OpenGL学习脚印: 二维纹理映射(2D textures)

写在前面 
在继续讨论模型变换等其他包含数学内容的部分之前，本节介绍二维纹理映射，为后面学习做一个准备。纹理映射本身也是比较大的主题，本节只限于讨论二维纹理的基本使用，对于纹理映射的其他方法，后面会继续学习。可以从我的github下载本节代码。

通过本节可以了解到

纹理映射的概念和原理二维纹理映射的处理方法使用纹理增加物体表面细节

要使渲染的物体更加逼真，一方面我们可以使用更多的三角形来建模，通过复杂的模型来逼近物体，但是这种方法会增加绘制流水线的负荷，而且很多情况下不是很方便的。使用纹理，将物体表面的细节映射到建模好的物体表面，这样不仅能使渲染的模型表面细节更丰富，而且比较方便高效。纹理映射就是这样一种方法，在程序中通过为物体指定纹理坐标，通过纹理坐标获取纹理对象中的纹理，最终显示在屏幕区域上，已达到更加逼真的效果。

纹素(texel)和纹理坐标

使用纹素这个术语，而不是像素来表示纹理对象中的显示元素，主要是为了强调纹理对象的应用方式。纹理对象通常是通过纹理图片读取到的，这个数据保存到一个二维数组中，这个数组中的元素称为纹素(texel)，纹素包含颜色值和alpha值。纹理对象的大小的宽度和高度应该为2的整数幂，例如16, 32, 64, 128, 256。要想获取纹理对象中的纹素，需要使用纹理坐标(texture coordinate)指定。

纹理坐标应该与纹理对象大小无关，这样指定的纹理坐标当纹理对象大小变更时，依然能够工作，比如从256x256大小的纹理，换到512x256时，纹理坐标依然能够工作。因此纹理坐标使用规范化的值，大小范围为[0,1]，纹理坐标使用uv表示，如下图所示(来自:Basic Texture Mapping): 

u轴从左至右，v轴从底向上指向。右上角为(1,1)，左下角为(0,0)。 
通过指定纹理坐标，可以映射到纹素。例如一个256x256大小的二维纹理，坐标(0.5,1.0)对应的纹素即是(128,256)。(256x0.5 = 128, 256x1.0 = 256)。

纹理映射时只需要为物体的顶点指定纹理坐标即可，其余部分由片元着色器插值完成，如下图所示(来自A textured cube)： 

模型变换和纹理坐标

所谓模型变换，就是对物体进行缩放、旋转、平移等操作，后面会着重介绍。当对物体进行这些操作时，顶点对应的纹理坐标不会进行改变，通过插值后，物体的纹理也像紧跟着物体发生了变化一样。如下图所示为变换前物体的纹理坐标(来自:Basic Texture Mapping): 

经过旋转等变换后，物体和对应的纹理坐标如下图所示，可以看出上面图中纹理部分的房子也跟着发生了旋转。(来自:Basic Texture Mapping): 

注意 有一些技术可以使纹理坐标有控制地发生改变，本节不深入讨论，这里我们的纹理坐标在模型变换下保持不变。

创建纹理对象

创建纹理对象的过程同前面讲述的创建VBO，VAO类似：

   GLuint textureId;
   glGenTextures(1, &textureId);
   glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);

这里我们绑定到GL_TEXTURE_2D目标，表示二维纹理。

WRAP参数

上面提到纹理坐标(0.5, 1.0)到纹素的映射，恰好为(128,256)。如果纹理坐标超出[0,0]到[1,1]的范围该怎么处理呢？ 这个就是wrap参数由来，它使用以下方式来处理：

