紋理對映意思就是把圖片(或者說紋理)對映到3D模型的一個或多個面上。紋理可以是任何圖片，使用紋理對映可以增加3D物體的真實感，我們常見的紋理有磚，植物葉子等等。

下圖中是使用紋理對映和沒有使用紋理對映四面體的比較。

      要使用紋理對映，我們必須做以下三件事情：在OpenGL中裝入紋理，為頂點提供紋理座標(為了把紋理對映到頂點)，用紋理座標在紋理上執行一個取樣操作，得到一個畫素顏色。

      三維空間中的物體經過縮放，旋轉，平移，最終投影到螢幕上，依賴於攝像機位置和方位的不同，最終呈現的形式可能千差萬別，但根據紋理座標，GPU會保證最終的紋理對映結果是正確的。在光柵化階段，GPU也會插值紋理座標，這樣，每個片元都有一個對應紋理座標。在片元shader中，片元(或畫素)會根據紋理座標，取樣得到最終的紋理單元顏色，並把這些顏色和當點片元的顏色或者根據光照計算的顏色混合，從而輸出畫素的最終顏色。下面的教程中，我們將看到，紋理單元能夠包含不同的資料，實現很多特效。

      OpenGL支援 1D, 2D, 3D, cube等等多種紋理，這些紋理在不同的技術中使用。我們首先來學習2D紋理，2D紋理通常來說就是一塊有高度和寬度的surface(表面)，寬度乘以高度的結果就是紋理單元的數目。那麼如何指定頂點的紋理座標呢？其實頂點的紋理座標並不是頂點在紋理surface上的座標，否則的話，那受限制就太大了，因為我們的三維物體表面是變化的，有的大，有的小，這樣的話，意味著我們要不斷更新紋理座標，這顯然很難做到。因此，存在紋理座標空間，每維的紋理座標範圍都是[0,1],所以紋理座標通常都是[0,1]之間的一個浮點數，我們用紋理座標乘以紋理的高度或寬度，就可以得到頂點在紋理上對應的紋理單元位置，例如:如果紋理位置是 [0.5,0.1]，紋理寬度是320，紋理高度是200，那個對應紋理單元位置就是 (160,20) (0.5 * 320 = 160 和 0.1 * 200 = 20)。

      通常紋理空間又叫UV空間，U對應2維笛卡爾座標的x軸，V對應y軸，OpenGL中，U軸方向從左到右，V軸方向從下到上，如下圖所示，可以看到(0,0)位置在左下角，向上V增加，向右U增加：

下圖中的三角形被指定紋理座標：

當三角形做了各種變化後，它的紋理座標保持不變，假設三角形光柵化前，它的位置如下。

      紋理座標是三角形頂點的屬性，無論三角形怎麼變化，對於頂點來說，紋理座標相對位置都不變，當然也可以在頂點shader中，動態改變紋理座標，這個主要用於實現一些特殊的效果，比如水面效果等等。在本教程中，我們將保持紋理座標不變。

      另一個和紋理對映相關的概念是“濾波”，前面我們討論了通過一個紋理座標，得到相應的紋理單元，由於紋理座標是[0,1]之間的浮點數，它乘以紋理高度寬度，可能得到一個浮點的對映座標，比如我們把紋理座標對映到紋理單元 (152.34,745.14)，此時怎麼得到紋理單元呢？最簡單的方法，我們可以四捨五入，得到 (152,745)，這種方法，可以工作，但是在一些情況下，效果並不是很好，一個更佳的方案是：得到一個2×2的quad紋理單元， ( (152,745), (153,745), (152,744) 和(153,744) )，然後在這些紋理單元顏色之間進行線性插值操作，線性插值和該紋理單元到(152.34,745.14)的距離有關，越接近這個座標，影響就越大，越遠，影響越小，這個效果要比四射五入直接選取紋理單元要好。

