贴图时会产生一定的偏差,这时我们就需要在纹理映射的过程中进行一定的处理,这就是纹理过滤

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:

img

GL_LINEAR(也叫(双)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:

img

GL_NEAREST会产生颗粒状的图案,而GL_LINEAR能够产生更平滑的图案,也更加符合真实世界的输出。

多级渐远纹理

在纹理缩放的过程中还有一种常用的技术:多级渐远纹理,多级渐远纹理技术将原纹理提前用滤波处理来得到更小的图像,形成一个图像金字塔,每一层都是对上一层直接采样的结果。在实时运行时,就可以快速得到像素的颜色

OpenGL提供了glTexParameter()函数帮助我们设置这些选项

加载和创建纹理

stb_image.hSean Barrett的一个非常流行的单头文件图像加载库,它能够加载大部分流行的文件格式,并且能够很简单得整合到你的工程之中。

在程序开头,包含加载纹理所用的头文件

#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image.h"

生成一个纹理的过程应该看起来像这样:

unsigned int texture;
glGenTextures(1, &texture);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

// 为当前绑定的纹理对象设置环绕、过滤方式
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);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

// 加载并生成纹理
int width, height, nrChannels;
unsigned char *data = stbi_load("container.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
if (data)
{
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
}
else
{
    std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
}

stbi_image_free(data);

应用纹理

我们需要告知OpenGL如何采样纹理,所以我们必须使用纹理坐标更新顶点数据:

float vertices[] = {
//     ---- 位置 ----       ---- 颜色 ----     - 纹理坐标 -
     0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, 0.0f,   1.0f, 1.0f,   // 右上
     0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 1.0f, 0.0f,   1.0f, 0.0f,   // 右下
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.0f, 1.0f,   0.0f, 0.0f,   // 左下
    -0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f    // 左上
};

随后,我们必须告诉OpenGL我们新的顶点格式

...
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(2);
...

在顶点着色器和片段着色器中设置属性

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;//纹理坐标

out vec3 ourColor;
out vec2 TexCoord;

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor;
    TexCoord = aTexCoord;
}
#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 ourColor;
in vec2 TexCoord;

uniform sampler2D ourTexture;//采样器

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

我们可以简单声明一个uniform sampler2D把一个纹理添加到片段着色器中

我们使用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。

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,所以前面部分我们没有分配一个位置值。

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);

激活纹理单元之后,接下来的glBindTexture函数调用会绑定这个纹理到当前激活的纹理单元,纹理单元GL_TEXTURE0默认总是被激活,所以我们在前面的例子里当我们使用glBindTexture的时候,无需激活任何纹理单元。

我们仍然需要编辑片段着色器来接收另一个采样器。这应该相对来说非常直接了:

#version 330 core
...

uniform sampler2D texture1;
uniform sampler2D texture2;

void main()
{
    FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.2);
}

为了使用第二个纹理(以及第一个),我们必须改变一点渲染流程,先绑定两个纹理到对应的纹理单元,然后定义哪个uniform采样器对应哪个纹理单元:

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);

glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

我们还要通过使用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。我们只需要设置一次即可,所以这个会放在渲染循环的前面:

testShader.use(); 
glUniform1i(glGetUniformLocation(testShader->ID, "texture1"), 0);
glUniform1i(glGetUniformLocation(testShader->ID, "texture2"), 1);

while(...) 
{
    [...]
}

通过使用glUniform1i设置采样器,我们保证了每个uniform采样器对应着正确的纹理单元

.. ... ...