GL_REPEAT:坐标的整数部分被忽略，重复纹理，这是OpenGL纹理默认的处理方式.GL_MIRRORED_REPEAT: 纹理也会被重复，但是当纹理坐标的整数部分是奇数时会使用镜像重复。GL_CLAMP_TO_EDGE: 坐标会被截断到[0,1]之间。结果是坐标值大的被截断到纹理的边缘部分，形成了一个拉伸的边缘(stretched edge pattern)。GL_CLAMP_TO_BORDER: 不在[0,1]范围内的纹理坐标会使用用户指定的边缘颜色。

当纹理坐标超出[0,1]范围后，使用不同的选项，输出的效果如下图所示(来自Textures objects and parameters)：

在OpenGL中设置wrap参数方式如下：

   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);

上面的几个选项对应的都是整数，因此使用glTexParameteri来设置。

Filter参数

当使用纹理坐标映射到纹素数组时，正好得到对应纹素的中心位置的情况，很少出现。例如上面的(0.5,1.0)对应纹素(128,256)的情况是比较少的。如果纹理坐标映射到纹素位置(152.34,745.14)该怎么办呢 ?

一种方式是对这个坐标进行取整，使用最佳逼近点来获取纹素，这种方式即点采样(point sampling)，也就是最近邻滤波( nearest neighbor filtering)。这种方式容易导致走样误差，明显有像素块的感觉。最近邻滤波方法的示意图如下所示(来自A Textured Cube)： 
 
图中目标纹素位置，离红色这个纹素最近，因此选择红色作为最终输出纹素。

另外还存在其他滤波方法，例如线性滤波方法(linear filtering)，它使用纹素位置(152.34,745.14)附近的一组纹素的加权平均值来确定最终的纹素值。例如使用 ( (152,745), (153,745), (152,744) and (153,744) )这四个纹素值的加权平均值。权系数通过与目标点(152.34,745.14)的距离远近反映，距离(152.34,745.14)越近，权系数越大，即对最终的纹素值影响越大。线性滤波的示意图如下图所示(来自A Textured Cube)： 
 
图中目标纹素位置周围的4个纹素通过加权平均计算出最终输出纹素。

还存在其他的滤波方式，如三线性滤波(Trilinear filtering)等，感兴趣的可以参考texture filtering wiki。最近邻滤波和线性滤波的对比效果如下图所示(来自Textures objects and parameters)：

可以看出最近邻方法获取的纹素看起来有明显的像素块，而线性滤波方法获取的纹素看起来比较平滑。两种方法各自有不同的应用场合，不能说线性滤波一定比最近邻滤波方法好，例如要制造8位图形效果(8 bit graphics,每个像素使用8位字节表示)需要使用最近邻滤波。作为一个兴趣了解，8位图形效果看起来也是很酷的（可以查看Welcome 8-bit, Pixel-Art Images Gallery!)获得更多8位图形），例如下面这张使用Excel制作的8位图(来自Excel is a great for making 8 bit graphics!)： 

另外一个问题是，纹理应用到物体上，最终要绘制在显示设备上，这里存在一个纹素到像素的转换问题。有三种情形（参考自An Introduction to Texture Filtering）：

一个纹素最终对应屏幕上的多个像素 这称之为放大(magnification)一个纹素对应屏幕上的一个像素 这种情况不需要滤波方法一个纹素对应少于一个像素，或者说多个纹素对应屏幕上的一个像素 这个称之为缩小(minification) 
放大和缩小的示意图如下： 

在OpenGL中通过使用下面的函数，为纹理的放大和缩小滤波设置相关的控制选项：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, 
    GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, 
    GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

其中GL_LINEAR对应线性滤波，GL_NEAREST对应最近邻滤波方式。

使用Mipmaps

考虑一个情景：当物体在场景中离观察者很远，最终只用一个屏幕像素来显示时，这个像素该如何通过纹素确定呢？如果使用最近邻滤波来获取这个纹素，那么显示效果并不理想。需要使用纹素的均值来反映物体在场景中离我们很远这个效果，对于一个 256×256的纹理，计算平均值是一个耗时工作，不能实时计算，因此可以通过提前计算一组这样的纹理用来满足这种需求。这组提前计算的按比例缩小的纹理就是Mipmaps。Mipmaps纹理大小每级是前一等级的一半，按大小递减顺序排列为：

