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第五课：带纹理的立方体

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小牛编辑
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2023-12-01

第五课：纹理立方体

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
  • 什么是滤波？什么是mipmap？怎样使用？
  • 怎样利用GLFW更加有效地加载纹理？
  • 什么是alpha通道？

关于UV坐标

给一个模型贴纹理时，需要通过某种方式告诉OpenGL用哪一块图像来填充三角形。这是借助UV坐标来实现的。

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

注意纹理是怎样在三角形上扭曲的。

自行加载.BMP图片

了解BMP文件格式并不重要：很多库可以帮你做这个。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，以便你理解其工作原理，不过（在实际工程中）千万别再用这个实验品。

如下是加载函数的声明：

  1. GLuint loadBMP_custom(const char * imagepath);

使用方式如下：

  1. 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。

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

现在正式开始打开文件。

  1. // Open the file
  2. FILE * file = fopen(imagepath,"rb");
  3. 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：

  1. if ( fread(header, 1, 54, file)!=54 ){ // If not 54 bytes read : problem
  2.     printf("Not a correct BMP filen");
  3.     return false;
  4. }

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，你会看到如下情形：

因此，得检查一下头两个字节是否确为‘B’和‘M’：

  1. if ( header[0]!='B' || header[1]!='M' ){
  2.     printf("Not a correct BMP filen");
  3.     return 0;
  4. }

现在可以读取文件中图像大小、数据位置等信息了：

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

如果这些信息缺失得手动补齐：

  1. // Some BMP files are misformatted, guess missing information
  2. if (imageSize==0)    imageSize=width*height*3; // 3 : one byte for each Red, Green and Blue component
  3. 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：

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

到了真正的OpenGL部分了。创建纹理和创建顶点缓冲器差不多：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则说明在内存中颜色值是如何存储的。实际上，BMP存储的并不是RGB，而是BGR，因此得把这个告诉OpenGL。

  1. // Create one OpenGL texture
  2. GLuint textureID;
  3. glGenTextures(1, &textureID);
  5. // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture
  6. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
  8. // Give the image to OpenGL
  9. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0,GL_RGB, width, height, 0, GL_BGR, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
  11. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
  12. 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：

  1. 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

先来看看片断着色器。大部分代码一目了然：

  1. #version 330 core    
  2. // Interpolated values from the vertex shaders
  3. in vec2 UV;
  5. // Ouput data
  6. out vec3 color;
  8. // Values that stay constant for the whole mesh.
  9. uniform sampler2D myTextureSampler;
  11. void main(){
  13.     // Output color = color of the texture at the specified UV
  14.     color = texture( myTextureSampler, UV ).rgb;
  15. }

注意三个点：

  • 片断着色器需要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坐标传给片断着色器：

  1. #version 330 core
  2. // Input vertex data, different for all executions of this shader.
  3. layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace;
  4. layout(location = 1) in vec2 vertexUV;
  6. // Output data ; will be interpolated for each fragment.
  7. out vec2 UV;
  9. // Values that stay constant for the whole mesh.
  10. uniform mat4 MVP;
  12. void main(){
  14.     // Output position of the vertex, in clip space : MVP * position
  15.     gl_Position =  MVP * vec4(vertexPosition_modelspace,1);
  17.     // UV of the vertex. No special space for this one.
  18.     UV = vertexUV;
  19. }

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，但这次的缓冲器中放的不是(R,G,B)三元组，而是(U,V)数对。

  1. // Two UV coordinatesfor each vertex. They were created with Blender. You'll learn shortly how to do this yourself.
  2. static const GLfloat g_uv_buffer_data[] = {
  3.     0.000059f, 1.0f-0.000004f,
  4.     0.000103f, 1.0f-0.336048f,
  5.     0.335973f, 1.0f-0.335903f,
  6.     1.000023f, 1.0f-0.000013f,
  7.     0.667979f, 1.0f-0.335851f,
  8.     0.999958f, 1.0f-0.336064f,
  9.     0.667979f, 1.0f-0.335851f,
  10.     0.336024f, 1.0f-0.671877f,
  11.     0.667969f, 1.0f-0.671889f,
  12.     1.000023f, 1.0f-0.000013f,
  13.     0.668104f, 1.0f-0.000013f,
  14.     0.667979f, 1.0f-0.335851f,
  15.     0.000059f, 1.0f-0.000004f,
  16.     0.335973f, 1.0f-0.335903f,
  17.     0.336098f, 1.0f-0.000071f,
  18.     0.667979f, 1.0f-0.335851f,
  19.     0.335973f, 1.0f-0.335903f,
  20.     0.336024f, 1.0f-0.671877f,
  21.     1.000004f, 1.0f-0.671847f,
  22.     0.999958f, 1.0f-0.336064f,
  23.     0.667979f, 1.0f-0.335851f,
  24.     0.668104f, 1.0f-0.000013f,
  25.     0.335973f, 1.0f-0.335903f,
  26.     0.667979f, 1.0f-0.335851f,
  27.     0.335973f, 1.0f-0.335903f,
  28.     0.668104f, 1.0f-0.000013f,
  29.     0.336098f, 1.0f-0.000071f,
  30.     0.000103f, 1.0f-0.336048f,
  31.     0.000004f, 1.0f-0.671870f,
  32.     0.336024f, 1.0f-0.671877f,
  33.     0.000103f, 1.0f-0.336048f,
  34.     0.336024f, 1.0f-0.671877f,
  35.     0.335973f, 1.0f-0.335903f,
  36.     0.667969f, 1.0f-0.671889f,
  37.     1.000004f, 1.0f-0.671847f,
  38.     0.667979f, 1.0f-0.335851f
  39. };

