LearnOpenGL-入门-6.纹理

本人刚学OpenGL不久且自学，文中定有代码、术语等错误，欢迎指正

我写的项目地址：https://github.com/liujianjie/LearnOpenGLProject

LearnOpenGL中文官网：https://learnopengl-cn.github.io/

纹理

• 简介

  • 若给每个顶点添加颜色来增加图形的细节，会增加开销，所以用纹理。

  • 纹理是一个2D图片，可以认为纹理附在物体表面上，其实是根据当前片段的uv值，采样纹理- 的颜色值作为当前片段的颜色。

• 纹理坐标

  

  • 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

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    三角形有三个顶点，对应3个纹理坐标。

  • 使用纹理坐标获取纹理颜色叫做采样(Sampling)

  • 重点理解

    三角形只设置3个顶点的纹理坐标就行了，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。

    比如下面那条线(0,0)-(1.0)的各个像素点，会变插值成为浮点小数，从而形成小数点的纹理坐标

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

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

前面提到的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);

float borderColor[] = {
    
     1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f };
glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, borderColor);

纹理过滤

• 简介

  纹理坐标不依赖于分辨率，它可以是任意浮点值，所以OpenGL需要知道怎样将纹理像素映射到纹理坐标。

  对应前面说的：下面那条线(0,0)-(1.0)的各个像素点，会变插值成为浮点小数，从而形成小数点的纹理坐标

• 过滤方式

  • GL_NEAREST：邻近过滤，OpenGL会选择中心点最接近纹理坐标的那个像素，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：线性过滤，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

    

• 对比效果

  

  • GL_NEARSET:颗粒感
  • GL_LINEAR：更平滑的图案

• 使用

  • 放大：线性过滤
  • 缩小：邻近过滤

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

多级渐远纹理

• 问题引出

  当远处的物体和它的纹理有一样高的分辨率，由于在远处，物体所占的片段较小，OpenGL为这些片段在高分辨率纹理中获得正确的颜色变得困难。所以会不真实，且浪费内存

• 多级渐远纹理(Mipmap)简介

  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

  

• OpenGL提供函数创建Mipmap

  glGenerateMipmaps

• 过滤方式

  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

  过滤方式	描述
  GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST	使用最邻近的多级渐远纹理来匹配像素大小，并使用邻近插值进行纹理采样
  GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST	使用最邻近的多级渐远纹理级别，并使用线性插值进行采样
  GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR	在两个最匹配像素大小的多级渐远纹理之间进行线性插值，使用邻近插值进行采样
  GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR	在两个邻近的多级渐远纹理之间使用线性插值，并使用线性插值进行采样

  glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
  // 放大时，用GL_LINEAR
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
  

  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。

加载与创建纹理

• 引出

  由于自己写，难，所以使用第三方库stb_image

• 下载地址

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

stb_image.h

• 简介

  单头文件图像加载库

• 使用

  下载好std_image.h后，将它以stb_image.h的名字加入工程中

  新建一个cpp文件，并写入以下代码

  #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。

  这个新的cpp文件得放在项目下，不然会报错
  

• 具体使用代码

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

• 细节

  用stb_image.h能够在图像加载时帮助我们翻转y轴

  stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
  

  因为OpenGL要求y轴0.0坐标是在图片的左下角的，但是图片的y轴0.0坐标通常在左上角。

生成纹理

• 使用代码

  和之前生成的OpenGL对象一样，纹理也是使用ID引用的

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

  绑定纹理

  glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
  

  使用前面stb_image.h载入的图片数据生成一个纹理

  glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
  glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
  

• 至此完整代码

  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

给顶点数据添加纹理坐标

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
};

告诉OpenGL我们新的顶点格式

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);

对应的glsl

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;// 0 -12
layout (location = 1) in vec3 aColor;// 12-24
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;// 24-32

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;

void main()
{
    
    
    // 只有纹理
    FragColor = texture(ourTexture, TexCoord);
    // 纹理和颜色混合
    // FragColor = texture(texture1, TexCoord) * vec4(ourColor, 1.0);
}

• texture：来采样纹理的颜色

  第一个参数是纹理采样器，第二个参数是对应的纹理坐标

绑定纹理和绘画

在glDrawElements之前，绑定已加载的纹理到纹理单元0位置，片段着色器的采样器默认位置值为0

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

效果

• 单纹理

  

• 纹理和颜色混合

  

纹理单元

• 引出

  sampler2D变量是uniform，上面却没用glUniform给它赋值。

• 原因

  上面只有一个纹理，它的默认纹理单元是0，它是默认的激活纹理单元，且glsl的采样器默认位置值为0，所以上面代码没有用glUniform

• 纹理单元

  • 可以用glUniform1i给纹理采样器分配一个位置值，这样能够在一个片段着色器中设置多个纹理。

  • 一个纹理的位置值通常称为一个纹理单元

• 前提

  激活对应的纹理单元

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

  GL_TEXTURE0总是被激活

• 片段着色器使用两个纹理采样器

  #version 330 core
  ...
  
  uniform sampler2D texture1;
  uniform sampler2D texture2;
  
  void main()
  {
        
        
      FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.2);
  }
  

  • mix函数说明:
    • 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。

  绑定两个纹理到对应的纹理单元

  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);
  

  glUniform1i设置OpenGL每个着色器采样器属于哪个纹理单元

  ourShader.use(); // 不要忘记在设置uniform变量之前激活着色器程序！
  // 手动设置，采样器texture1的位置值是0
  glUniform1i(glGetUniformLocation(ourShader.ID, "texture1"), 0); 
  // 或者使用着色器类设置，采样器texture2的位置值是1
  ourShader.setInt("texture2", 1); 
  // 也是执行：glUniform1i(glGetUniformLocation(ourShader.ID, "texture2"), 1);
  
  while(...) 
  {
        
        
      [...]
  }
  

• 效果