紋理的基礎知識

2D 紋理

2d紋理是OpenGlES中最基礎和普遍的一種紋理結構。一個2d紋理，就是圖片的資料的一個二維陣列。紋理中每一個獨立的資料單元被稱為texels(“texture pixels”的縮寫)。OpenGLES中紋理影象資料可變被許多種不同的基本格式描繪。

根據影象的基本型別和影象的資料型別，決定了影象中的每一個texel。

當渲染2D紋理是，紋理的座標將成為索引。2D紋理的座標軸別是（s，t）或者是（u，v）。這個座標軸是規範化的，即座標的大小在0.0~1.0之間。取紋理影象的左下角為座標原點（0.0，0.0）

座標超過[0.0,1.0]的範圍是允許的，而對與超出範圍的內容的操作，取決於紋理的包裝方式（wrapping mode）

立方體貼圖紋理（Cubemap Texttures）

OpenGL ES 3.0 支援立方體貼圖紋理。最基本的，一個立方體紋理由6個獨立的2D紋理面組成。每一個2D紋理都是立方體的一個平面。雖然立方體貼圖在3D渲染中有了多元化的進步，但是最普遍的還是被用在環境貼圖中。典型的，在環境貼圖中，將一臺攝像機放置場景的中心點，拍攝6個方位的影象並儲存。

立體貼圖中的Texels通過使用一個3D的向量（s，t，r）來定位。定位時，先根據r確定是6個平面的哪一個平面，在根據（s，t）確定平面上的一點。

立體貼圖紋理的每一個平面都必須是正方形的。

3D紋理

3D紋理可以看做是2D紋理多個切片的一個數組。將2D紋理當做的一個面，將面疊加起來，便是一個立體。這個立體就是3D紋理。3D紋理使用一個3元座標（s,t,r），r座標決定哪一個切面，（s,t）決定在這個切面中的座標。

2D紋理陣列

2D紋理陣列和3D紋理很類似，當時一個3D紋理是表示一張影象，而一個2D紋理陣列，則是表示一組2D影象形成的動畫序列。

紋理物件和載入紋理

一個紋理物件是一個儲存將要被渲染的紋理資料的容器，包括了圖片資料，過濾方式和封裝方式。在OpenGLES中，一個紋理物件通過一個非負整數來標識，這個數是這個紋理物件的一個控制代碼。生產紋理的函式是glGenTextures

void glGenTextures(GLsizei n, GLuint *textures)

n   指定生產的紋理物件的數量
textures 一個非負整數陣列，用了儲存n個紋理物件的ID

通過glGenTextures

void glDeleteTextures(GLsizei n, Gluint *textures)
n   指定刪除的紋理物件的數量
textures 一個非負整數陣列，用了儲存n個紋理物件的ID

當一個紋理物件的id被glGenTextures建立後，程式必須將該紋理進行繫結。只有該紋理被繫結後，後續的操作例如glTexImage2D和glTexParameter才能影響到繫結的紋理物件。執行繫結功能的函式是glBindTexture

void glBindTexture(GLenum target, GLuint texture)

target  將紋理物件和目標GL_TEXTURE_2D,              GL_TEXTURE_3D,GL_TEXTURE_2D_ARRAY或GL_TEXTURE_CUBE_MAP進行綁            定
texture     進行繫結的紋理的控制代碼

一旦紋理被繫結到一個指定的紋理目標，這個紋理物件將會一直維持對這個目標的繫結直到被刪除。在建立一個紋理目標並繫結後，下一步便是使用紋理去載入圖片資料。一個基本的載入2D和立體貼圖紋理的函式是glTexImage2D。另外，在OpenGl ES 3.0 中有幾個可以替代的函式，這些函式被用於指定的2D紋理，包括使用不可變紋理glTexStorage2D和glTexSubImage2D的結合。

void glTextImage2D (GLenum target, GLint level,
                        GLenum internalFormat, GLsizei width,
                        GLsizei height, GLint border,
                        Glenum formate, Glenum type
                        const void * pixels)

