OpenGL- 纹理及相关API

一、什么是纹理？

艺术家和程序员更喜欢使用纹理(Texture)。纹理是一个2D图片（甚至也有1D和3D的纹理），它可以用来添加物体的细节；你可以想象纹理是一张绘有砖块的纸，无缝折叠贴合到你的3D的房子上，这样你的房子看起来就像有砖墙外表了。因为我们可以在一张图片上插入非常多的细节，这样就可以让物体非常精细而不用指定额外的顶点。

除了图像以外，纹理也可以被用来储存大量的数据，这些数据可以发送到着色器上，但是这不是我们现在的主题。

image

为了能够把纹理映射(Map)到三角形上，我们需要指定三角形的每个顶点各自对应纹理的哪个部分。这样每个顶点就会关联着一个纹理坐标(Texture Coordinate)，用来标明该从纹理图像的哪个部分采样（采集片段颜色）。之后在图形的其它片段上进行片段插值(Fragment Interpolation)。

纹理坐标在x和y轴上，范围为0到1之间（注意我们使用的是2D纹理图像）。使用纹理坐标获取纹理颜色叫做采样(Sampling)。纹理坐标起始于(0, 0)，也就是纹理图片的左下角，终始于(1, 1)，即纹理图片的右上角。下面的图片展示了我们是如何把纹理坐标映射到三角形上的。

image

我们为三角形指定了3个纹理坐标点。如上图所示，我们希望三角形的左下角对应纹理的左下角，因此我们把三角形左下角顶点的纹理坐标设置为(0, 0)；三角形的上顶点对应于图片的上中位置所以我们把它的纹理坐标设置为(0.5, 1.0)；同理右下方的顶点设置为(1, 0)。我们只要给顶点着色器传递这三个纹理坐标就行了，接下来它们会被传片段着色器中，它会为每个片段进行纹理坐标的插值。

纹理坐标看起来就像这样：

float texCoords[] = {
    0.0f, 0.0f, // 左下角
    1.0f, 0.0f, // 右下角
    0.5f, 1.0f // 上中
};

二、图像存储

• 图像的大小和图片本身是有直接关系的

图像存储空间 = 图像的高度 * 图像宽度 * 每个像素的字节数

• 改变、恢复像素存储⽅方式
  API如下：

void glPixelStorei(GLenum pname,GLint param);
void glPixelStoref(GLenum pname,GLfloat param);

参数说明
pname：GL_UNPACK_ALIGNMENT 指定 OpenGL 如何从数据缓存区中解包图像
param：表示参数GL_UNPACK_ALIGNMENT 设置的值，允许设置为
1: byte排列
2: 排列为偶数byte的⾏
4: 字word排列
8: 行从双字节边界开始

这俩函数用途是一样的，只不过函数名一个是 i 结尾，一个是 f 结尾，区别只是第二个参数的类型，i 的是 GLint，f 的是 GLfloat。

• 从颜色缓存区内容作为像素图直接读取
  API 如下：

void glReadPixels(GLint x,GLint y,GLSizei width,GLSizei height, GLenum format, GLenum type,const void * pixels);

参数说明
x：矩形左下角的窗⼝坐标
y：矩形左下⻆的窗口坐标
width：矩形的宽，以像素为单位
height：矩形的⾼，以像素为单位
format：OpenGL 的像素格式，参考 表2-1
type：解释参数 pixels 指向的数据，告诉 OpenGL 使⽤用缓存区中的什么，数据类型来存储颜色分量，像素数据的数据类型 。参考 表2-2
pixels：指向图形数据的指针

三、纹理相关API：

1. 载⼊纹理

void glTexImage1D(GLenum target, GLint level, GLint internalformat, GLsizei width, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *pixels);

void glTexImage2D(GLenum target, GLint level, GLint internalformat, GLsizei width, GLsizei height, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *pixels);

void glTexImage3D(GLenum target, GLint level, GLint internalformat, GLsizei width, GLsizei height, GLsizei depth, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *pixels);

相关参数：

• target： 纹理维度 GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D。
• Level： 指定所加载的mip贴图层次。⼀一般我们都把这个参数设置为 0。
• internalformat： 每个纹理单元中存储多少颜色成分。（从读取像素图时获得）
• width、height、depth 参数： 指加载纹理的宽度、⾼度、深度。注意! 这些值必须是 2 的整数次方。(这是因为 OpenGL 旧版本上的遗留下的⼀个要求。当然现在已经可以⽀持不是 2 的整数次方。但是开发者们还是习惯使⽤用以 2 的整数次方去设置这些参数。)
• border 参数： 允许为纹理理贴图指定⼀一个边界宽度。
• format 参数： 像素数据的数据类型（GL_UNSIGNED_BYTE，每个颜色分量都是一个 8 位无符号整数）
• type 参数：
• data 参数： 指向纹理图像数据的指针

