第五课：带纹理的立方体

2024-05-21 03:19| 来源: 网络整理| 查看: 265

关于UV坐标自行加载.BMP图片在OpenGL中使用纹理什么是过滤和mipmap？怎样使用？线性过滤（Linear filtering）各向异性过滤（Anisotropic filtering） Mipmaps 怎样利用GLFW加载纹理？压缩纹理创建压缩纹理使用压缩纹理反转UV坐标总结练习参考文献

本课学习如下几点：

什么是UV坐标怎样自行加载纹理怎样在OpenGL中使用纹理什么是过滤？什么是mipmap？怎样使用？怎样利用GLFW更加鲁棒地加载纹理？什么是alpha通道？关于UV坐标

给模型贴纹理时，我们需要通过UV坐标来告诉OpenGL用哪块图像填充三角形。

每个顶点除了位置坐标外还有两个浮点数坐标：U和V。这两个坐标用于访问纹理，如下图所示：

注意观察纹理是怎样在三角形上扭曲的。

自行加载.BMP图片

不用花太多心思了解BMP文件格式：很多库可以帮你加载BMP文件。但BMP格式极为简单，可以帮助你理解那些库的工作原理。所以，我们从头开始写一个BMP文件加载器，不过千万别在实际工程中使用这个实验品。

如下是加载函数的声明：

GLuint loadBMP_custom(const char * imagepath);

使用方式如下：

GLuint image = loadBMP_custom("./my_texture.bmp");

接下来看看如何读取BMP文件。

首先需要一些数据。读取文件时将设置这些变量。

// Data read from the header of the BMP file unsigned char header[54]; // Each BMP file begins by a 54-bytes header unsigned int dataPos; // Position in the file where the actual data begins unsigned int width, height; unsigned int imageSize; // = width*height*3 // Actual RGB data unsigned char * data;

现在正式开始打开文件。

// Open the file FILE * file = fopen(imagepath,"rb"); if (!file) { printf("Image could not be openedn"); return 0; }

文件一开始是54字节长的文件头，用于标识”这是不是一个BMP文件”、图像大小、像素位等等。来读取文件头吧：

if ( fread(header, 1, 54, file)!=54 ){ // If not 54 bytes read : problem printf("Not a correct BMP filen"); return false; }

文件头总是以”BM”开头。实际上，如果用十六进制编辑器打开BMP文件，您会看到如下情形：

因此得检查一下头两个字节是否确为‘B’和‘M’：

if ( header[0]!='B' || header[1]!='M' ){ printf("Not a correct BMP filen"); return 0; }

现在可以读取文件中图像大小、数据位置等信息了：

// Read ints from the byte array dataPos = *(int*)&(header[0x0A]); imageSize = *(int*)&(header[0x22]); width = *(int*)&(header[0x12]); height = *(int*)&(header[0x16]);

如果这些信息缺失，您得手动补齐：

// Some BMP files are misformatted, guess missing information if (imageSize==0) imageSize=width*height*3; // 3 : one byte for each Red, Green and Blue component if (dataPos==0) dataPos=54; // The BMP header is done that way

现在我们知道了图像的大小，可以为之分配一些内存，把图像读进去：

// Create a buffer data = new unsigned char [imageSize]; // Read the actual data from the file into the buffer fread(data,1,imageSize,file); //Everything is in memory now, the file can be closed fclose(file);

到了真正的OpenGL部分了。创建纹理和创建顶点缓冲差不多：创建一个纹理、绑定、填充、配置。

在glTexImage2D函数中，GL_RGB表示颜色由三个分量构成，GL_BGR则说明了颜色在内存中的存储格式。实际上，BMP存储的并不是RGB，而是BGR，因此得把这个告诉OpenGL。

// Create one OpenGL texture GLuint textureID; glGenTextures(1, &textureID); // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID); // Give the image to OpenGL glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0,GL_RGB, width, height, 0, GL_BGR, GL_UNSIGNED_BYTE, data); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

稍后再解释最后两行代码。同时，得在C++代码中使用刚写好的函数加载一个纹理：

GLuint Texture = loadBMP_custom("uvtemplate.bmp");

另外十分重要的一点：** 使用2次幂（power-of-two）的纹理！**

优质纹理： 128128, 256256, 10241024, 2*2… 劣质纹理： 127128, 35, … 勉强可以但很怪异的纹理： 128*256 在OpenGL中使用纹理