     決定最終哪一個紋理單元被選擇的方法就稱作“濾波”，最簡單的方法就是前面說的四捨五入方法，這種濾波方式又叫nearst濾波 (nearest filtering)，這是一種點取樣的濾波方式，將使用座標離畫素中心最近的紋素，這可能導致鋸齒現象（有時很嚴重），這種濾波方法可用於放大和縮小。如果濾波方法為GL_LINEAR，將使用離畫素中心最近的2X2紋素陣列（對於三維紋理，為2X2X2紋素陣列；對於一維紋理，為2個紋素）的加權線性平均值；同樣這種濾波方法也可用於放大縮小 。OpenGL提供多種取樣方式，你可以選擇其中任意一種，通常，更好的濾波效果需要更高的GPU運算能力，這有可能影響幀率。選擇更好的效果和更流暢的畫面是個balance問題。

      下面我們看看OpenGL中如何實現紋理對映：在OpenGL中使用紋理，我們首先要學習四個概念：紋理物件，紋理單元，取樣物件以及shader中的取樣uniform變數。

      紋理物件本身包括紋理需要的資料，比如影象資料。根據儲存的資料格式(RGB,RGBA等等)，紋理可分為1維紋理，2維紋理，3維紋理等等，OpenGL提供了一種方便的函式，只要指定資料的起始地址，以及資料格式屬性，就可以很方便的把資料裝入GPU，紋理通常就是通過這種方法裝入video memory，在裝入紋理時候，可以指定多個引數，比如濾波方式等等。類似頂點緩衝資料，我們也可以把紋理和控制代碼關聯起來。當建立控制代碼，裝入紋理後，我們能夠實時切換紋理，和不同的OpenGL控制代碼進行繫結，而不需要再次裝入資料，此時，OpenGL的driver會保證，渲染前，紋理資料被裝入video memory。

      紋理物件並不直接和shader(紋理取樣實際上在shader中實施)打交道，而是通過一個紋理單元(texture unit)，該紋理單元的索引被傳遞到shader中。這樣，shader就能通過該紋理單元訪問紋理物件。通常我們可以使用多個紋理單元(數目和具體gpu有關)， 為了把一個紋理物件A繫結到紋理單元0，我們首先要啟用紋理單元0，然後才能繫結到紋理物件A，此時，如果要使用第二個紋理物件，可以啟用紋理單元1，然後繫結到相應的紋理物件。

      實際的情況可能有點複雜，一個紋理單元其實可以同時繫結多個紋理物件，只要這些紋理物件的型別不同，這型別是紋理物件的target，比如1D,2D等等，繫結紋理物件和紋理單元時，我們必須指定target，例如：我們可以把targe維1D紋理物件A和target維2D的紋理物件B同時繫結到同一個紋理單元。

      取樣操作通常在片元shader中實施，具體操作是通過一個取樣函式，取樣函式需要知道取樣的紋理單元，因為shader中可能有多個紋理單元。具體是通過一組紋理uniform變數來區分不同的紋理單元，這些uniform變數和紋理單元是一一對應關係，當你對某個uniform變數進行取樣操作時，該變數對應的紋理物件被使用。

      最後再來看一下采樣物件，注意不要把它和取樣uniform變數混淆。紋理物件包含影象資料，也包括配置取樣操作的引數等等，這些引數是取樣狀態的一部分，我們也可以建立一個取樣物件，配置它的引數，並把它繫結到紋理單元，這將會過載紋理物件中定義的取樣狀態，本文中，我們並沒有實施取樣物件。

下圖總結了我們前面學習的一些概念：

主要程式碼：

       OpenGL能夠裝入記憶體中的紋理資料，但並沒有提供一個方法，把影象檔案，比如PNG，JPG等，裝入到記憶體中，我們使用一個開源的影象處理庫  ImageMagick, 該庫支援多種格式的影象處理。在程式程式碼中，直接包含了該庫的原始碼。

大部分的紋理操作被包裝在texture類中：

texture.h

class Texture 
{ 
public: 
   Texture(GLenum TextureTarget, const std::string& FileName); 
   bool Load(); 
   void Bind(GLenum TextureUnit); 
};