target  指定紋理的目標，包括GL_TEXTURE_2D或立體貼圖面目標中的一個(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X,GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_X,等等).
level       指定哪一個級別的mip將被載入。第一個等級被指定為0
internalFormat 紋理儲存的內部格式。包括了無大小限制的內部格式和有大小限制的格式。無大小內部格式包括 GL_RGBA, GL_RGB, GL_LUMINANCE_ALPHA GL_LUMINANCE, GL_ALPHA 有大小的內部格式包括 GL_R8, GL_R8_SNORM, GL_R16F, GL_R32F
GL_R8UI, GL_R16UI, GL_R32UI, GL_R32I
GL_RG8, GL_RG8_SNORM, GL_RG16F, GL_RG32F GL_RG8UI, GL_RG8I, GL_RG16UI, GL_RG32UI GL_RG32I, GL_RGB8, GL_SRGB8, GL_RGB565 GL_RGB8_SNORM, GL_R11F_G11F_B10F
GL_RGB9_E5, GL_RGB16F, GL_RGB32F
GL_RGB8UI, GL_RGB16UI, GL_RGB16I, GL_RGB32UI GL_RGB32I, GL_RGBA8, GL_SRGB8_ALPHA8 GL_RGBA8_SNORM, GL_RGB5_A1, GL_RGBA4 GL_RGB10_A2, GL_RGBA16F, GL_RGBA32F GL_RGBA8UI, GL_RGBA8I, GL_RGB10_A2UI GL_RGBA16UI, GL_RGBA16I, GL_RGBA32I GL_RGBA32UI, GL_DEPTH_COMPONENT16 GL_DEPTH_COMPONENT24, GL_DEPTH_COMPONENT32F GL_DEPTH24_STENCIL8, GL_DEPTH24F_STENCIL8

width  圖片的畫素寬度
heigth 圖片的畫素高度
border 必須為0
formate 輸入紋理資料的格式，可能是GL_RED 
GL_RED_INTEGER
GL_RG
GL_RG_INTEGER
GL_RGB
GL_RGB_INTEGER
GL_RGBA
GL_RGBA_INTEGER
GL_DEPTH_COMPONENT
GL_DEPTH_STENCIL
GL_LUMINANCE_ALPHA
GL_ALPHA

type 輸入的畫素資料的型別；可能是
                  GL_UNSIGNED_BYTE
               GL_BYTE
               GL_UNSIGNED_SHORT
               GL_SHORT
               GL_UNSIGNED_INT
               GL_INT
               GL_HALF_FLOAT
               GL_FLOAT
               GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5
               GL_UNSIGNED_SHORT_4_4_4_4
               GL_UNSIGNED_SHORT_5_5_5_1
               GL_UNSIGNED_INT_2_10_10_10_REV
               GL_UNSIGNED_INT_10F_11F_11F_REV
               GL_UNSIGNED_INT_5_9_9_9_REV
               GL_UNSIGNED_INT_24_8
               GL_FLOAT_32_UNSIGNED_INT_24_8_REV
               GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5

pixels 包含了圖片的畫素資料。這個資料必須包含了（width*height）個畫素，每個畫素根據指定的格式和型別佔用一定的位元組，畫素行必須用GL_UNPACK_ALIGNMENT設定glPixelStorei設定對齊

和紋理載入相關的函式，還有一個glPixelStorei,該函式決定了畫素資料儲存方式。

void glPixelStorei(GLenum pname , GLint param)

pname 指定畫素儲存型別。下面的可選引數將影響當glTexImage2D, glTexImage3D, glTexSubImage2D, 和 glTexSubImage3D被呼叫時，資料如何從記憶體中被解包：GL_UNPACK_ROW_LENGTH, GL_UNPACK_IMAGE_HEIGHT, GL_UNPACK_SKIP_PIXELS, GL_UNPACK_SKIP_ROWS, GL_UNPACK_SKIP_IMAGES, GL_UNPACK_ALIGNMENT
    下列可選引數將影響glReadPixels被呼叫時，資料如何被打包讀入記憶體：GL_PACK_ROW_LENGTH, GL_PACK_IMAGE_HEIGHT, GL_PACK_SKIP_PIXELS, GL_PACK_SKIP_ROWS, GL_PACK_SKIP_IMAGES, GL_PACK_ALIGNMENT
    
param 為打包或解包指定的整形數值。

GL_PACK_xxxxx對紋理的更新沒有任何影響。實際上，除了GL_UNPACK_ALIGNMENT，其他的可選選項很少被使用

glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);

