OpenGL编程指南第九章：纹理映射

转自：//http://blog.csdn.net/longhuihu/article/details/8477614

纹理(texture)是一块矩形数据序列，存储的数据为颜色、亮度、alpha值。纹理数据的每个单位叫做texel，纹理数据可以被映射到任何几何形状的表面。

1、纹理映射基础

使用纹理是一个相对复杂的操作，一般需要以下几个步骤：
1、创建texture对象，并指定数据：
纹理数据可以是二维的图像，也可以是一维或三维的；

2、指定texture将被以何种方式与像素进行映射：
有四种函数可以用于对fragment color和texture color进行计算，一是直接使用纹理颜色进行替换，二是用纹理颜色对fragment颜色进行模运算，三是进行scale运算，四是依据纹理值，用一个颜色常量与fragment进行混合；

3、激活像素映射功能：
调用glEnable()函数来激活，参数可以是GL_TEXTURE_1D，GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_3D，GL_TEXTURE_CUBE_MAP，分别激活一维、二维、三维、立体纹理，如果先后激活多个那个生效的是较大维数的；

4、绘制场景，指定几何坐标和纹理坐标：
就像为顶点指定颜色一样，为对应顶点指定纹理坐标，对二维的纹理来说，坐标就是一对0~1的浮点数。就像颜色的flat shade一样，几何顶点之间的纹理坐标自动进行插值计算。这样，顶点之外的部分，纹理坐标超出了[0,1]，其计算方式需要你来指定：重复，剪切...。2\

2、纹理数据

为纹理指定数据的api是glTexImage2D(GLenum target, GLint level, GLint internalFormat,GLsizei width, GLsizei height, GLint border,GLenum format, GLenum type, const GLvoid *texels)；
taget：GL_TEXTURE_2D等常量
level：当你准备为同一纹理对象，提供多个分辨率的版本，level值派上用场。否则设为0即可
internalFormat：指定了纹理元素的数据成员，比如GL_RBGA,GL_ALPHA
width,height,border：指定了纹理的尺寸、边宽，OpenGL2.0以前，width和height必须是2的指数
format,type：传入数据的格式，类型，与glDrawPixels一致

可以直接读取frameBuffer数据作为纹理glCopyTexImage2D(GLenum target, GLint level,GLint internalFormat, GLint x, GLint y,GLsizei width, GLsizei height, GLint border);
GLint internalFormat, GLint x, GLint y,GLsizei width, GLsizei height, GLint border);
x,y：欲读取frameBuffer的坐标，其他参数与glTexImage2D相同

修改现有纹理对象的数据比重新创建纹理对象的代价要低，glTexSubImage2D(GLenum target, GLint level, GLint xoffset,GLint yoffset, GLsizei width, GLsizei height,
GLenum format, GLenum type,const GLvoid *texels)；
xOffset,yOffset：为目标纹理的坐标

glCopyTexSubImage2D与glTexSubImage2D功能类似，数据来自framebuffer。

纹理可以以压缩形式存储，或直接从压缩的模式加载。
判断纹理是否压缩：glGetTexLevelParameteriv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_COMPRESSED,BOOL &compressed);
纹理的压缩模式OpenGL并没有做规定，具体的实现会定义，加载压缩纹理glCompressedTexImage*D()

3、Mipmaps

纹理对象同样要放在场景中显示，当物理远离视点是，纹理对象会被缩放过滤。在这个持续过程中，会出现闪烁现象。为了避免，可以为纹理对象提供一组不同分辨率的图像数据，叫做Mipmap。

你需要提供从最大尺寸到1x1之间所有2的冥次尺寸的图像；glTexImage2D() api从level=0开始设置，0代表最大尺寸。

可以使用API基于最大尺寸图像为纹理产生Mipmaps，glGenerateMipmap(GLenum target)；

有时候可以对Mipmaps的level进行限制，比如不希望有尺寸特别小的mipmap，或者不希望纹理在极大和极小level之间进行切换，这些可以通过API glTexParameter*()完成，参数如下：
GL_TEXTURE_BASE_LEVEL：最大尺寸的level限制；
GL_TEXTURE_MAX_LEVEL：最小尺寸的mipmap level限制；通过这两个值可以减少需要提供的mipmap

GL_TEXTURE_MIN_LOD和GL_TEXTURE_MAX_LOD：则影响OpengGL具体渲染时对mimap level的选择

4、过滤

纹理texel和像素之间没有一一对应关系，有可能1个texel需要对应一片像素，也有可能一片texel最终对应到一个像素。这些操作叫做过滤，OpenGL允许设置一些选项，来控制过滤，API也是glTexParameteri。

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_NEAREST)：将纹理放大滤镜设置为GL_NEAREST；
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_NEAREST)：蒋纹理缩小滤镜设置为GL_NEAREST；

