OpenGL完全教程第六章纹理贴图

作者：何咏日期：2006-2-3 20:56:39 点击：4719

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第六章纹理贴图

截至目前为止，我们已经能够绘制各种3D物体，并为它们增加光照效果，使它们更具有立体感。但是，在实际运用中，我们不仅仅需要简单地绘制一个物体的轮廓，我们需要绘制蓝天白云、真实的墙壁和物体、人物和树木。要达到这一目的，简单的将模型的轮廓绘制出来时远远不够的。我们需要使用纹理贴图来再现真实的细节。

在计算机硬件高速发展的今天，即使是最低端的显卡也能很快地处理大量的纹理，满足我们的需求。这些条件可以让我们毫无顾虑的使用OpenGL的纹理贴图功能，绘制出形形色色的物体。

本章将是学习OpenGL的最后一个基础章节。本章之后，我们将开始接触一些OpenGL的高级专题

学习本章内容，你将了解：

?什么是纹理贴图

?如何创建纹理图像

?OpenGL中贴图的方式

?使用纹理对象来管理的纹理

?将纹理运用到图元上

?自动生成纹理坐标

?多贴图纹理

6.0 准备工作

由于Delphi为我们所提供的OpenGL头文件是OpenGL1.0版本的，因此里面缺少一些函数的声明，这导致我们不能使用直接调用这些函数。因此我们要手动为OpenGL库添加下面的代码一进行补完：

procedure glBindTexture(target: GLEnum; texture: GLuint); stdcall; external opengl32;

procedure glDeleteTextures(n: GLsizei; textures: PGLuint); stdcall; external opengl32;

procedure glGenTextures(n: GLsizei; textures: PGLuint); stdcall; external opengl32;

function glIsTexture(texture: GLuint): GLboolean; stdcall; external opengl32;

procedure glPolygonOffset(factor, units: GLfloat); stdcall; external opengl32;

function gluBuild2DMipmaps(target: GLEnum; components, width, height: GLint; format, atype: GLEnum;

Data: Pointer): GLint; stdcall; external GLU32;

6.1 什么是纹理贴图

纹理贴图，从本质上讲，是一个位图图像。在程序中，一个纹理图像就是一个一维或二维数组，

存储每一个像素的颜色值（包括R、G、B、A分值，分别存储一个像素的红、绿、蓝、透明度分值）。而运用一个纹理贴图，就是把纹理图像根据纹理坐标对应到图元上。

比如，现在有一个三角形，顶点坐标分别是V1、V2、V3，以及一幅纹理图像，如图6.1-1所示：

图6.1-1

现在，我们可以在绘制三角形之前，为顶点V1、V2、V3指定纹理坐标，使每一个顶点的坐标和它的纹理坐标一一对应，如图6.1-2所示：

图6.1-2 纹理映射

一旦我们建立起这种对应关系，就可以开启纹理贴图功能，让OpenGL根据顶点的贴图坐标渲染出指定的三角形，如图6.1-3那样：

图6.1-3 使用纹理渲染图元

这就是纹理贴图的原理。

6.2 创建纹理图像

正如上一节所提到的那样，纹理贴图其实是一个二维数组。而对于一般程序而言，纹理贴图可以从位图中读取。你可以定义自己的纹理图像格式，然后使用Delphi提供的TFileStream类读取文件中的像素，但在初学OpenGL的阶段，我们暂时从Bmp文件中读取纹理图像，然后使用OpenGL将这幅图像打包成纹理。OpenGL要求纹理的高度和宽度都必须是2的n次方大小，只有满足这个条件，这个纹理图片才是有效的。一旦我们完成了这一步，我们就可以在任意时刻使用这个纹理图像来渲染图形了。

首先，我们创建一个TBitmap类型的对象，用于读取Bmp文件:

var Bit:TBitmap;

begin

Bit:=TBitmap.Create;

Bit.LoadFromFile(FileName);

...