2. 更新纹理

更新一个纹理图像常常要比直接使用 glTexImage 重新加载一个新纹理快得多。用于完成这个任务的函数就是 glTexSubImage，它同样有3 个变型。

void glTexSubImage1D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLsizei width,GLenum
  format,GLenum type,const GLvoid *data);

void glTexSubImage2D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLint yOffset,GLsizei
  width,GLsizei height,GLenum format,GLenum type,const GLvoid *data);

void glTexSubImage3D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLint yOffset,GLint
  zOffset,GLsizei width,GLsizei height,GLsizei depth,Glenum type,const GLvoid * data);

参数说明
绝大部分参数都与 glTexImage 函数的参数准确地对应。xOffset、yOffset 和 zOffset 参数指定了在原来的纹理贴图中开始替换纹理数据的偏移量。width、height** 和depth` 参数指定了“插入”到原来那个纹理中的新纹理的宽度、高度和深度。

3. 插入替换纹理

下面这组函数允许我们从颜色缓冲区读取纹理，并插入或替换原来纹理的一部分。下面这组函数都是 glCopyTexSubImage 函数的变型。

void glTexSubImage1D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLsizei width,GLenum
  format,GLenum type,const GLvoid *data);

void glTexSubImage2D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLint yOffset,GLsizei
  width,GLsizei height,GLenum format,GLenum type,const GLvoid *data);

void glTexSubImage3D(GLenum target,GLint level,GLint xOffset,GLint yOffset,GLint
  zOffset,GLsizei width,GLsizei height,GLsizei depth,Glenum type,const GLvoid * data);

注意：
这里并没有 glCopyTexImage 函数。这是因为颜色缓冲区是 2D 的，不存在一种对应的方法来将一副 2D 彩色图像作为一个 3D 纹理的来源。但是，我们可以使用 glCopyTexSubImage3D 函数，在一个三维纹理中使用颜色缓冲区的数据来设置它的一个纹理单元平面。

4. 使⽤颜⾊缓存区加载数据,形成新的纹理使用

一维和二维纹理也可以从颜色缓冲区加载数据。我们可以从颜色缓冲区读取一幅图像，并通过下面这两个函数将它作为一个新的纹理使用

void glCopyTexImage1D(GLenum target,GLint level,GLenum
  internalformt,GLint x,GLint y,GLsizei width,GLint border);
void glCopyTexImage2D(GLenum target,GLint level,GLenum
  internalformt,GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei
  height,GLint border);

5. 纹理对象

1）分配纹理对象
glGenTextures函数首先需要输入生成纹理的数量，然后把它们储存在第二个参数的unsigned int数组中。

void glGenTextures (GLsizei n, GLuint *textures);

2）绑定纹理
创建了纹理之后，我们需要绑定它，让之后任何的纹理指令都可以配置当前绑定的纹理。

void glBindTexture (GLenum target, GLuint texture);

参数说明

• target： GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D
• texture： 需要绑定的纹理对象

3）删除绑定的纹理对象

void glDeleteTextures (GLsizei n, const GLuint *textures);

参数说明

• n: 纹理理对象
• textures: 纹理理对象指针(指针指向一个⽆无符号整形数组，由纹理对象标识符填充)。

5）测试纹理对象是否有效
如果texture是一个已经分配空间的纹理对象，那么这个函数会返回GL_TRUE,否则会返回GL_FALSE。

GLboolean glIsTexture(GLuint texture)

6. 设置纹理参数

很多参数的应用都会影响渲染的规则和纹理贴图的行为。这些纹理参数都是通过 glTexParameter 函数的变量进行设置的。

void glTexParameterf (GLenum target, GLenum pname, GLfloat param);
void glTexParameterfv (GLenum target, GLenum pname, const GLfloat *params);
void glTexParameteri (GLenum target, GLenum pname, GLint param);
void glTexParameteriv (GLenum target, GLenum pname, const GLint *params);

参数说明

• target，指定这些参数将要应⽤在哪个纹理模式上，⽐如 GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D。
• pname，指定了需要设置哪个纹理参数
• param 或 params，用于设置特定的纹理参数的值

7、纹理环绕方式

纹理坐标的范围通常是从(0, 0)到(1, 1)，那如果我们把纹理坐标设置在范围之外会发生什么？OpenGL默认的行为是重复这个纹理图像（我们基本上忽略浮点纹理坐标的整数部分），但OpenGL提供了更多的选择：

环绕方式	描述
GL_REPEAT	对纹理的默认行为。重复纹理图像。
GL_MIRRORED_REPEAT	和GL_REPEAT 一样，但每次重复图片是镜像放置的。
GL_CLAMP_TO_EDGE	纹理坐标会被约束在0到1之间，超出的部分会重复纹理坐标的边缘，产生一种边缘被拉伸的效果。
GL_CLAMP_TO_BORDER	超出的坐标为用户指定的边缘颜色。