GL_NEAREST的意思是选择离纹理坐标最近的一个像素；其他值还有GL_LINEAR—坐标中心点附近的2x2像素进行加权计算。

5、纹理对象管理

每个纹理对象有一个无符号整形作为名字，为了避免重复，使用API glGenTextures(GLsizei n, GLuint *textureNames)来生成，glIsTexture()可以判断一个名字是不是使用中的纹理对象名字。

使用纹理对象前，需要先绑定glBindTexture()，之后glTexImage*(), glTexSubImage*()这些操作就针对绑定的Texture了。

glDeleteTextures可以删除不再使用的Texture。

某些OpenGL实现支持一组高效的texture，叫做resident，通常有专门的硬件来存储和操作这些texture，所以你应当尽量把texture放进这个组。如果程序中texture的数量超出了这个组的限制，那么有些texture就不能进入这个组，可以通过glGetTexParameter(GL_TEXTURE_RESIDENT)或glAreTexturesResident来判断texture是否在resident中。可以使用glPrioritizeTextures()给texture附加一个优先级，来增加进入resident的几率。

6、纹理函数

纹理的数据一般是作为颜色取代物体表面的颜色，但也可以使用别的纹理函数。

glTexEnv{if}v(GLenum target, GLenum pname, const TYPE *param)：

targe：GL_TEXTURE_FILTER_CONTROL 或 GL_TEXTURE_ENV

pname：当target是GL_TEXTURE_ENV时，如果pname是GL_TEXTURE_ENV_MODE，param可以是GL_DECAL, GL_REPLACE, GL_MODULATE,GL_BLEND, GL_ADD, GL_COMBINE，指定了使用何种函数对fragement和纹理颜色进行结合计算；如果pname是GL_TEXTURE_ENV_COLOR，则指定一个颜色常量用于纹理操作。

当然texture的internalformat也会影响这里的计算。

7、纹理坐标

为顶点指定纹理坐标，就像为顶点指定坐标一样，一般用(s,t,r,q)来表示各分量，就像用(x,y,z,w)来表示顶点坐标一样。设置纹理坐标的API是glTexCoord{1234}{sifd}v(const TYPE *coords);

纹理是矩形区域，而几何物体表面未必能够映射为矩形，比如曲面。除了圆柱、圆锥这样规则的曲面外，其他的曲面映射到矩形texture时必然发生扭曲。比如球体，越接近两极扭曲越严重。曲面都是通过大量的小多边形来组成的，为这些多边形顶点指定纹理坐标可能会比较复杂。

如果指定[0,1]以外的纹理坐标值，就会发生clamp或repeat，前者将超出范围的坐标值调整为0或1；后者会对纹理进行重复铺开。clamp和repeat的模式可以通过glTexParameteri来设置。

OpenGL提供API自动为几何顶点产生纹理坐标：
void glTexGen{ifd}(GLenum coord, GLenum pname, TYPE param);
void glTexGen{ifd}v(GLenum coord, GLenum pname, const TYPE *param);
void glTexGen{ifd}v(GLenum coord, GLenum pname, const TYPE *param);

coord：GL_S, GL_T, GL_R, or GL_Q指定产生那个维度的坐标
pname：GL_TEXTURE_GEN_MODE, GL_OBJECT_PLANE, or GL_EYE_PLANE，GL_TEXTURE_GEN_MODE指定产生坐标的方式，值可以是GL_OBJECT_LINEAR, GL_EYE_LINEAR, GL_SPHERE_MAP,GL_REFLECTION_MAP, or GL_NORMAL_MAP；GL_OBJECT_PLANE和GL_EYE_PLANE则提供一个参考平面。

如果GL_TEXTURE_GEN_MODE指定为GL_OBJECT_LINEAR，在加上GL_OBJECT_PLANE用（P0,P1,P2,P3）表示，那么顶点的纹理坐标值的计算表达式：P0*x+P1*y+P2*z+p3*w，即顶点到平面的距离。如果GL_TEXTURE_GEN_MODE是GL_EYE_LINEAR那么顶点坐标会转换到眼坐标系，在进行计算。实际效果是，前者纹理相对于物体固定，后者纹理相对于场景固定。

GL_SPHERE_MAP:

这种生成纹理坐标的方式主要用于对环境产生反射，具体见参考书

Cube MAP:

这个是使用六个纹理对象，组成一个中心在原点的立方体，纹理坐标就是一个单位向量，指向立方体上的一点。这种情况下使用自动坐标生成，将生成模式设为GL_REFLECTION_MAP或GL_NORMAL_MAP。原书代码中有一个例子。

8、Multitexturing

OpenGL可以同时使用多个纹理，这些纹理被绑定到一个纹理单元序列，Texture Units，会被依次计算、应用到顶点。每个纹理单元有其独立的图像、Filter参数、坐标变换矩阵、坐标自动产生方法、Vertex-Array。

void glActiveTexture(GLenum texUnit)激活对应的纹理单元，之后所有的纹理操作都是针对这个纹理单元；参数GL_TEXTUREi，i取值0至k，最大值由具体实现决定。