Bit.Free;

end;

接下来，我们可以使用Bitmap对象的ScanLine属性获取这个Bitmap中每一像素的颜色值。有关ScanLine属性的用法，可以参看我早期的一篇文章——《探究Delphi的图形处理之六 -- 使用ScanLine属性进行高效的图像处理》。这里不再详细讲解。总之，你可以使用下面的代码来获取Bitmap对象中每一点的像素值:

type

TPixels = record

R,G,B:Byte;

end;

TPixelPointer = array of PByteArray;

procedure ReadPixels(Bit : TBitmap; var Pixels : TPixels;

var PixPointer:TPixelPointer);

var PixPtr: PbyteArray;

i, j ,m: Integer;

begin

SetLength(Pixels,Bit.Width,Bit.Height);

Bit.PixelFormat := pf24bit;

Bit.HandleType:=bmDIB;

SetLength(PixPointer,Bit.Height);

for i :=0 to Bit.Height-1 do

begin

PixPtr:=Bit.ScanLine[i];

PixPointer[i] := PixPtr;

for j:= 0 to Bit.Width-1 do

begin

m := j*3;

Pixels[j,i].B := PixPtr[m];

Pixels[j,i].G := PixPtr[m+1];

Pixels[j,i].R := PixPtr[m+2];

end;

在上述过程中，将要获取像素值的Bitmap对象作为Bit参数传给子程序，子程序将返回Pixels和PixPointer。Pixels存储了该位图图像中的每一点的颜色值，而PixPointer则是每一像素点的指针，通过这个指针我们可以修改像素的值。

一旦获取了像素值，我们就可以将这些数据传给OpenGL，让OpenGL生成一个纹理贴图：

glGenTextures(1,@Texture);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,Texture);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,0,3,Bit.Width,Bit.Height,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Pixels );

上面的代码中，glGenTextures和glBindTexture函数用于创建和绑定纹理对象，稍后我们会详细讲解；glTexImage2D函数将Pixels数组中的像素值传给当前绑定的纹理对象，于是便创建了纹理。glTexImage函数的参数分别是纹理的类型，纹理的等级（稍后讲解），每个像素的字节数，纹理图像的宽度和高度，边框大小，像素数据的格式，像素值的数据类型，像素数据。

像素数据的格式可以取下面几种值：

GL_RGB- 像素值为RGB颜色

GL_RGBA- 像素值为RGBA颜色

GL_BGR_EXT- 像素值为BGR颜色(和RGB的区别只是先后顺序的不同)

6.3OpenGL中的贴图方式

OpenGL为我们提供了三种纹理——GL_TEXTURE_1D、GL_TEXTURE_2D和GL_TEXTURE_3D。它们分别表示1维纹理、2维纹理和3维纹理。无论是哪一中纹理，使用方法都是相同的：即先创建一个纹理对象和一个存储纹理数据的n 维数组，在调用glTexImage N D函数来传入相应的纹理数据。除此之外，我们可以一些函数来设置纹理的其他特性。

6.3.1设置贴图模式

OpenGL提供了3种不同的贴图模式：GL_MODULATE,GL_DECAL和GL_BLEND。默认情况下，贴图模式是

GL_MODULATE，在这种模式下，OpenGL会根据当前的光照系统调整物体的色彩和明暗。第二种模式是GL_DECAL，在这种模式下所有的光照效果都是无效的，OpenGL将仅依据纹理贴图来绘制物体的表面。最后是GL_BLEND，这种模式允许我们使用混合纹理。在这种模式下，我们可以把当前纹理同一个颜色混合而得到一个新的纹理。我们可以调用glTexEnvi函数来设置当前贴图模式：

glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV,GL_TEXTURE_ENV_MODE,TextureMode);

其中TextureMode就是想要设置的纹理模式，可以为GL_MODULATE,GL_DECAL和GL_BLEND中的任何一种。

另外，对于GL_BLEND模式，我们可以调用

glTexEnvfv(GL_TEXUTRE_ENV,GL_TEXTURE_ENV_COLOR,@ColorRGBA);

其中，ColorRGBA为一个表示RGBA颜色的4维数组。

6.3.2 纹理滤镜

在纹理映射的过程中，如果图元的大小不等于纹理的大小，OpenGL便会对纹理进行缩放以适应图元的尺寸。我们可以通过设置纹理滤镜来决定OpenGL对某个纹理采用的放大、缩小的算法。

