第五课：带纹理的立方体

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Tags: OpenGL 教程

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 opened\n");
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 file\n");
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 file\n");
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、22……
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，应用较多。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段中的纹素区块。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。

###Mipmap 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段（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等任意一种过滤方式来对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？

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：

// 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);

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 < mipMapCount && (width || height); ++level)
{
unsigned int size = ((width+3)/4)*((height+3)/4)*blockSize;
glCompressedTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, level, format, width, height,
0, size, buffer + offset);

offset += size;
width  /= 2;
height /= 2;
}
free(buffer);

return textureID;

###反转UV坐标 DXT压缩源自DirectX。和OpenGL相比，DirectX中的V纹理坐标是反过来的。所以使用压缩纹理时得用(coord.u, 1.0-coord.v)来获取正确的纹素。可以在导出脚本、加载器、着色器等环节中执行这步操作。

总结

刚才我们学习了创建、加载以及在OpenGL中使用纹理。总的来说，压缩纹理体积小、加载迅速、使用便捷，应该只用压缩纹理；主要的缺点是得用The Compressonator来转换图像格式。

练习

源代码中实现了DDS加载器，但没有做纹理坐标的改动（译者注：指文中讲述的反转UV坐标）。在适当的位置添加该功能，以使正方体正确显示。
试试各种DDS格式。所得结果有何不同？压缩率呢？
试试在The Compressonator不生成mipmap。结果如何？请给出3种方案解决这一问题。

参考文献

Using texture compression in OpenGL , Sébastien Domine, NVIDIA

© http://www.opengl-tutorial.org

Written with Cmd Markdown.

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