原始纹理 256×256Mip 1 = 128×128Mip 2 = 64×64Mip 3 = 32×32Mip 4 = 16×16Mip 5 = 8×8Mip 6 = 4×4Mip 7 = 2×2Mip 8 = 1×1

OpenGL会根据物体离观察者的距离选择使用合适大小的Mipmap纹理。Mipmap纹理示意图如下所示（来自wiki Mipmap）： 
 
OpenGL中通过函数glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);来生成Mipmap，前提是已经指定了原始纹理。原始纹理必须自己通过读取纹理图片来加载，这个后面会介绍。 
如果直接在不同等级的MipMap之间切换，会形成明显的边缘，因此对于Mipmap也可以同纹素一样使用滤波方法在不同等级的Mipmap之间滤波。要在不同等级的MipMap之间滤波，需要将之前设置的GL_TEXTURE_MIN_FILTER选项更改为以下选项之一：

GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST: 使用最接近像素大小的Mipmap，纹理内部使用最近邻滤波。GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST: 使用最接近像素大小的Mipmap，纹理内部使用线性滤波。GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR: 在两个最接近像素大小的Mipmap中做线性插值，纹理内部使用最近邻滤波。GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR: 在两个最接近像素大小的Mipmap中做线性插值，纹理内部使用线性滤波。

Mipmap使用注意 使用使用glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D)产生Mipmap的前提是你已经加载了原始的纹理对象。使用MipMap时设置GL_TEXTURE_MIN_FILTER选项才能起作用，设置GL_TEXTURE_MAG_FILTER的Mipmap选项将会导致无效操作，OpenGL错误码为GL_INVALID_ENUM。

设置Mipmap选项如下代码所示:

   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, 
       GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);

加载原始纹理

从图片加载纹理这部分工作不是OpenGL函数完成的，可以通过外部库实现。这里我们使用SOIL（Simple OpenGL Image Library）库完成。下载完这个库后，你需要编译到本地平台对应版本。你可以从我的github处下载已经编译好的32位库。 
使用SOIL加载纹理的代码如下：

GLubyte *imageData = NULL;
int picWidth, picHeight;
imageData = SOIL_load_image("wood.png", 
    &picWidth, &picHeight, 0, SOIL_LOAD_RGB); // 读取图片数据
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 
    picWidth,picHeight, 0, GL_RGB, 
    GL_UNSIGNED_BYTE, imageData); // 定义纹理图像

其中glTexImage2D函数定义纹理图像的格式，宽度和高度等信息，具体参数如下：

API void glTexImage2D( GLenum target, 
GLint level, 
GLint internalFormat, 
GLsizei width, 
GLsizei height, 
GLint border, 
GLenum format, 
GLenum type, 
const GLvoid * data);

1.target参数指定设置的纹理目标，必须是GL_TEXTURE_2D, GL_PROXY_TEXTURE_2D等参数。 
2.level指定纹理等级，0代表原始纹理，其余等级对应Mipmap纹理等级。 
3.internalFormat指定OpenGL存储纹理的格式，我们读取的图片格式包含RGB颜色，因此这里也是用RGB颜色。 
4.width和height参数指定存储的纹理大小，我们之前利用SOIL读取图片时已经获取了图片大小，这里直接使用即可。 
5. border 参数为历史遗留参数，只能设置为0. 
6. 最后三个参数指定原始图片数据的格式(format)和数据类型(type,为GL_UNSIGNED_BYTE, GL_BYTE等值)，以及数据的内存地址(data指针)。

使用纹理的完整过程

Step1 首先要指定纹理坐标，这个坐标和顶点位置、顶点颜色一样处理，使用索引绘制，代码如下所示:

