OpenGl之纹理坐标及纹理映射

news2024/11/19 7:43:03

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  • 纹理坐标
  • 纹理映射
  • 代码

纹理坐标

 为了实现纹理贴图我们需要做三件事：将一张贴图加载到OpenGL中，提供纹理坐标和顶点（将纹理对应匹配到顶点上），并使用纹理坐标从纹理中进行取样操作取得像素颜色。由于三角形会被缩放、旋转、平移变换导致最后会以不同的结果投影显示到屏幕上，而且由于camera的不同操作看上去也会很不一样。GPU要做的就是让纹理紧跟三角形图元顶点的移动使其看上去真实（如果纹理看上去明显游离在三角形上产生错位就不真实了）。为实现这个效果开发者需要为每个顶点提供一系列纹理坐标。在GPU光栅化三角形阶段，会对纹理坐标进行插值计算并覆盖到整个三角形面上，并且在片段着色器中开发者要将这些坐标跟纹理进行匹配。这个操作叫做‘取样’，取样的结果叫做‘纹素’（纹理中的一个像素）。纹素通常包含一个颜色值用于画屏幕上对应的一个像素。后面的教程中我们会看到纹素可以包含不同的数据类型来产生不同的效果。
 OpenGL支持几种不同类型的纹理：1D,2D,3D,立方体等等，可以应用于不同的技术中。现在这里就先只使用2D纹理。一张2D纹理可以在某些特殊限制下有任意宽度和高度的，宽度和高度相乘可以计算得到纹素的数量。那么如何确定纹理坐标和顶点呢？事实上不是的，坐标并不是在纹理中纹素的坐标，那样局限性太大了，因为这样如果要用一张宽度高度不一样的纹理替换一张纹理的话我们得更新所有顶点的坐标来匹配新的纹理图片。理想的方案是要能够在不改变纹理坐标的情况下随意更换纹理贴图。因此，纹理坐标是定义在‘纹理空间’的，也就是定义在单位化的[0,1]范围内。也就是说纹理坐标事实上是个分数，纹理的宽度高度乘以相应的比例分数就可以算出纹素在纹理中的坐标。例如：如果纹理坐标是[0.5,0.1]并且纹理的宽度为320，高度为200，那么纹素在纹理中的坐标为（160，20）（0.5 * 320 = 160 和 0.1 * 200 = 20）。

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 
};

我们知道纹理坐标的范围是在0-1的，我们先正常设置纹理坐标，看看得到的结果。
在这里插入图片描述
这是我们的纹理。
在这里插入图片描述
 这是正常将纹理坐标设置在0-1之间的时候，这时候我们修改下纹理坐标，将0.0修改为0.5。我们看看这时候的变化:
在这里插入图片描述
 我们可以看到只有纹理图片的四分之一。由于设置了最小是从0.5开始的，所以采样的时候，是从图片的中间开始采样的。
 当我们把最大坐标设置成2.0的时候，由于OpenGL的默认采样方式是超出范围即进行重复。
在这里插入图片描述
所以最后的效果就是这样。
对于这个结果我们可以这么理解，我们可以分几部分来看就很容易理解了
在这里插入图片描述

纹理映射

 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，当我们只有一张纹理的时候，这时候是不需要考虑纹理单元和采样器之间的对应关系的。
 当我们有多个纹理的时候就需要考虑他们之间的对应关系并进行设置，否则会出现错误的结果。
 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);

读取纹理

	int width, height, nrChannels;
	unsigned char* data = stbi_load("../pics/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);

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

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

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

	}
	else 
	{
			std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}
	stbi_image_free(data);

 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。

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

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

我们看一下如果没有正常设置的话会出现什么情况。（第一次绑定的是木箱，第二次绑定的是笑脸）
第一种情况：
在这里插入图片描述
两个纹理单元都没有激活，由于OpenGL默认只开启第一个纹理单元，所以这时候的第二个纹理单元是无法使用的，且这时候的第一个纹理单元是最后一次绑定的那个纹理，所以最后的结果为：
在这里插入图片描述

第二种情况：
在这里插入图片描述
激活了第二个纹理单元且绑定第二张图片
在这里插入图片描述
我们可以发现激活纹理单元的主要作用是让纹理单元上有对象，OpenGL默认开启第一个纹理单元
第三种情况：