意味著每一個畫素行從位元組邊界開始，換而言之，資料被緊密打包。該值的預設值是4，表示畫素行被認定從4位元組的邊界開始。

紋理過濾和mip貼圖

紋理座標用於生成一個2D索引，從紋理貼圖中讀取。當縮小和放大過濾器設定為GL_NEAREST時，就會發生這樣的情況：一個texels將在提供的紋理座標位置上讀取。這樣稱作點取樣或最近取樣。

然而，最近取樣可能產生視覺偽像。一個偽像的產生是因為一個影象在螢幕中變小，導致畫素之間的紋理座標產生了巨大跳躍。這造成了從一個張巨大的紋理圖中讀取了少量的採用點，從而導致了鋸齒偽像的產生。

解決這一問題的方法是，採用mip貼圖。所謂的mip貼圖，就是通過當前的螢幕解析度，生成較低的螢幕解析度的圖片，形成一個圖片鏈。比如現在有一張64*64的圖片，採用mip貼圖，會生成32*32,16*16,8*8,4*4,2*2,1*1,等低解析度的圖片。這些圖片中，最原始的被稱為0級層。每低一個低階的層，都是由上等級的圖片生成的，畫素合併規則是，將每個圖層的2*2的畫素點相加取平均值，作為下一層的一個畫素點。

縮小過濾發生在螢幕中的多邊形小於紋理大大小時。放大過濾發生在螢幕中多邊大於紋理的大小時。對於放大過濾，mip貼圖沒有影響。對於縮小過濾，mip貼圖可以保證畫素的平滑

通過glTexParameter[i|f][v]來設定紋理的的引數

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

target 紋理目標
pname 進行設定的紋理屬性，可以包括
        GL_TEXTURE_BASE_LEVEL
GL_TEXTURE_COMPARE_FUNC
GL_TEXTURE_COMPARE_MODE
GL_TEXTURE_MIN_FILTER
GL_TEXTURE_MAG_FILTER
GL_TEXTURE_MIN_LOD
GL_TEXTURE_MAX_LOD
GL_TEXTURE_MAX_LEVEL
GL_TEXTURE_SWIZZLE_R
GL_TEXTURE_SWIZZLE_G
GL_TEXTURE_SWIZZLE_B
GL_TEXTURE_SWIZZLE_A
GL_TEXTURE_WRAP_S
GL_TEXTURE_WRAP_T
GL_TEXTURE_WRAP_R

params 指定屬性的引數

對於放大過濾GL_TEXTURE_MAG_FILTER,可以設定為GL_NEAREST或者是GL_LINEAR。
對於縮小過濾GL_TEXTURE_MIN_FILTER，可以設定的值如下

• GL_NEAREST 表示根據紋理座標，獲取最近的一個紋理樣本
• GL_LINEAR 根據紋理座標，採用2次取樣方法，獲取紋理樣本
• GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST 根據紋理座標，從最近的mip貼圖層中獲取一個點樣本
• GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR 根據紋理座標，獲取2個最近的mip圖層的取樣點，並取2個樣本之間的插值
• GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST 根據紋理座標，採用二次線性插值從最近的mip層中獲取一個點樣本
• GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR 根據紋理座標，獲取最近2個mip圖層中採用二次線性獲取的採用點，並取2個採用點之間的插值
•  

自動生成Mip貼圖

OpenGL ES 3.0 中提供了一個自動生成mip貼圖的方法glGenerateMipmap;

紋理座標的封裝

紋理封裝方式(Texture wrap modes)被用於指定超出紋理座標限定範圍[0.0,1.0]的行為。通過glTexParameter[i|f][v]可以設定紋理封裝方式。這些mode可以獨立設定s座標軸，t座標軸和r座標軸。例如GL_TEXTURE_WRAP_Smode定義了s座標超出[0.0,1.0]的行為。同樣的GL_TEXTURE_WRAP_T和GL_TEXTURE_WRAP_R分別定義了t座標和r座標的超出[0.0,1.0]的行為。

