OpenGL学习笔记四——使用stb_image.h加载纹理，理解Mipmap，实现纹理映射

原理说明

概念介绍

UV坐标

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。

对应的纹理坐标：

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

图片信息

• 纹理（Texture）
  纹理是一个2D图片（甚至也有1D和3D的纹理）。
  图片的格式有多种，如：bmp,jpg,png,tif,gif,pcx,tga,exif,fpx,svg,psd,cdr,pcd,dxf,ufo,eps,ai,raw,WMF,webp
  其中含有透明通道（Alpha值）的类型（RGBA）：
  TIF、TAG、PNG等
  像常见的图片格式（jpg）就不含有Alpha值（RGB）三通道

纹理映射

• 纹理实际上是一个二维数组，它的元素是一些颜色值。
  根据上述的图片格式，每个元素存储的颜色值分别对应RGB和RGBA而每个维度一般为256位，即颜色种类有256256256*256种（四通道RGBA）
• 纹理贴图都有自己的尺寸，如（1920*1080），也就是像素数量，我们在进行纹理映射的时候，首先将贴图转换到对应的纹理坐标上，即将尺寸“压缩”至0-1，对应UV坐标，这里运用了映射关系，可能会对像素进行取舍，映射过程如下：
  
• 映射完成后，再从UV坐标映射到对应的模型上，如果懂3DMax，就有一个展UV的操作，那个就是一张UV图片：

在OpenGL中，如果我们想要给自己的图形加贴图，就要传入UV坐标映射值：
texture coords部分的数据就是点对应的纹理坐标的位置

	float vertices[] = {
		// positions          // texture coords
		 0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, // top right
		 0.5f, -0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, // bottom right
		-0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.0f, // bottom left
		-0.5f,  0.5f, 0.0f,   0.0f, 1.0f  // top left 
	};

然后再把positions数组中的对应的图形（正方形）与UV坐标相映射

纹理坐标映射算法

• Point
  UV坐标上一个点对应贴图上的一个点（一一对应）
• Bilinear
  UV坐标上一个点对应贴图点的周围四个点的平均值
• Trilinear
  UV坐标上一个点对应贴图点的周围八个点的平均值

根据以上分析，可知point映射性能最佳，但贴图精度丢失最严重，Trilinear与此相反
在Unity中的Filter Mode：

在OpenGL中，有这两种映射方式：
GL_NEAREST和GL_LINEAR。
效果图：

OpenGL关于纹理的API

创建

	unsigned int texture1;
    glGenTextures(1, &texture1);

设置图片类型为GL_TEXTURE_2D

	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);

设置重复方式及纹理映射方式

重复方式：

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	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。

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_REPEAT);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);

多级渐远纹理

关于Mipmap（多级渐远纹理），有的时候，我们所见的物体或者模型离摄像机非常远，那么在屏幕上显示的时候就非常小，这样就有一个问题：使用非常大的贴图就会最终映射到非常小的像素块上，导致的问题是：

1. 造成不必要的浪费，使用了非常大的贴图但是利用率低下
2. 纹理采样很长时间无法找到对应的像素点，（texture cache），导致采样速度极慢
   解决方式：
   使用mipmap，示例：
   
   从图片中可以看出，使用mipmap会多占用空间（1/3），但是会加快映射速度
   至于为什么是1/3，可参考我的其他博文：（稍后补上）

过滤方式	描述
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

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

赋值，此过程需要使用stb_image.h库

//加载图片
unsigned char *data = stbi_load("wall.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
	if (data)
	{
	//赋值
		glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
		glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
	}
	else
	{
		std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}

stb_image.h库

简介

stb_image.h是Sean Barrett的一个非常流行的单头文件图像加载库，它能够加载大部分流行的文件格式，并且能够很简单得整合到你的工程之中。stb_image.h可以在这里下载。

添加至项目

使用以上头文件复制到项目中：

使用说明

读取图片：

int width, height, nrChannels;
unsigned char *data = stbi_load("wall.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);