在这里插入图片描述
没有告诉着色器去哪个纹理单元上进行读取，这时候默认都是从第一个纹理单元上进行读取
在这里插入图片描述
正确的结果
在这里插入图片描述

代码

main.cpp

#include <glad/glad.h> 
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <iostream>
#include <cmath> 
#include "../shader.h"
#include "../stb_image.h"

float vertices[] = {
	// 位置              // 颜色           // 纹理坐标
	 0.5f,  0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 2.0f, 2.0f, // 右上
	 0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 2.0f, 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, 2.0f  // 左上 
};

unsigned int indices[] = { // 注意，我们从零开始算! 
	0, 1, 3, // 第一个三角形 
	1, 2, 3 // 第二个三角形 
};

float ratio = 0.5;
void processInput(GLFWwindow* window);
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
int main() {
	glfwInit();
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
#ifdef __APPLE__ 
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif
	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
	if (window == NULL) {
		std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	//GLFW将窗口的上下文设置为当前线程的上下文
	glfwMakeContextCurrent(window);
	glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);
	//GLAD
	// glad: 加载所有OpenGL函数指针
	if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) {
		std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
		return -1;
	}

	Shader ourShader("shaders/shader.vs","shaders/shader.fs");

	//创建VBO和VAO对象，并赋予ID
	unsigned int VBO, VAO, EBO;
	glGenVertexArrays(1, &VAO);
	glGenBuffers(1, &VBO);
	//绑定VBO和VAO对象
	glBindVertexArray(VAO);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
	//为当前绑定到target的缓冲区对象创建一个新的数据存储。
	//如果data不是NULL，则使用来自此指针的数据初始化数据存储
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

	//告知Shader如何解析缓冲里的属性值
	glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);
	//开启VAO管理的第一个属性值
	glEnableVertexAttribArray(0);

	//告知Shader如何解析缓冲里的属性值
	glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
	//开启VAO管理的第一个属性值
	glEnableVertexAttribArray(1);

	//告知Shader如何解析缓冲里的属性值
	glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
	//开启VAO管理的第一个属性值
	glEnableVertexAttribArray(2);

	glGenBuffers(1, &EBO);
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
	glBindVertexArray(0);

	stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
	unsigned int texture, texture1;
	glGenTextures(1, &texture);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

	// 加载并生成纹理 
	int width, height, nrChannels;
	unsigned char* data = stbi_load("../pics/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);

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

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

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

	}
	else 
	{
			std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}
	stbi_image_free(data);

	glGenTextures(1, &texture1);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
	data = stbi_load("../pics/awesomeface.png", &width, &height, &nrChannels, 0);
	if (data)
	{
		glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
		glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);

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

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

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

	}
	else
	{
		std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}
	stbi_image_free(data);

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

	ourShader.use();
	ourShader.setInt("texture1", 0);
	ourShader.setInt("texture2", 1);
	ourShader.setFloat("ratio", ratio);

	// 渲染循环
	while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
		processInput(window);
		glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f); //状态设置
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); //状态使用

		ourShader.use();
		ourShader.setFloat("ratio", ratio);

		glBindVertexArray(VAO);
		// glfw: 交换缓冲区和轮询IO事件（按键按下/释放、鼠标移动等）
		glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
		glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

		glfwSwapBuffers(window);
		glfwPollEvents();
	}
	// glfw: 回收前面分配的GLFW先关资源. 
	glfwTerminate();
	glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
	glDeleteBuffers(1, &VBO);
	glDeleteProgram(ourShader.ID);

	return 0;
}

void processInput(GLFWwindow* window) {
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
		glfwSetWindowShouldClose(window, true);
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_UP) == GLFW_PRESS)
	{
		ratio += 0.001;
		printf("%lf\n", ratio);
		if (ratio > 1.0)ratio = 1.0;
	}
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_DOWN) == GLFW_PRESS)
	{
		ratio -= 0.001;
		if (ratio < 0.0)ratio = 0.0;
	}
}

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height) {
	glViewport(0, 0, width, height);
}

shader.vs

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

out vec2 TexCoord;
uniform float offsetX;

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos.x,aPos.y,aPos.z, 1.0);
    TexCoord = aTexCoord;
}

shader.fs

#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec2 TexCoord;

uniform sampler2D texture1; 
uniform sampler2D texture2; 
uniform float ratio;

void main()
{
    FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord/2.0), texture(texture2, vec2(1.0-TexCoord.x,TexCoord.y)), ratio); 
}

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