先来看看片段着色器。大部分代码一目了然：

#version 330 core // Interpolated values from the vertex shaders in vec2 UV; // Ouput data out vec3 color; // Values that stay constant for the whole mesh. uniform sampler2D myTextureSampler; void main(){ // Output color = color of the texture at the specified UV color = texture( myTextureSampler, UV ).rgb; }

注意三点：

片段着色器需要UV坐标。看似合情合理。同时也需要一个”Sampler2D”来获知要加载哪一个纹理（同一个着色器中可以访问多个纹理）最后一点，用texture()访问纹理，该方法返回一个(R,G,B,A)的vec4变量。马上就会了解到分量A。

顶点着色器也很简单，只需把UV坐标传给片段着色器：

#version 330 core // Input vertex data, different for all executions of this shader. layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace; layout(location = 1) in vec2 vertexUV; // Output data ; will be interpolated for each fragment. out vec2 UV; // Values that stay constant for the whole mesh. uniform mat4 MVP; void main(){ // Output position of the vertex, in clip space : MVP * position gl_Position = MVP * vec4(vertexPosition_modelspace,1); // UV of the vertex. No special space for this one. UV = vertexUV; }

还记得第四课中的”layout(location = 1) in vec2 vertexUV”吗？我们得在这儿把相同的事情再做一遍，但这次的缓冲中放的不是(R,G,B)三元组，而是(U,V)数对。

// Two UV coordinatesfor each vertex. They were created with Blender. You'll learn shortly how to do this yourself. static const GLfloat g_uv_buffer_data[] = { 0.000059f, 1.0f-0.000004f, 0.000103f, 1.0f-0.336048f, 0.335973f, 1.0f-0.335903f, 1.000023f, 1.0f-0.000013f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f, 0.999958f, 1.0f-0.336064f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f, 0.336024f, 1.0f-0.671877f, 0.667969f, 1.0f-0.671889f, 1.000023f, 1.0f-0.000013f, 0.668104f, 1.0f-0.000013f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f, 0.000059f, 1.0f-0.000004f, 0.335973f, 1.0f-0.335903f, 0.336098f, 1.0f-0.000071f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f, 0.335973f, 1.0f-0.335903f, 0.336024f, 1.0f-0.671877f, 1.000004f, 1.0f-0.671847f, 0.999958f, 1.0f-0.336064f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f, 0.668104f, 1.0f-0.000013f, 0.335973f, 1.0f-0.335903f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f, 0.335973f, 1.0f-0.335903f, 0.668104f, 1.0f-0.000013f, 0.336098f, 1.0f-0.000071f, 0.000103f, 1.0f-0.336048f, 0.000004f, 1.0f-0.671870f, 0.336024f, 1.0f-0.671877f, 0.000103f, 1.0f-0.336048f, 0.336024f, 1.0f-0.671877f, 0.335973f, 1.0f-0.335903f, 0.667969f, 1.0f-0.671889f, 1.000004f, 1.0f-0.671847f, 0.667979f, 1.0f-0.335851f };

上述UV坐标对应于下面的模型：

其余的就很清楚了。创建一个缓冲、绑定、填充、配置，像往常一样绘制顶点缓冲对象。要注意把glVertexAttribPointer的第二个参数（大小）3改成2。

结果如下：

放大后：

什么是过滤和mipmap？怎样使用？

正如在上面截图中看到的，纹理质量不是很好。这是因为在loadBMP_custom函数中，有如下两行代码：

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

这意味着在片段着色器中，texture()将直接提取位于(U,V)坐标的纹素（texel）。

有几种方法可以改善这一状况。

线性过滤（Linear filtering）

若采用线性过滤。texture()会查看周围的纹素，然后根据UV坐标距离各纹素中心的距离来混合颜色。这就避免了前面看到的锯齿状边缘。

线性过滤可以显著改善纹理质量，应用的也很多。但若想获得更高质量的纹理，可以采用各向异性过滤，不过速度有些慢。

各向异性过滤（Anisotropic filtering）

这种方法逼近了真正片断中的纹素区块。例如下图中稍稍旋转了的纹理，各向异性过滤将沿蓝色矩形框的主方向，作一定数量的采样（即所谓的”各向异性层级”），计算出其内的颜色。

