opengl 学习纹理

一.纹理是什么？

纹理是一个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；类似于图像一样，纹理也可以被用来储存大量的数据，这些数据可以发送到着色器上。

采样是指用纹理坐标来获取纹理颜色的过程。

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）。纹理坐标起始于(0, 0)，也就是纹理图片的左上角，终始于(1, 1)，即纹理图片的右下角。这里，与原作者的教案对不上，我通过自己的论证得到的坐标。原作者说的(0,0)坐标是在左下角，(1,1)坐标是右上角。大家有兴趣可以验证下，与我沟通，也可能是中文翻译出了问题。正确的是这样：

float texCoords[] = {
    0.0f, 0.0f, // 左上角
    1.0f, 0.0f, // 右上角
    1.0f, 1.0f, // 右下角
    0.0f, 1.0f  // 左下角
};

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会发生什么？OpenGL默认的行为是重复这个纹理图像（我们基本上忽略浮点纹理坐标的整数部分），但OpenGL提供了更多的选择，纹理环绕方式：

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。

设置纹理环绕的方式用的函数是glTexParameter，第一个参数指定了纹理目标，我们使用的是2D纹理，因此纹理目标是GL_TEXTURE_2D；第二个参数需要我们指定设置的选项与应用的纹理轴。我们打算配置的是WRAP选项，并且指定S和T轴(如何是3D纹理的话，还有一个参数是r)；最后一个参数需要我们传递一个环绕方式。如下：

设置x轴：glTexParamteri（GL_TEXTURE_2D，GL_TEXT_WRAP_S，GL_MIRRORED_REPEAT）

设置y轴：glTexParamteri （GL_TEXTURE_2D，GL_TEXT_WRAP_T，GL_MIRRORED_REPEAT）

设置边框：

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

纹理过滤是在物体很大而相对于纹理的分辨率又很低时，你需要使用它。opengl需要知道怎样将纹理的像素映射到纹理的坐标。纹理坐标是我们上面提供传入的顶点数组。纹理像素是把图像放大到像素级别时，单个像素的颜色。源作者给你的解释：

你可以想象你打开一张.jpg格式图片，不断放大你会发现它是由无数像素点组成的，这个点就是纹理像素；注意不要和纹理坐标搞混，纹理坐标是你给模型顶点设置的那个数组，OpenGL以这个顶点的纹理坐标数据去查找纹理图像上的像素，然后进行采样提取纹理像素的颜色。

好了，回归到纹理过滤上来，主要分为两种：邻近过滤(GL_NEAREST：默认的方式)和线性过滤（GL_LINEAR）。

邻近过滤：OpenGL会选择中心点最接近纹理坐标的那个像素。如图，＋号表示纹理坐标，所以蓝色的中心点离它最近，返回蓝色。

线性过滤：OpenGL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。说明白点的话，就是离+号越近的颜色点与最终样本的颜色越接近。

邻近过滤线性过滤

两种纹理过滤方式的视觉效果：

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8-bit风格，所以他们会用GL_NEAREST选项。

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。设置放大和缩小时的纹理过滤方式：

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

现在我们针对的是一个物体，假如有多个物体时，为了让纹理更真实。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。

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NEAREST和LINEAR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：

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

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。

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

二.加载和创建纹理

要使纹理加载到应用程序中，我们使用图像加载库stb_image.h库。下面是实操，我就不粘贴原作者的教案和博客了，当然，重要的东西还是会用原作者原始文案，方便后续复查。

1.第一步先用stb_image.h将图片加载到内存。如下：

int width, height, nrChannels;

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

这个函数首先接受一个图像文件的位置作为输入。接下来它需要三个int作为它的第二、第三和第四个参数，stb_image.h将会用图像的宽度、高度和颜色通道的个数填充这三个变量。我们之后生成纹理的时候会用到的图像的宽度和高度的。

2.第二步生成纹理，创建纹理ID，绑定纹理，生成纹理，释放内存编写。生成纹理函数：

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

第一个参数指定了纹理目标(Target)。设置为GL_TEXTURE_2D意味着会生成与当前绑定的纹理对象在同一个目标上的纹理（任何绑定到GL_TEXTURE_1D和GL_TEXTURE_3D的纹理不会受到影响）。
第二个参数为纹理指定多级渐远纹理的级别，如果你希望单独手动设置每个多级渐远纹理的级别的话。这里我们填0，也就是基本级别。
第三个参数告诉OpenGL我们希望把纹理储存为何种格式。我们的图像只有RGB值，因此我们也把纹理储存为RGB值。
第四个和第五个参数设置最终的纹理的宽度和高度。我们之前加载图像的时候储存了它们，所以我们使用对应的变量。
下个参数应该总是被设为0（历史遗留的问题）。
第七第八个参数定义了源图的格式和数据类型。我们使用RGB值加载这个图像，并把它们储存为char(byte)数组，我们将会传入对应值。
最后一个参数是真正的图像数据。