此时glTexCoord相当于指定了GL_TEXTURE0的坐标，为其他单元指定坐标必须使用glMultiTexCoord。

9、纹理组合函数

接第六节，在使用单个或多个纹理单元时，纹理组合函数可以灵活控制fragment和纹理颜色的组合。组合函数可以操作3来源的颜色或alpha值进行计算，产生一个输出值。在使用多个纹理单元时，组合函数就形成了一个流水线。

void glTexEnv{if}(GLenum target, GLenum pname, TYPE param)对组合函数进行控制：target是GL_TEXTURE_ENV，pname是GL_TEXTURE_ENV_MODE，param是GL_DECAL, GL_REPLACE, GL_MODULATE,GL_BLEND, GL_ADD, or GL_COMBINE；当param是GL_COMBINE时，可以继续对组合函数进行配置。

通过pname=GL_COMBINE_RGB可以配置RGB部分的组合函数：GL_REPLACE, GL_MODULATE, GL_ADD,GL_ADD_SIGNED, GL_INTERPOLATE,GL_SUBTRACT, GL_DOT3_RGB, or GL_DOT3_RGBA；这些函数使用1至3个参数进行计算，这里分别表示为arg0,arg1,arg2。于是GL_REPLACE可用表达式arg0表示，GL_ADD是arg0+arg1，GL_MODULATE是arg0*arg1。

上面arg0，arg1的来源可以通过pname=GL_SRC0_RGB,GL_SRC1_RGB，GL_SRC2_RGB来设定，param可以是GL_TEXTURE：纹理颜色值，GL_TEXTUREn：纹理单元n的颜色值，GL_CONSTANT：颜色常量，GL_PRIMARY_COLOR：fragement应用纹理之前的颜色，GL_PREVIOUS：前一轮组合函数的输出值，对于纹理单元0来说，等同于GL_PRIMARY_COLOR。一般来说我们把GL_SRC2_RGB（arg2）指定为常量，实际OpenGL默认就是这样的。

对于选定的颜色源，还可以指定使用它的哪一部分参与运算，pname=GL_OPERANDi_RGB，param可以是GL_SRC_COLOR, GL_ONE_MINUS_SRC_COLOR, GL_SRC_ALPHA, or GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA，如果是GL_SRC_ALPHA，那么参与计算的RGB值就是(a,a,a)。pname=GL_OPERANDi_ALPHA，param可以是GL_SRC_ALPHA or GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA.

还可以设定一个scale因子，glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_RGB_SCALE, 1.0);glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_ALPHA_SCALE, 1.0);

10、secondary color

上一节中提到的primary color就是光照效果计算之后的fragment color，应用纹理后，雾效果之前，OpenGL可以给fragment增加一个secondary color以达到更逼真的高光效果。

没有光照的情况下，glSecondaryColor*()设置了颜色，glEnable(GL_COLOR_SUM)开启，则secondary color会被加到纹理之后的fragment上。

在有光照的情况下，将光照处理后的fragment颜色与纹理颜色组合后，会削弱高光效果。这时，可以在处理光照效果是计算两个颜色，一个叫primary color，没有包含specular分量，另一个就是secondary color，值就是specular分量。后者会在texture之后加到fragment。

11、Point Sprites

glPointSize()可以控制点的大小，但纯色的点显然不能满足要求，point sprite就是解决这个问题的。

可以对点图元里面的fragment应用纹理，需要调用glTexEnv*(GL_POINT_SPRITE, GL_COORD_REPLACE,GL_TRUE)激活这个功能。sprite的texture坐标s分量从在sprite最左侧fragement处为0，最右侧为1，线性增加，t分量增可以通过设置来改变方向，glPointParameter(GL_POINT_SPRITE_COORD_ORIGIN，GL_LOWER_LEFT or GL_UPPER_LEFT)。

12、Texture Matrix

就像顶点可以使用模型视图变换，纹理坐标也可以通过一个4x4的矩阵来进行变换。默认这个矩阵就是单位矩阵，调用glMatrixMode(GL_TEXTURE)后，就可以像操作模型矩阵一样操作纹理矩阵了。

13、Depth Texture

光照系统中，并没有为物体生成阴影，通过读取depth buffer作为texture，再加上多轮的渲染，可以生成阴影。

首先把视点移动到光源处，绘制场景，读取depth buffer作为texture保存。

第二次绘制场景，为图元生成纹理坐标，(s,t)用来引用texture的坐标位置，第三维度r则是顶点到光源的距离。

应用纹理时，比较fragment的纹理坐标r和texture (s,t)的值，可以决定对该fragment是否应用阴影纹理。