   // 指定顶点属性数据 顶点位置 颜色 纹理
    GLfloat vertices[] = {
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,0.0f, 0.0f,  // 0
        0.5f,  -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,1.0f, 0.0f,  // 1
        0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,1.0f, 1.0f,  // 2
        -0.5f, 0.5f,  0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,0.0f, 1.0f   // 3
    };
    GLushort indices[] = {
        0, 1, 2,  // 第一个三角形
        0, 2, 3   // 第二个三角形
    };

同顶点位置和颜色一样，需要指定纹理坐标的解析方式。上面的数据格式如下图所示(来自www.learnopengl.com): 

这个格式的说明在OpenGL学习脚印: 绘制一个三角形 已经讲过，如果不清楚，可以回过头去查看。通过查看上图，我们按照如下方式设置glVertexAttribPointer，让OpenGL知道如何解析上述数据：

    // 顶点位置属性
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 
        8 * sizeof(GL_FLOAT), (GLvoid*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    // 顶点颜色属性
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,
        8 * sizeof(GL_FLOAT), (GLvoid*)(3 * sizeof(GL_FLOAT)));
    glEnableVertexAttribArray(1);
    // 顶点纹理坐标
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE,
        8 * sizeof(GL_FLOAT), (GLvoid*)(6 * sizeof(GL_FLOAT)));
    glEnableVertexAttribArray(2);

对应的顶点着色器如下：

#version 330

layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec3 color;
layout(location = 2) in vec2 textCoord; // 纹理坐标

out vec3 VertColor;
out vec2 TextCoord;

void main()
{
    gl_Position = vec4(position, 1.0);
    VertColor = color;
    TextCoord = textCoord;
}

Step2 :然后需要设置OpenGL纹理参数；最后通过读取纹理图片，定义纹理图像格式等信息。纹理数据最终传递到了显卡中存储。

   // Section3 准备纹理对象
    // Step1 创建并绑定纹理对象
    GLuint textureId;
    glGenTextures(1, &textureId);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);
    // Step2 设定wrap参数
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    // Step3 设定filter参数
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, 
        GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); // 为MipMap设定filter方法
    // Step4 加载纹理
    GLubyte *imageData = NULL;
    int picWidth, picHeight;
    imageData = SOIL_load_image("wood.png", 
        &picWidth, &picHeight, 0, SOIL_LOAD_RGB);
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, picWidth, picHeight, 
        0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, imageData);
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    // Step5 释放纹理图片资源
    SOIL_free_image_data(imageData);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);

注意 图片资源在创建完纹理后就可以释放了，使用SOIL_free_image_data完成。

Step3 着色器中使用纹理对象 
在顶点着色器中我们传递了纹理坐标，有了纹理坐标，获取最终的纹素使用过在片元着色器中完成的。由于纹理对象通过使用uniform变量来像片元着色器传递，实际上这里传递的是对应纹理单元(texture unit)的索引号。纹理单元、纹理对象对应关系如下图所示： 

着色器通过纹理单元的索引号索引纹理单元，每个纹理单元可以绑定多个纹理到不同的目标(1D,2D)。OpenGL可以支持的纹理单元数目，一般至少有16个，依次为GL_TEXTURE0 到GL_TEXTURE15，纹理单元最大支持数目可以通过查询GL_MAX_COMBINED_TEXTURE_IMAGE_UNITS常量获取。这些常量值是按照顺序定义的，因此可以采用 GL_TEXTURE0 + i 的形式书写常量，其中整数i在[0, GL_MAX_COMBINED_TEXTURE_IMAGE_UNITS)范围内。

作为一个了解，纹理对象不仅包含纹理数据，还包含采样参数，这些采样参数称之为采样状态(sampling state)。而采样对象(sampler object)就是只包含采样参数的对象，将它绑定到纹理单元时，它会覆盖纹理对象中的采样状态，从而重新配置采样方式。这里不再继续讨论采样对象的使用了。