当调用glTexImage2D时，当前绑定的纹理对象就会被附加上纹理图像。然而，目前只有基本级别(Base-level)的纹理图像被加载了，如果要使用多级渐远纹理，我们必须手动设置所有不同的图像（不断递增第二个参数）。或者，直接在生成纹理之后调用glGenerateMipmap。这会为当前绑定的纹理自动生成所有需要的多级渐远纹理。这里将创建绑定生成释放四个过程用单独的类来进行管理，包括第一步的stb_image.h库的包含。如下：

texture.h

#ifndef TEXTURE_H
#define TEXTURE_H
#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION

class Texture
{
public:
    // 纹理ID
    unsigned int ID;

    Texture(const char* imagePath);

    unsigned int getTextID() const { return ID; }
};

#endif // TEXTURE_H

texture.cpp

#include "texture.h"
#include "stb_image.h"
#include <glad/glad.h>
#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>

Texture::Texture(const char* imagePath)
{
    // 创建纹理
    glGenTextures(1, &ID);
    // 绑定纹理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ID);
    // 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(imagePath, &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);
}

3.第三步就是应用纹理。首先，前面我们知道VAO(顶点数组对象)在内存中的存放规则，我们需要将纹理也添加到顶点的属性当中，这里respect一下原作者，写教案真是用心了，一环扣一环，环环相应。先看下面的结构：

告诉opengl我们的顶点格式

原作者是正方形，我们是六边形，下面看数据格式排版代码(如果你是一个上下对称的图像，原作者的代码没有问题，如果不是，原作者的坐标是有问题的。可参照六边形的设定，上面讲过纹理的坐标计算)：

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
};

四边形的四个顶点

 float vertices[] = {
        -0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
        0.5f,  0.5f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
        1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.5f,
        0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,
        -1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f
    };

    unsigned int indices[] = {0, 1, 2, 0, 2, 3, 0, 3, 4, 0, 4, 5};

六边形的六个顶点

设置属性：

    // 位置属性
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    // 颜色属性
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
    glEnableVertexAttribArray(1);
    // 纹理属性
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
    glEnableVertexAttribArray(2);

4.第四步就是编辑我们的两个着色器：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;
out vec3 vertexColor;
out vec2 TexCoord;
void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    vertexColor = aColor;
    TexCoord = aTexCoord;
}

顶点着色器

#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 vertexColor;
in vec2 TexCoord;
uniform sampler2D ourTexture;

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

片段着色器

片段着色器能访问纹理对象，但是我们怎样能把纹理对象传给片段着色器呢？GLSL有一个供纹理对象使用的内建数据类型，叫做采样器(Sampler)，它以纹理类型作为后缀，比如sampler1D、sampler3D，或在我们的例子中的sampler2D。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，上面我们把纹理赋值给这个uniform。

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。

5.第五步就是如何绘制了，在绘制之前绑定我们的纹理id就可以了。text是上面我们建立的纹理类创建的对象，传入一张jpeg的图像参数得到这个对象。通过调用纹理ID绑定。

// bind Texture
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, text.getTextID());

// 3. 绘制物体
glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 12, GL_UNSIGNED_INT, 0);

6.操作完后，你会得到这样的一个效果：

原图是这样的：

7.上面我们还未使用颜色值，我们还可以把得到的纹理颜色与顶点颜色混合，来获得更有趣的效果。我们只需把纹理颜色与顶点颜色在片段着色器中相乘来混合二者的颜色：

FragColor = texture(ourTexture, TexCoord) * vec4(vertexColor, 1.0);

得到下面的效果：

8.纹理单元

你可能会奇怪为什么sampler2D变量是个uniform，我们却不用glUniform给它赋值。使用glUniform1i，我们可以给纹理采样器分配一个位置值，这样的话我们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(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，所以教程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于一个的纹理。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。

OpenGL至少保证有16个纹理单元供你使用，也就是说你可以激活从GL_TEXTURE0到GL_TEXTRUE15。它们都是按顺序定义的，所以我们也可以通过GL_TEXTURE0 + 8的方式获得GL_TEXTURE8，这在当我们需要循环一些纹理单元的时候会很有用。

#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 vertexColor;
in vec2 TexCoord;
uniform sampler2D texture1;
uniform sampler2D texture2;

void main()
{
    FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.2) * vec4(vertexColor, 1.0);
}

GLSL内建的mix函数需要接受两个值作为参数，并对它们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。

激活纹理：

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);

glActiveTexture(GL_TEXTURE1);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);

设置纹理采集：

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：

ourShader.use(); // 不要忘记在设置uniform变量之前激活着色器程序！
glUniform1i(glGetUniformLocation(ourShader.ID, "texture1"), 0); // 手动设置
ourShader.setInt("texture2", 1); // 或者使用着色器类设置

得到的效果如下：