在OpenGL ES 3.0 中，有3中mode值可以設定。

GL_REPEAT      重複紋理
GL_CLAMP_TO_EDGE  限定讀取紋理的邊緣
GL_MIRRORED_REPEAT 重複紋理和映象

紋理的調配

紋理調配控制輸入的R，RG，RGB或RBGA紋理中的顏色分量在著色器中讀取時如何對映到分量。通過呼叫glTexParameter[i|f][v]來設定紋理調配，key可以設定為GL_TEXTURE_SWIZZLE_R, GL_TEXTURE_SWIZZLE_G, GL_TEXTURE_ SWIZZLE_B, 或 GL_TEXTURE_SWIZZLE_A，而value可能分別從R，G，B，A分量讀取的GL_RED, GL_GREEN, GL_BLUE, 或 GL_ALPHA。也可以通過GL_ZERO和GL_ONE將值設定為0或1

紋理細節級別

在一些程式中，在所有的紋理mip貼圖都可以使用前就能夠開始在螢幕上進行顯示的功能是很有用的。比如GPS的程式，可以先顯示低等級的mip貼圖，等到所有的mip貼圖都下載後，在顯示高清的mip貼圖。可以通過glTexParameter[i|f][v]中的GL_TEXTURE_BASE_LEVEL來設定可以被使用的最大mip貼圖等級。預設是0。同樣的，GL_TEXTURE_MAX_LEVEL設定了最小的mip貼圖等級，預設是1000。

為了選擇用於渲染的mip貼圖級別，OpenGL ES自動計算一個細節級別（LOD）的值。這個浮點值決定了哪一mip貼圖級別被篩選出來。一個程式能夠控制LOD值的最大和最小值。通過設定GL_TEXTURE_MIN_LOD和GL_TEXTURE_MAX_LOD。

在著色器中使用紋理

// Vertex shader
#version 300 es
layout(location = 0) in vec4 a_position;
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;
out vec2 v_texCoord;
void main()
{
   gl_Position = a_position;
   v_texCoord = a_texCoord;
}
// Fragment shader
#version 300 es
precision mediump float;
in vec2 v_texCoord;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
uniform sampler2D s_texture;
void main() {
   outColor = texture( s_texture, v_texCoord );
}

碎片著色器中的texture函式，表示從指定的紋理單元中，根據輸入的座標，映射出紋理中相應的vec4顏色。

vec4 texture(sampler2D sampler, vec2 coord[, float bias])

sampler 取樣器，指定的紋理單元的編號

coord  2D紋理的座標
bias   可選引數，提供用於紋理讀取的mip貼圖偏值。這執行著色器明確偏置用於mip貼圖選擇的LOD計算值

在sampler引數需要傳入的紋理單元編號前，需要先啟用一個紋理單元，並將紋理繫結到該紋理單元上。使用glActiveTexture進行啟用

void glActiveTexture(GLenum texture)
texture  啟用紋理單元，GL_TEXTURE0, GL_TEXTURE1, ... , GL_TEXTURE31分別代表紋理單元0到31

使用glActiveTexture啟用一個紋理單元后，便可使用glBindTexture將指定的紋理繫結到該紋理單元上。具體程式碼如下：

// Get the sampler locations
userData->samplerLoc = glGetUniformLocation(
                              userData->programObject,
                              “s_texture”);
// ...
// Bind the texture
glActiveTexture(GL_TEXTURE0); 
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, userData->textureId);

// Set the sampler texture unit to 0
glUniformli(userData->samplerLoc, 0);

載入立體貼圖，3D紋理和2D紋理陣列，也是同樣的操作，對應的texture分別為

vec4 texture(samplerCube sampler, vec3 coord[, float bias])
vec4 texture(sampler3D sampler, vec3 coord[, float bias])
vec4 texture(sampler2DArray sampler, vec3 coord[, float bias])