Mipmaps

线性过滤和各向异性过滤都存在一个共同的问题。那就是如果从远处观察纹理，只对4个纹素作混合显得不够。实际上，如果3D模型位于很远的地方，屏幕上只看得见一个片断（像素），那计算平均值得出最终颜色值时，图像所有的纹素都应该考虑在内。很显然，这种做法没有考虑性能问题。撇开两种过滤方法不谈，这里要介绍的是mipmap技术：

一开始，把图像缩小到原来的1/2，然后依次缩小，直到图像只有1x1大小（应该是图像所有纹素的平均值）绘制模型时，根据纹素大小选择合适的mipmap。可以选用nearest、linear、anisotropic等任意一种滤波方式来对mipmap采样。要想效果更好，可以对两个mipmap采样然后混合，得出结果。

好在这个比较简单，OpenGL都帮我们做好了，只需一个简单的调用：

// When MAGnifying the image (no bigger mipmap available), use LINEAR filtering glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); // When MINifying the image, use a LINEAR blend of two mipmaps, each filtered LINEARLY too glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); // Generate mipmaps, by the way. glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); 怎样利用GLFW加载纹理？

我们的loadBMP_custom函数很棒，因为这是我们自己写的！不过用专门的库更好。GLFW就可以加载纹理（仅限TGA文件）：

GLuint loadTGA_glfw(const char * imagepath){ // Create one OpenGL texture GLuint textureID; glGenTextures(1, &textureID); // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID); // Read the file, call glTexImage2D with the right parameters glfwLoadTexture2D(imagepath, 0); // Nice trilinear filtering. 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_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); // Return the ID of the texture we just created return textureID; } 压缩纹理

学到这儿，您可能会问：那JPEG格式的纹理又该怎样加载呢？

简答：用不着考虑这些文件格式，您还有更好的选择。

创建压缩纹理下载The Compressonator,一款ATI工具用它加载一个二次幂纹理将其压缩成DXT1、DXT3或DXT5格式（这些格式之间的差别请参考Wikipedia）：

生成mipmap，这样就不用在运行时生成mipmap了。导出为.DDS文件。

至此，图像已压缩为可被GPU直接使用的格式。在着色中随时调用texture()均可以实时解压。这一过程看似很慢，但由于它节省了很多内存空间，传输的数据量就少了。传输内存数据开销很大；纹理解压缩却几乎不耗时（有专门的硬件负责此事）。一般情况下，采用压缩纹理可使性能提升20%。

使用压缩纹理

来看看怎样加载压缩纹理。这和加载BMP的代码很相似，只不过文件头的结构不一样：

GLuint loadDDS(const char * imagepath){ unsigned char header[124]; FILE *fp; /* try to open the file */ fp = fopen(imagepath, "rb"); if (fp == NULL) return 0; /* verify the type of file */ char filecode[4]; fread(filecode, 1, 4, fp); if (strncmp(filecode, "DDS ", 4) != 0) { fclose(fp); return 0; } /* get the surface desc */ fread(&header, 124, 1, fp); unsigned int height = *(unsigned int*)&(header[8 ]); unsigned int width = *(unsigned int*)&(header[12]); unsigned int linearSize = *(unsigned int*)&(header[16]); unsigned int mipMapCount = *(unsigned int*)&(header[24]); unsigned int fourCC = *(unsigned int*)&(header[80]);

文件头之后是真正的数据：紧接着是mipmap层级。可以一次性批量地读取：

unsigned char * buffer; unsigned int bufsize; /* how big is it going to be including all mipmaps? */ bufsize = mipMapCount > 1 ? linearSize * 2 : linearSize; buffer = (unsigned char*)malloc(bufsize * sizeof(unsigned char)); fread(buffer, 1, bufsize, fp); /* close the file pointer */ fclose(fp);

这里要处理三种格式：DXT1、DXT3和DXT5。我们得把”fourCC”标识转换成OpenGL能识别的值。

unsigned int components = (fourCC == FOURCC_DXT1) ? 3 : 4; unsigned int format; switch(fourCC) { case FOURCC_DXT1: format = GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1_EXT; break; case FOURCC_DXT3: format = GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT3_EXT; break; case FOURCC_DXT5: format = GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT5_EXT; break; default: free(buffer); return 0; }

像往常一样创建纹理：

现在只需逐个填充mipmap：

unsigned int blockSize = (format == GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1_EXT) ? 8 : 16; unsigned int offset = 0; /* load the mipmaps */ for (unsigned int level = 0; level

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