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计算机图形学编程(使用OpenGL和C++)(第2版)学习笔记 05.纹理贴图

ops 2025/9/7 3:08:08

1. 纹理贴图

纹理贴图是 OpenGL 中用于将图像数据映射到几何体表面的技术。通过纹理贴图，可以为 3D 模型添加细节和真实感，例如颜色、光照、凹凸效果等。

1.1. 纹理坐标

每个顶点(x,y,z)都对应一个纹理坐标(u,v)，纹理坐标用于确定纹理图像在顶点上的映射位置。纹理坐标通常是一个二维向量，其中 u 和 v 分别表示纹理图像的 U 和 V 坐标。U 坐标表示纹理图像在水平方向上的位置，V 坐标表示纹理图像在垂直方向上的位置。

上图是纹理坐标的示意图，其中 (0,0) 表示纹理图像的左下角，(1,1) 表示纹理图像的右上角。

上图是纹理坐标在 3D 模型上的应用示例，其中顶点 (0,0,0) 对应纹理坐标 (0,0)

注意：

由于模型面的宽高比与纹理图像的宽高比可能存在不一致的情况，这就为涉及到图像的变形。
模型面的大小与纹理图像的大小也可能存在不一致的情况，这就为涉及到图像的拉伸或缩放。
纹理坐标通常使用 0 到 1 之间的浮点数表示，而不是使用像素坐标。

1.2. 纹理贴图步骤

加载纹理图像
创建纹理对象
将纹理对象绑定到目标
将纹理图像传递给纹理对象
使用纹理坐标将纹理映射到几何体表面

1.2.1. 加载纹理图像

 // 生成纹理对象texture = util.loadTexture("./texture/brick1.jpg"); // 加载纹理if (texture <= 0){cout << "Error loading texture" << endl;// exit(1);} // 检查纹理加载是否成功glActiveTexture(GL_TEXTURE0);                                     // 激活纹理单元 0glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);                            // 绑定纹理对象glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); // 设置纹理过滤参数：最小过滤

纹理图像加载成功且绑定到GL_TEXTURE0后，在片段着色器中，纹理图像会自动传递给纹理单元 0
即片段着色器中采用如下代码拿到纹理图像

layout (binding=0) uniform sampler2D tex0;

layout(binding = 0): 这个语法告诉图形驱动程序，这个特定的资源（例如一个纹理采样器）应该在绑定点 0 上被访问。绑定点是一个抽象的概念，用于在着色器和应用程序之间映射资源。

可用纹理单元的数量取新决于GPU上提供的数量，据据OpenGL 规范，要求每个着色器至少有 16 个纹理单元。

1.2.2. 纹理坐标定义

纹理坐标定义有两种方式：

在定义顶点坐标时，同时定义纹理坐标，即每个顶点除了有(x,y,z)坐标外，还有(u,v)纹理坐标。这种方式参见第4章定义顶点坐标同时定义顶点颜色的示例
顶点坐标和纹理坐标分开定义，此种方式容易理解，在配置时也比较灵活，本节代码使用此种方式

float pyramidPositions[54] ={-1.0f, -1.0f, 1.0f, 1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,    // front1.0f, -1.0f, 1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,    // right1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,  // back-1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,  // left-1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, // LF1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f  // RR};float textureCoordinates[36] ={0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f};glGenVertexArrays(1, vao);  // 生成 VAOglBindVertexArray(vao[0]);  // 绑定 VAOglGenBuffers(numVBOs, vbo); // 生成 VBOglBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);                                                     // 绑定 VBOglBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(pyramidPositions), pyramidPositions, GL_STATIC_DRAW); // 将顶点数据传递到 VBO// glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]); // 绑定 VBOglVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, false, 0, (void *)0); // 设置顶点属性指针：坐标glEnableVertexAttribArray(0);                               // 启用顶点属性glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);                                                         // 绑定 VBOglBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(textureCoordinates), textureCoordinates, GL_STATIC_DRAW); // 将纹理坐标数据传递到 VBOglVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, false, 0, (void *)0); // 设置顶点属性指针：坐标glEnableVertexAttribArray(1);                               // 启用顶点属性