当纹理坐标超出默认范围时，每个选项都有不同的视觉效果输出。我们来看看这些纹理图像的例子：

环绕方式

前面提到的每个选项都可以使用glTexParameter函数对单独的一个坐标轴设置（s、t（如果是使用3D纹理那么还有一个r）它们和x、y、z是等价的）：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_MIRRORED_REPEAT);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_MIRRORED_REPEAT);

第一个参数指定了纹理目标；我们使用的是2D纹理，因此纹理目标是GL_TEXTURE_2D。第二个参数需要我们指定设置的选项与应用的纹理轴。我们打算配置的是WRAP选项，并且指定S和T轴。最后一个参数需要我们传递一个环绕方式(Wrapping)，在这个例子中OpenGL会给当前激活的纹理设定纹理环绕方式为GL_MIRRORED_REPEAT。

如果我们选择GL_CLAMP_TO_BORDER选项，我们还需要指定一个边缘的颜色。这需要使用glTexParameter函数的fv后缀形式，用GL_TEXTURE_BORDER_COLOR作为它的选项，并且传递一个float数组作为边缘的颜色值：

float borderColor[] = { 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f };
glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, borderColor);

8. 纹理过滤方式

纹理坐标不依赖于分辨率(Resolution)，它可以是任意浮点值，所以OpenGL需要知道怎样将纹理像素(Texture Pixel，也叫Texel，译注1)映射到纹理坐标。当你有一个很大的物体但是纹理的分辨率很低的时候这就变得很重要了。你可能已经猜到了，OpenGL也有对于纹理过滤(Texture Filtering)的选项。纹理过滤有很多个选项，但是现在我们只讨论最重要的两种：GL_NEAREST和GL_LINEAR。

GL_NEAREST（也叫邻近过滤，Nearest Neighbor Filtering）是OpenGL默认的纹理过滤方式。当设置为GL_NEAREST的时候，OpenGL会选择中心点最接近纹理坐标的那个像素。下图中你可以看到四个像素，加号代表纹理坐标。左上角那个纹理像素的中心距离纹理坐标最近，所以它会被选择为样本颜色：

临近过滤

GL_LINEAR（也叫线性过滤，(Bi)linear Filtering）它会基于纹理坐标附近的纹理像素，计算出一个插值，近似出这些纹理像素之间的颜色。一个纹理像素的中心距离纹理坐标越近，那么这个纹理像素的颜色对最终的样本颜色的贡献越大。下图中你可以看到返回的颜色是邻近像素的混合色：

线性过滤

那么这两种纹理过滤方式有怎样的视觉效果呢？让我们看看在一个很大的物体上应用一张低分辨率的纹理会发生什么吧（纹理被放大了，每个纹理像素都能看到）：

对比

GL_NEAREST产生了颗粒状的图案，我们能够清晰看到组成纹理的像素，而GL_LINEAR能够产生更平滑的图案，很难看出单个的纹理像素。GL_LINEAR可以产生更真实的输出，但有些开发者更喜欢8-bit风格，所以他们会用GL_NEAREST选项。

当进行放大(Magnify)和缩小(Minify)操作的时候可以设置纹理过滤的选项，比如你可以在纹理被缩小的时候使用邻近过滤，被放大时使用线性过滤。我们需要使用glTexParameter函数为放大和缩小指定过滤方式。这段代码看起来会和纹理环绕方式的设置很相似：

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

9.多级渐远纹理（Mipmap）

想象一下，假设我们有一个包含着上千物体的大房间，每个物体上都有纹理。有些物体会很远，但其纹理会拥有与近处物体同样高的分辨率。由于远处的物体可能只产生很少的片段，OpenGL从高分辨率纹理中为这些片段获取正确的颜色值就很困难，因为它需要对一个跨过纹理很大部分的片段只拾取一个纹理颜色。在小物体上这会产生不真实的感觉，更不用说对它们使用高分辨率纹理浪费内存的问题了。

OpenGL使用一种叫做多级渐远纹理(Mipmap)的概念来解决这个问题，它简单来说就是一系列的纹理图像，后一个纹理图像是前一个的二分之一。多级渐远纹理背后的理念很简单：距观察者的距离超过一定的阈值，OpenGL会使用不同的多级渐远纹理，即最适合物体的距离的那个。由于距离远，解析度不高也不会被用户注意到。同时，多级渐远纹理另一加分之处是它的性能非常好。让我们看一下多级渐远纹理是什么样子的：

多级渐远纹理

手工为每个纹理图像创建一系列多级渐远纹理很麻烦，幸好OpenGL有一个glGenerateMipmaps函数，在创建完一个纹理后调用它OpenGL就会承担接下来的所有工作了。后面的教程中你会看到该如何使用它。