图片的位置在：

#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image.h"

注意：#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION必须在#include "stb_image.h"之前

应用实例

随便建一个cpp写上以下内容

#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image.h"

另建一个一个cpp
其他内容可参考之前的博文：
理解shader
理解基本概念

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include "stb_image.h"
#include <iostream>

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
void processInput(GLFWwindow *window);

// settings
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

const char *vertexShaderSource =
"#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"layout(location = 1) in vec3 aColor;\n"
"layout(location = 2) in vec2 aTexCoord;\n"
"out vec3 ourColor;\n"
"out vec2 TexCoord;\n"
"void main()\n"
"{\n"
   "gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
   "ourColor = aColor;\n"
   "TexCoord = aTexCoord;\n"
"}\0";


const char *fragmentShaderSource = 
"#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"uniform sampler2D ourTexture;\n"
"in vec3 ourColor;\n"
"in vec2 TexCoord;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   FragColor = texture(ourTexture, TexCoord);\n"
"}\n\0";

int main()
{

	glfwInit();
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);



	// glfw window creation
	// --------------------
	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
	if (window == NULL)
	{
		std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	glfwMakeContextCurrent(window);
	glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);


	if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
	{
		std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
		return -1;
	}


	// build and compile our shader program
	// ------------------------------------
	// vertex shader
	int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
	glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
	glCompileShader(vertexShader);
	// check for shader compile errors
	int success;
	char infoLog[512];
	glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
	if (!success)
	{
		glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
	}



	// fragment shader
	int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
	glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
	glCompileShader(fragmentShader);
	// check for shader compile errors
	glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
	if (!success)
	{
		glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
	}



	// link shaders
	int shaderProgram = glCreateProgram();
	glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
	glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
	glLinkProgram(shaderProgram);
	// check for linking errors
	glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
	if (!success) {
		glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
	}

	glDeleteShader(vertexShader);
	glDeleteShader(fragmentShader);


	float vertices[] = {
		// positions          // colors           // texture coords
		 0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, // top right
		 0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 1.0f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, // bottom right
		-0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.0f, 1.0f,   0.0f, 0.0f, // bottom left
		-0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f  // top left 
	};

	unsigned int indices[] = {
	0, 1, 3, // first triangle
	1, 2, 3  // second triangle
	};
	unsigned int VBO, VAO,EBO;
	glGenVertexArrays(1, &VAO);
	glGenBuffers(1, &VBO);
	glGenBuffers(1, &EBO);
	// bind the Vertex Array Object first, then bind and set vertex buffer(s), and then configure vertex attributes(s).
	glBindVertexArray(VAO);

	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);


	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);


	// position attribute
	glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);
	glEnableVertexAttribArray(0);
	// color attribute
	glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
	glEnableVertexAttribArray(1);
	// texture coord attribute
	glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
	glEnableVertexAttribArray(2);

	unsigned int texture;
	glGenTextures(1, &texture);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

	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_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);


	// 加载并生成纹理
	int width, height, nrChannels;
	unsigned char *data = stbi_load("1.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
	//stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
	if (data)
	{
		glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
		glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
	}
	else
	{
		std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}
	stbi_image_free(data);

	// render loop
	// -----------
	while (!glfwWindowShouldClose(window))
	{
		// input
		// -----
		processInput(window);

		glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

		// draw our first triangle
		glUseProgram(shaderProgram);
		glBindVertexArray(VAO);
	
		glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

		glfwSwapBuffers(window);
		glfwPollEvents();
	}

	// 释放资源
	glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
	glDeleteBuffers(1, &VBO);
	glDeleteBuffers(1, &EBO);

	glfwTerminate();
	return 0;
}


void processInput(GLFWwindow *window)
{
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
		glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}
//回调函数
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
	// make sure the viewport matches the new window dimensions; note that width and 
	// height will be significantly larger than specified on retina displays.
	glViewport(0, 0, width, height);
}

运行结果：

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