      建立一個紋理物件時候，我們需要指定target(我們用GL_TEXTURE_2D)，以及影象檔名字，之後，我們可以呼叫Load函式，來裝入紋理資料。如果需要把紋理物件繫結到特殊的紋理單元，我們可以用Bind函式。

texture.cpp

try { 
   m_pImage = new Magick::Image(m_fileName); 
   m_pImage->write(&m_blob, "RGBA"); 
} 
catch (Magick::Error& Error) { 
   std::cout << "Error loading texture '" << m_fileName << "': " << Error.what() << std::endl; 
   return false; 
}

       用上面的程式碼，我們把影象檔案裝入記憶體(此時在system memory中)，並準備裝入OpenGL。我們使用了Magic::Image例項，並提供影象檔名字，使用該函式後，將把紋理影象資料裝入m_pImage物件內部，OpenGL不能直接訪問，所以我們接著做一個write操作，把紋理資料寫到m_blob變量表示的記憶體中，我們使用的影象格式是RGBA。BLOB (Binary Large Object)是一個二進位制檔案塊，常用來儲存影象塊，以便其它程式使用。

glGenTextures(1, &m_textureObj);

      上面這個OpenGL函式和 glGenBuffers()很相似，第一個引數是個數字，指定要建立的紋理物件數量，第二個引數是紋理物件陣列。在本教程中，我們使用一個紋理物件。

glBindTexture(m_textureTarget, m_textureObj);

      通過glBindTexture()函式，我們繫結一個紋理物件，這樣下面所有對紋理的操作都是基於該物件，如果我們要操作別的紋理物件，需要重新使用glBindTexture()函式繫結別的紋理物件。glBindTexture()函式中第二個引數是紋理物件控制代碼，第一個引數是紋理target，它的值可能是 GL_TEXTURE_1D, GL_TEXTURE_2D等等。不同的紋理物件同時只能繫結一個target，在本教程中，target在紋理類建構函式中實施，我們使用的是GL_TEXTURE_2D 。

glTexImage2D(m_textureTarget, 0, GL_RGBA, m_pImage->columns(), m_pImage->rows(), 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, m_blob.data());

      glTexImage2D函式用來裝入紋理物件的資料，也就是把system memory中的資料(m_blob)和紋理物件關聯起來，可能在該函式呼叫時候就拷貝到video memory，也可能是延時拷貝，這個是由driver控制的。 glTexImage* 函式有幾個版本，每個版本都對應一個紋理target。該函式的第一個引數是紋理target，第二個引數是LOD(層次細節)，一個紋理物件可能包含多個解析度的相同影象，這些影象稱作mipmap層，每個mipmap層數都有一個LOD索引，範圍從0到最高解析度。本教程程式中，只有一個mipmap層，所以該值為0 。

     第三個引數是紋理物件的格式，你可以指定為4通道的顏色RGBA,或者僅指定紅色通道GL_RED，本教程程式中，我們使用GL_RGBA ，接下來的2個引數是紋理的高度和寬度，通過 ImageMagick的內部函式rows和colomns，我們可以很方便的得到這兩個值。第5個引數是紋理的邊選項，本程式中我們設定為0。

      最後的三個引數指定源紋理資料的格式，型別以及資料記憶體地址。格式指定顏色channel的格式，這必須和m_blob中的data相匹配，型別描述每個顏色channel的格式，本程式中為無符號8位數字GL_UNSIGNED_BYTE，最後一個引數是紋理資料記憶體地址。

glTexParameterf(m_textureTarget, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); 
glTexParameterf(m_textureTarget, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

(texture.cpp)

void Texture::Bind(GLenum TextureUnit) 
{ 
   glActiveTexture(TextureUnit); 
   glBindTexture(m_textureTarget, m_textureObj); 
}