壓縮紋理

OpenGL ES 3.0 支援2中壓縮演算法-EAC和ETC2。EAC版本用於壓縮1到2頻道的資料。ETC2版本用於壓縮3到4頻道的資料。使用glCompressedTexImage2D可以讀取壓縮的2D紋理和立體貼圖紋理。使用glCompressedTexImage3D讀取已壓縮的2D紋理陣列。注意：ETC2/EAC不支援3D紋理壓縮，但是使用glCompressedTexImage3D可以載入指定供應商的3D紋理壓縮格式

void glCompressedTexImage2D(GLenum target, GLint level, 
                                GLenum internalFormat,
                                GLsizei width, GLsizei height,
                                GLint border, GLsizei imageSize, 
                                const void *data)
void glCompressedTexImage3D(GLenum target, GLint level, 
                                GLenum internalFormat,
                                GLsizei width, GLsizei height,
                                GLsizei depth, GLint border, 
                                GLsizei imageSize,
                                const void *data)
                                
target  指定紋理目標
level     指定載入的mip級別，預設是0
internalFormat   紋理的內部儲存格式
width           圖片的畫素寬度
height          圖片的畫素高度
depth           圖片的畫素深度
border          必須設定為0
imageSize       圖片的位元組大小
data            壓縮後的圖片資料

可以通過glGetIntegerv傳入GL_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS進行查詢支援的壓縮格式，該函式會返回一個GLenum的陣列。

紋理子影象規範

在使用glTexImage2D更新一張紋理圖片後，可能需要更新圖片的一部分。這時候可以使用glTexSubImage2D來來自2D紋理影象的一部分。

void glTexSubImage2D (GLenum target, GLint level,
                            GLInt xoffset, GLint yoffset
                            GLsizei width, GLsizei height,
                            GLenum format, Glenum type,
                            const void *pixels)
                            
target 紋理目標
level  mip貼圖級別
xoffset 開始進行更新的x序列號
yoffset 開始進行更新的y序列號
width     進行更新的影象子區域的寬度
heigth   進行更新的影象子區域的高度
formate  輸入紋理資料的格式
type    輸入畫素資料的型別
pixels  包含影象子區域的畫素資料

這個函式將會更新區域（xoffset，yoffset）到（xoffset+width-1，yoffset+height-1）。注意:使用這個函式，紋理必須依據被指定，而且子圖片的範圍必須在指定的紋理圖片之內，pixels的對其方式必須被指定為GL_UNPACK_ALIGNMENT

同樣的原理，可以使用glCompressedTexSubImage2D更新壓縮過的圖片，使用它glTexSubImage3D更新3D紋理或2D紋理陣列，使用glCompressedTexSubImage3D更新壓縮過的2D紋理陣列。

從顏色緩衝區複製紋理資料

glReadBuffer指定被複制的顏色快取區。然後通過glCopyTexImage2D, glCopyTexSubImage2D,和 glCopyTexSubImage3D從指定的顏色緩衝區張讀取紋理資料

取樣器物件

為了減少大量紋理上使用相同的設定的開銷。引入了取樣器物件，將取樣器狀態與紋理狀態分離。簡而言之，所有可用glTexParameter[i|f][v]設定都可以對取樣器物件進行設定。可以在一次函式呼叫中與紋理單元繫結使用。

glGenSamplers用於建立採用器，使用glDeleteSamplers刪除取樣器。使用glBindSampler將取樣器與紋理單元進行繫結。使用glSamplerParameter[f|i][v]設定取樣器引數。

不可變紋理

由於應用程式使用glTexImage2D和glTexImage3D等函式獨立指定紋理的每個mip貼圖的級別。這導致了驅動程式無法在繪圖之前確定紋理是否完全指定。也就是說，它必須檢查每一個mip貼圖級別或者子影象的格式是否相符、每一個級別的大小是否正確以及是否有足夠的記憶體。這種繪圖時檢查可能代價很高，而使用不可變紋理可以避免這種情形。

不可變紋理的思路很簡單：程式在載入資料之前指定紋理的格式和大小。OpenGL ES的驅動可以提前進行一致性和記憶體檢查。一旦紋理不可變，它的格式和尺寸也就不能改變。然而程式仍然可以通過使用glTexSubImage2D, glTexSubImage3D,或 glGenerateMipMap來載入紋理。

為了建立不可變紋理，程式必須先使用glBindTexture綁定當前紋理，在呼叫glTexStorage2D或glTexStorage3D建立不可變的儲存空間。

作者：Zsj_Sky
連結：https://www.jianshu.com/p/45181657e339
來源：簡書
簡書著作權歸作者所有，任何形式的轉載都請聯絡作者獲得授權並註明出處。