在渲染中切换多级渐远纹理级别(Level)时，OpenGL在两个不同级别的多级渐远纹理层之间会产生不真实的生硬边界。就像普通的纹理过滤一样，切换多级渐远纹理级别时你也可以在两个不同多级渐远纹理级别之间使用NEAREST和LINEAR过滤。为了指定不同多级渐远纹理级别之间的过滤方式，你可以使用下面四个选项中的一个代替原有的过滤方式：

过滤方式	描述
GL_NEAREST	在Mip基层上执⾏最邻近过滤
GL_LINEAR	在Mip基层执⾏线性过滤
GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST	使用最邻近的多级渐远纹理来匹配像素大小，并使用邻近插值进行纹理采样
GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST	使用最邻近的多级渐远纹理级别，并使用线性插值进行采样
GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR	在两个最匹配像素大小的多级渐远纹理之间进行线性插值，使用邻近插值进行采样
GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR	在两个邻近的多级渐远纹理之间使用线性插值，并使用线性插值进行采样

就像纹理过滤一样，我们可以使用glTexParameteri将过滤方式设置为前面四种提到的方法之一：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

一个常见的错误是，将放大过滤的选项设置为多级渐远纹理过滤选项之一。这样没有任何效果，因为多级渐远纹理主要是使用在纹理被缩小的情况下的：纹理放大不会使用多级渐远纹理，为放大过滤设置多级渐远纹理的选项会产生一个GL_INVALID_ENUM错误代码。

10.压缩纹理

• 通⽤压缩纹理格式：

压缩格式	基本内部格式
GL_COMPRESSED_RGB	GL_RGB
GL_COMPRESSED_RGBA	GL_RGBA
GL_COMPRESSED_SRGB	GL_RGB
GL_COMPRESSED_SRGB_ALPHA	GL_RGBA
GL_COMPRESSED_RED	GL_RED
GL_COMPRESSED_RG	GL_RG

• 判断压缩与选择压缩方式

//根据选择的压缩纹理格式，选择最快、最优、⾃⾏选择的算法⽅式选择压缩格式。 
glHint(GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT,GL_FASTEST);
glHint(GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT,GL_NICEST);
glHint(GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT,GL_DONT_CARE);

• 加载压缩纹理

void glCompressedTexImage1D(GLenum target,GLint level,GLenum internalFormat,GLsizei
 width,GLint border,GLsizei imageSize,void *data);
void glCompressedTexImage2D(GLenum target,GLint level,GLenum internalFormat,GLsizei
 width,GLint heigth,GLint border,GLsizei imageSize,void *data);
void glCompressedTexImage3D(GLenum target,GLint level,GLenum internalFormat,GLsizei
 width,GLsizei heigth,GLsizei depth,GLint border,GLsizei imageSize,void *data);

参数说明

• target:GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D、GL_TEXTURE_3D。
• Level:指定所加载的mip贴图层次。⼀般我们都把这个参数设置为0。
• internalformat:每个纹理单元中存储多少颜⾊色成分。
• width、height、depth参数:指加载纹理的宽度、⾼度、深度。==注意!==这些值必须是2的整次⽅。(这是因为OpenGL旧版本上的遗留下的⼀一个要求。当然现在已经可以⽀持不是2的整数次方。但是开发者们还是习惯使用以2的整次方去添加参数。)
• border参数:允许为纹理理贴图指定⼀一个边界宽度。
• format、type、data参数:与我们在讲glDrawPixels 函数对于的参数相同

• glGetTexLevelParameter函数提取的压缩纹理格式

参数	返回
GL_TEXTURE_COMPRESSED	如果纹理被压缩，返回1，否则返回0
GL_TEXTURE_COMPRESSED_IMAGE_SIZE	压缩后的纹理的⼤小(以字节为单位
GL_TEXTURE_INTERNAL_FORMAT	所使⽤的压缩格式
GL_NUM_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS	受⽀持的压缩纹理格式数量
GL_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS	⼀个包含了⼀些常量值的数组，每个常量值对应于⼀种受⽀持的压缩纹理格式
GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT	压缩纹理提示的值(GL/NICEST/GL_FASTEST)

• GL_EXT_texture_compression_s3tc压缩格式

格式	描述
GL_COMPRESSED_RGB_S3TC_DXT1	RGB数据被压缩，alpha值始终是1.0
GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1	RGBA数据被压缩，alpha值返回1.0或者0.0
GL_COMPRESSED_RGAB_S3TC_DXT3	RGB值被压缩，alpha值⽤用4位存储
GL_COMPRESSED_RGBA_SETC_DXT5	RGB数据被压缩，alpha值是⼀一些8位值的加权平均值

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