要使用纹理必须在使用之前激活对应的纹理单元，默认状态下0号纹理单元是激活的，因此即使没有显式地激活也能工作。激活并使用纹理的代码如下：

  // 使用0号纹理单元
  glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
  glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);
  glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.programId, "tex"), 0);

上述glUniform1i将0号纹理单元作为整数传递给片元着色器，片元着色器中使用uniform变量对应这个纹理采样器，使用变量类型为:

uniform sampler2D tex;

uniform变量与attribute变量 uniform变量与顶点着色器中使用的属性变量(attribute variables)不同， 
属性变量首先进入顶点着色器，如果要传递给片元着色器，需要在顶点着色器中定义输出变量输出到片元着色器。而uniform变量则类似于全局变量，在整个着色器程序中都可见。

完整的片元着色器代码为:

#version 330

in vec3 VertColor;
in vec2 TextCoord;

uniform sampler2D tex;

out vec4 color;


void main()
{
    color = texture(tex, TextCoord);
}

其中texture函数根据纹理坐标，获取纹理对象中的纹素。 
运行程序，效果如下图所示：

这里为绘制的矩形添加了纹理，可以从我的github下载程序完整代码。

重构代码

将上面处理纹理部分的代码整理成一个函数，放在textureHelper类里，可以从我的github查看这个类的代码。使用textureHelper类加载纹理的代码为:

GLint textureId = TextureHelper::load2DTexture("wood.png");

在上面的顶点着色器中，我们也传递了顶点颜色属性，将顶点颜色和纹理混合，修改片元着色器中代码为：

color = texture(tex, TextCoord) * vec4(VertColor, 1.0f);

使用多个纹理单元

上面介绍了一个纹理单元支持多个纹理绑定到不同的目标，一个程序中也可以使用多个纹理单元加载多个2D纹理。使用多个纹理单元的代码如下:

shader.use();
// 使用0号纹理单元
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId1);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.programId, "tex1"), 0); 
// 使用1号纹理单元
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId2);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.programId, "tex2"), 1);

在着色器中，对两个纹理的颜色进行混合：

   #version 330

in vec3 VertColor;
in vec2 TextCoord;

uniform sampler2D tex1;
uniform sampler2D tex2;
uniform float mixValue;

out vec4 color;


void main()
{
    vec4 color1 = texture(tex1, TextCoord);
    vec4 color2 = texture(tex2, TextCoord);
    color = mix(color1, color2, mixValue);
}

其中mix函数完成颜色插值，函数原型为：

API genType mix( genType x, 
genType y, 
genType a);

最终值得计算方法为：x×(1−a)+y×ax×(1−a)+y×a。 
mixValue通过程序传递，可以通过键盘上的A和S键，调整纹理混合值，改变混合效果。

运行效果如下:

画面中这只猫是倒立的，主要原因是加载图片时，图片的(0,0)位置一般在左上角，而OpenGL纹理坐标的(0,0)在左下角，这样y轴顺序相反。有的图片加载库提供了相应的选项用来翻转y轴，SOIL没有这个选项。我们可以修改顶点数据中的纹理坐标来达到目的，或者对于我们这里的简单情况使用如下代码实现y轴的翻转:

vec4 color2 = texture(tex2, 
    vec2(TextCoord.s, 1.0 - TextCoord.t));

修改后的运行效果如下所示：

上述程序完整的代码可以从我的github下载。

说明 限于时间关系，文中的示例图片部分来源于网络，均注明了出处，向原作者表示感谢。

参考资料Android Lesson Six: An Introduction to Texture Filteringwww.learnopengl.com TexturesBasic Texture MappingTextures objects and parametersTutorial 5 : A Textured Cube推荐阅读关于Texture filtering Shawn Hargreaves Blog-Texture filtering关于Mipmap的Shawn Hargreaves Blog-Texture filtering: mipmaps