由于我们已经启用了顶点属性，纹理坐标数据会自动传递到顶点着色器中

1.2.3. 顶点着色器

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30layout (location=0) in vec3 position;
layout (location=1) in vec2 texCoord; // 输入变量，表示顶点的颜色，绑定到 location = 1// 输入变量，表示顶点的三维位置，绑定到 location = 0uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，表示模型-视图矩阵，用于将顶点从模型空间变换到视图空间uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，表示投影矩阵，用于将顶点从视图空间变换到裁剪空间out vec2 tc;
// 输出变量，表示顶点的颜色，绑定到 location = 0
void main(void)
// 主函数，计算顶点的最终位置
{gl_Position = proj_matrix * mv_matrix * vec4(position,1.0);// 将顶点位置从模型空间依次变换到视图空间和裁剪空间// 最终结果存储在内置变量 gl_Position 中，用于后续的光栅化阶段tc = texCoord;}

每个顶点的纹理坐标会自动经过插值传递到片段着色器中

1.2.4. 片段着色器

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30in vec2 tc;
// 输入变量，表示顶点的颜色（未使用）
out vec4 color;
// 输出变量，表示片段的最终颜色uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，模型-视图矩阵（未使用）uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，投影矩阵（未使用）
//layout (binding=0) uniform sampler2D tex0;
uniform sampler2D tex0;
void main(void)
// 主函数，计算片段的最终颜色
{color = texture(tex0, tc);
}

1.3. 多级渐远纹理贴图

多级渐隐纹理映射（Mipmapping），是一种在计算机图形学中用于提高纹理渲染质量和性能的技术。其主要目的是在不同距离和分辨率下提供合适的纹理细节，同时减少渲染过程中的资源消耗和视觉上的瑕疵，如闪烁和摩尔纹。

工作原理

生成多级纹理：

原始纹理（Level 0）被缩小，生成一系列逐渐缩小的纹理图像，形成一个纹理金字塔，每一级（Level）的纹理大小是前一级的一半。
例如，一个256x256的纹理会有8级（包括原始纹理），尺寸分别为256x256、128x128、64x64、32x32、16x16、8x8、4x4、2x2和1x1。
2. 选择合适的纹理级别：

在渲染过程中，根据物体表面的观察距离和屏幕上像素的大小，动态选择最合适的纹理级别。
靠近观察者的表面使用较高分辨率的纹理（较高级别），而远离观察者的表面使用较低分辨率的纹理（较低级别）。
3. 过滤和混合：

为了在不同级别之间实现平滑过渡，通常会使用线性插值等方法进行混合，以避免出现明显的纹理切换痕迹。
优点

提高渲染质量：通过提供适合当前观察条件的纹理细节，减少了视觉上的瑕疵，提高了图像的整体质量。
提升性能：使用较低分辨率的纹理来渲染远距离物体，减少了显存带宽和处理器的负担，提高了渲染速度。

1.3.1. 函数说明

1.3.1.1. glTexParameteri

在OpenGL中，glTexParameteri函数用于设置纹理参数。其函数原型如下：

void glTexParameteri(GLenum target, GLenum pname, GLint param);

参数说明

target：

指定纹理目标的类型。常见的值包括：

GL_TEXTURE_1D：一维纹理。
GL_TEXTURE_2D：二维纹理。
GL_TEXTURE_3D：三维纹理。
GL_TEXTURE_CUBE_MAP：立方体贴图。

pname：

指定要设置的纹理参数名称。常见的值包括：

GL_TEXTURE_MIN_FILTER：设置纹理缩小过滤模式。
GL_TEXTURE_MAG_FILTER：设置纹理放大过滤模式。
GL_TEXTURE_WRAP_S：设置纹理在S（水平）方向的环绕模式。
GL_TEXTURE_WRAP_T：设置纹理在T（垂直）方向的环绕模式。
GL_TEXTURE_WRAP_R：设置纹理在R（深度）方向的环绕模式（仅适用于3D纹理）。

param：

指定参数的具体值。根据pname的不同，param可以取不同的值。例如：
对于GL_TEXTURE_MIN_FILTER和GL_TEXTURE_MAG_FILTER，常见的值包括：

GL_NEAREST：最近邻过滤。
GL_LINEAR：线性过滤。
GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST：最近邻Mipmap过滤。
GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST：线性Mipmap过滤。
GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR：最近邻Mipmap线性过滤。
GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR：线性Mipmap线性过滤（三线性过滤）。
对于GL_TEXTURE_WRAP_S、GL_TEXTURE_WRAP_T和GL_TEXTURE_WRAP_R，常见的值包括：
GL_REPEAT：重复纹理。
GL_MIRRORED_REPEAT：镜像重复纹理。
GL_CLAMP_TO_EDGE：将纹理坐标钳制到边缘。
GL_CLAMP_TO_BORDER：将纹理坐标钳制到边框颜色。