      在3D程式中，可能有多個draw，每個draw提交前，可能需要繫結不同的紋理，以便在shader中使用，上面的Bind函式就是使我們方便的切換不同的紋理，它的引數是一個紋理單元。

layout (location = 0) in vec3 Position;

layout (location = 1) in vec2 TexCoord; 
uniform mat4 gWVP; 
out vec2 TexCoord0; 
void main() 
{ 
   gl_Position = gWVP * vec4(Position, 1.0); 
   TexCoord0 = TexCoord; 
};

      這是更新後的頂點shader，這兒有一個輸入引數紋理座標，是一個2D向量，在頂點shader中我們並沒有對紋理座標進行任何變化，而是直接輸出，但在片元shader前的光柵化階段，會對紋理座標進行插值操作。

in vec2 TexCoord0;

out vec4 FragColor; 
uniform sampler2D gSampler; 
void main() 
{ 
    FragColor = texture2D(gSampler, TexCoord0.st); 
};

      上面是更新後的片元shader，其中有一個輸入變數TexCoord0，它包含了插值後的紋理座標，還有一個uniform變數gSampler，它是sampler2D型別，應用程式必須設定紋理單元值以便和這個uniform變數連線起來，這樣shader才能訪問紋理，返回值就是取樣的紋理單元顏色。後面的光照的教程中，都是根據光照因子乘以這個取樣顏色，從而得到最終的畫素顏色。

Vertex Vertices[4] = { 
    Vertex(Vector3f(-1.0f, -1.0f, 0.5773f), Vector2f(0.0f, 0.0f)), 
    Vertex(Vector3f(0.0f, -1.0f, -1.15475), Vector2f(0.5f, 0.0f)), 
    Vertex(Vector3f(1.0f, -1.0f, 0.5773f), Vector2f(1.0f, 0.0f)), 
    Vertex(Vector3f(0.0f, 1.0f, 0.0f), Vector2f(0.5f, 1.0f)) };

新的頂點結構包括頂點位置以及頂點紋理座標。

tutorial16.cpp

... 
glEnableVertexAttribArray(1); 
... 
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), 0); 
glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (const GLvoid*)12); 
... 
pTexture->Bind(GL_TEXTURE0); 
... 
glDisableVertexAttribArray(1);

      在渲染迴圈中也有一些程式碼變動，因為增加了紋理座標屬性，所以我們啟動了屬性1，這和頂點shader中的layout是一致的，接著我們會呼叫glVertexAttribPointer指定頂點緩衝中紋理座標的位置，紋理座標是2個浮點數，所以函式第二個引數是2，注意第五個引數都是頂點結構的大小，這對於位置和紋理屬性是一樣的， 這個引數稱作 'vertex stride'，就是2個頂點之間的位元組數目。在我們的頂點緩衝中，包含pos0, texture coords0, pos1, texture coords1, 等等，前面的教程中，只有一個位置屬性，所以該引數設定為0。最後一個引數頂點結構起始地址到紋理屬性的偏移位元組數。

      在draw呼叫前，我們進行一次紋理繫結操作，注意下面的禁止頂點屬性函式呼叫，指定頂點屬性後，我們需要在一次禁止它。

glFrontFace(GL_CW); 
glCullFace(GL_BACK); 
glEnable(GL_CULL_FACE); 


      上面三個函式設定三角形面背面剔除功能，啟用該功能後，會在PA階段，剔除法向朝後的三角面(背面三角形本來就看不見)，從而這些面不會做片元shader，從而提高程式效能。第一個函式指定三角形頂點為順時針順序，就是說從前面看向三角形時，它的頂點是順時針排列，第二個函式指定剔除背面(而不是前面),第三個引數開啟剔除功能。

glUniform1i(gSampler, 0);

      設定紋理單元的索引，我們將會在片元shader中通過uniform變數使用紋理。在前面的程式碼中，gSampler會通過 glGetUniformLocation()函式得到。

pTexture = new Texture(GL_TEXTURE_2D, "test.png"); 
if (!pTexture->Load()) { 
    return 1; 
} 


上面的程式碼建立紋理物件，並裝入它。

程式執行後介面如下：