上述UV坐标对应于下面的模型：

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

结果如下：

放大后：

什么是滤波和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，有两行这样写道：

  1. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
  2. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

这意味着在片断着色器中，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。

线性滤波（Linear filtering）

若采用线性滤波。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。

线性滤波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，可以采用各向异性滤波，不过速度上有些慢。

各向异性滤波（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，各向异性滤波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

线性滤波和各向异性滤波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，这样做没有考虑性能问题。相反，人们引入了mipmap这一概念：

  • 一开始，把图像缩小到原来的1/2，接着一次做下去，直到图像只有1×1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：

  1. // When MAGnifying the image (no bigger mipmap available), use LINEAR filtering
  2. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
  3. // When MINifying the image, use a LINEAR blend of two mipmaps, each filtered LINEARLY too
  4. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
  5. // Generate mipmaps, by the way.
  6. 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）：

  1. GLuint loadTGA_glfw(const char * imagepath){
  3.     // Create one OpenGL texture
  4.     GLuint textureID;
  5.     glGenTextures(1, &textureID);
  7.     // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture
  8.     glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
  10.     // Read the file, call glTexImage2D with the right parameters
  11.     glfwLoadTexture2D(imagepath, 0);
  13.     // Nice trilinear filtering.
  14.     glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
  15.     glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
  16.     glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
  17.     glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
  18.     glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
  20.     // Return the ID of the texture we just created
  21.     return textureID;
  22. }

压缩纹理

学到这儿，你可能会想怎样加载JPEG文件而不是TGA文件呢？

简单的说：别这么干。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，才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：

  1. GLuint loadDDS(const char * imagepath){
  3.     unsigned char header[124];
  5.     FILE *fp;
  7.     /* try to open the file */
  8.     fp = fopen(imagepath, "rb");
  9.     if (fp == NULL)
  10.         return 0;
  12.     /* verify the type of file */
  13.     char filecode[4];
  14.     fread(filecode, 1, 4, fp);
  15.     if (strncmp(filecode, "DDS ", 4) != 0) {
  16.         fclose(fp);
  17.         return 0;
  18.     }
  20.     /* get the surface desc */
  21.     fread(&header, 124, 1, fp); 
  23.     unsigned int height      = *(unsigned int*)&(header[8 ]);
  24.     unsigned int width         = *(unsigned int*)&(header[12]);
  25.     unsigned int linearSize     = *(unsigned int*)&(header[16]);
  26.     unsigned int mipMapCount = *(unsigned int*)&(header[24]);
  27.     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：

  1.     unsigned char * buffer;
  2.     unsigned int bufsize;
  3.     /* how big is it going to be including all mipmaps? */
  4.     bufsize = mipMapCount > 1 ? linearSize * 2 : linearSize;
  5.     buffer = (unsigned char*)malloc(bufsize * sizeof(unsigned char));
  6.     fread(buffer, 1, bufsize, fp);
  7.     /* close the file pointer */
  8.     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。

  1.     unsigned int components  = (fourCC == FOURCC_DXT1) ? 3 : 4;
  2.     unsigned int format;
  3.     switch(fourCC)
  4.     {
  5.     case FOURCC_DXT1:
  6.         format = GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1_EXT;
  7.         break;
  8.     case FOURCC_DXT3:
  9.         format = GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT3_EXT;
  10.         break;
  11.     case FOURCC_DXT5:
  12.         format = GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT5_EXT;
  13.         break;
  14.     default:
  15.         free(buffer);
  16.         return 0;
  17.     }

像往常一样创建纹理：

  1.     // Create one OpenGL texture
  2.     GLuint textureID;
  3.     glGenTextures(1, &textureID);
  5.     // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture
  6.     glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);

现在只需逐个填充mipmap：

  1.     unsigned int blockSize = (format == GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1_EXT) ? 8 : 16;
  2.     unsigned int offset = 0;
  4.     /* load the mipmaps */
  5.     for (unsigned int level = 0; level < mipMapCount && (width || height); ++level)
  6.     {
  7.         unsigned int size = ((width+3)/4)*((height+3)/4)*blockSize;
  8.         glCompressedTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, level, format, width, height, 
  9.             0, size, buffer + offset);
  11.         offset += size;
  12.         width  /= 2;
  13.         height /= 2;
  14.     }
  15.     free(buffer); 
  17.     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.v, 1.0-coord.v)来获取正确的纹素。这步操作何时做都可以：可以在导出脚本中做，可以在加载器中做，也可以在着色器中做……

总结

刚刚学习的是创建、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
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