OpenGL(四) 纹理贴图

几何模型&材质&纹理

渲染一个物体需要：

• 几何模型：决定了物体的形状
• 材质：绝对了当灯光照到上面时的作用效果
• 纹理：决定了物体的外观

纹理对象

纹理有2D的，有3D的。2D图像就是一张图片，3D图像是在渲染大气层等立体物体的时候会用到。此外多个2D纹理还可以组成Texture Array，如进行大地渲染的时候，需要沙砾，石头，杂草等多种纹理混合，就可以使用Texture Array进行存储，读取的时候加上index就可以读取出相应的纹理。
虽然被称为纹理，但是里面存储的数据也可以不是外观信息，如在进行天空渲染的时候，Precomputed Atmospheric Scattering算法需要与预计算并存储大气中点的通透度和散射值，就可以使用2D Texture存储大气中点的通透度，使用3DTexture存储大气中点的散射值。
即，纹理作为一种属性存储形式，根据需要有2D纹理和3D纹理，他们不仅可以存储外观属性，还可以存储描述物体的其他数据。

在渲染时，有些时候物理离相机很远，可能经过变换后，到显示中只占用极少的像素点，这几个像素点的值如何决定？
如果仍然使用采样方式，可能会出现相机稍微移动，采样对应的位置就大幅变化，效果就是这几个像素一直在抖动。
而且这么远的情况下，完全不需要使用相同精细度的纹理图像，可以节省很多空间。
为了适应不同远近情况下的纹理使用，提出了mipmap，即，存储不同精细程度的纹理，方便不同距离使用，这种思想和计算机视觉中的图像金字塔思想基本相同。其存储代价非常小，只占用了不到$\frac{4}{3}$大小的存储空间【每次边长对半，存储为四分之一，级数求和】。

OpenGL中提供了一键生成mipmap的API

glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);

读取纹理涉及到图像解析，libpng、FreeImage、stb_image都是图像解析的开源库，这里使用stb_image，因为stb_image非常简单，只有头文件，但是相应的支持的图片格式也只有常用的几种。FreeImage支持的格式比较多，功能全面，但是相应的也复杂一些。
直接在此处下载stb_image.h文件，然后加入到自己的工程中，并新建一个cpp文件输入：

#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image.h"

使用stb_iamge的stbi_load函数加载纹理图像文件并生成纹理：

int width, height, nrChannels;
unsigned char *data = stbi_load("container.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
unsigned int texture;
glGenTextures(1, &texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
stbi_image_free(data); //注意释放已经不用的图片

OpenGL每种纹理有多个纹理单元，默认纹理单元是0，且默认激活。可以通过激活别的纹理单元位置，来存储多个纹理，当需要使用多个纹理时很有用。

glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // 在绑定纹理之前先激活纹理单元
//OpenGL规定至少16个纹理单元，可以通过GL_TEXTURE15访问，也可以通过GL_TEXTURE0 + 15来访问
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

采样器

模型大小通常与纹理大小是不一样的，需要进行采样，负责采样的被称为采样器。

采样方式

纹理坐标的范围通常是从(0, 0)到(1, 1)，(u,v)代表%u，%v处的纹理值。
如果将uv值设到了这个范围以外，OpenGL默认的行为是重复这个纹理图像，但是也可以自定义

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_MIRRORED_REPEAT);
// 第一个表示要设置的纹理，第二个表示要设置的坐标轴，
// 第三个是策略，REPEAT就是重复，MIRRORED_REPEAT镜像重复，CLAMP_TO_EDGE边缘拉伸，CLAMP_TO_BORDER默认颜色

因为uv是浮点值，不一定对应某一个像素，尤其是在纹理较小，物体较大的时候。输入uv，如何计算出输出像素值，称为纹理过滤，OpenGL提供了多种不同选择，如：

• GL_NEAREST：选取临近像素的值输出
• GL_LINEAR：选择附近的像素进行线性插值，计算出的值作为结果。

设置方式：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
// 第一个选择设置的纹理，第二个表示要设置的情况，放大or缩小，第三个表示过滤模式。

根据上篇blog讲解的，渲染的流程中，在片段着色器中进行纹理渲染，所以片段着色器才是真正使用纹理的地方，GLSL有一个供纹理对象使用的内建数据类型，叫做采样器(Sampler)。

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 ourColor;
in vec2 TexCoord;

uniform sampler2D ourTexture;

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

OpenGL中还内置了texture函数，第一个参数是采样器，第二个是纹理uv坐标点，输出就是该点对应的像素值。不用考虑采样器与纹理间的绑定，在进行glBindTexture时就自动将纹理绑定到采样器上了。多个纹理单元时需要配多个采样器，会依次与采样器绑定。

混合

纹理体现的是对不同颜色光照的反射程度，光照体现的是不同光照的射入量，二者分量相乘得到的结果就是最终的显示效果。
多个纹理混合时，需要使用GLSL中内置的函数mix进行混合。

当没有纹理时，可以理解为纹理是(1,1,1,1)，所以前面的三角形颜色变化，可以理解为光照颜色变化导致的，而三角形本身始终是不变的。只不过(1,1,1,1)的纹理表示全反射，光照没有损失全部反射出来了。如果纹理是渐变的，那么最终渲染出来的结果就也是不一样的

只有一个纹理的时候，其实约等于默认乘以了一个(1,1,1,1)的白光光照，如果想没有光照，需要乘以(0,0,0,1)

FragColor = texture(Texture1, TexCoord);

纹理和光照间需要分量相乘

FragColor = texture(Texture1, TexCoord) * timeColor;

当两个纹理的时候，要使用mix进行混合，

FragColor = mix(texture(Texture1, TexCoord),texture(Texture2, TexCoord),0.5) * timeColor;

参考

LearnOpenGL
LearnOpenGL CN
《计算机图形学编程（使用OpenGL和C++）第二版》