调用glTexParameter来设置纹理滤镜。如：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILETER, MagFilter);//设置放大滤镜

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER, MinFilter); //设置缩小滤镜

上述调用中，第一个参数表明是针对何种纹理进行设置，第二个参数表示要设置放大滤镜还是缩小滤镜。第三个参数表示使用的滤镜。可以为下面的值之一：

表6.3-1 可使用的纹理滤镜

滤镜描述

GL_NEAREST取最邻近像素

GL_LINEAR线性内部插值

GL_NEAREST_MIPMAP_NEARES

T最近多贴图等级的最邻近像素

GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR在最近多贴图等级的内部线性插值

GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST在最近多贴图等级的外部线性插值

GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR 在最近多贴图等级的外部和内部线性插值

有关多贴图的内容，我们稍候将详细讲解。

至此，我们已经可以产生一个纹理，并为它指定各种参数。但我们在绘制图元时必须进行纹理映射，才能将纹理贴在图元表面上。

6.4 纹理映射

6.4.1 纹理坐标

要使用当前的纹理绘制图元，我们必须在绘制每个顶点之前为该顶点指定纹理坐标。只需调用

glTexCoord2d(s:Double;t:Double);

函数即可。其中，s、t是对于2D纹理而言的s、t坐标。对于任何纹理，它的纹理坐标都如同图6.4-1所示的那样：

图6.4-1 纹理坐标

对于任何纹理，无论纹理的真正大小如何，其顶端（左上角）的纹理坐标恒为(0,0),右下角的纹理坐标恒为(1,1 )。也就是说，纹理坐标应是一个介于0到1之间的一个小数。

例如，下面的代码将使用当前纹理绘制一个三角形：

var Tex:GLUInt;

begin

glEnable(GL_TEXTURE_2D);//启用2D纹理

Tex:=LoadTexture;//载入一个纹理

glBindTexture(Tex);

glBegin(GL_TRIANGLES);

glTexCoord2d(0,0);

glVertex3f(-10,-10,0);

glTexCoord2d(0,1);

glVertex3f(-10,10,0);

glTexCoord2d(1,1);

glVertex3f(10,10,0);

glEnd;

...

end;

6.4.2 纹理缠绕

前面提到，纹理坐标应位于0-1之间。那么当纹理坐标大于这个值会出现什么情况呢？

我们可以对OpenGL进行设置，以决定当纹理坐标不位于这一区间时应采取的操作。我们可以指定两种操作：GL_CLAMP和GL_REPEAT。对于GL_CLAMP,超出纹理坐标的区域会使用纹理图像的边界颜色来代替，如图6.4-2所示。

图6.4-2GL_CLAMP 的工作方式

而GL_REPEAT方式则是对纹理坐标进行重置而得到重复的图像。观察图6.4-3，你就能很容易地发现这一点。

图6.4-3GL_REPEAT 的工作方式

可以调用glTexParameter设置缠绕方式：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_S,WrapMode);//在s方向上的缠绕方式

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_T,WrapMode);//在t方向上的缠绕方式

其中，WrapMode可取GL_CLAMP或者GL_REPEAT。

6.5 纹理对象

在前面的小节中，我们一直都在接触纹理对象，这里将详细地说明。

创建和使用文理对象

在OpenGL中，我们使用glGenTextures创建纹理对象：

glGenTextures(Count:Integer;TexObjs:Pointer);

其中，Count是我们要创建的纹理数目，当我们只想创建一个纹理时，只需调用

var Texture:GLUint;

...

glGenTextures(1,@Texture);

这样，Texture变量中就存储了我们创建的纹理的ID号。

创建之后，我们使用glBindTexture将创建的纹理绑定到当前纹理。这样所有的纹理函数都将针对当前纹理。

glBindTexture(Texture:GLUint);

这样，我们就可以调用glTexParameter、glTexImage2D等函数来设置这个纹理对象了。

删除纹理对象

在纹理资源使用完毕后(一般是程序退出或场景转换时)，一定要删除纹理对象，释放资源。

调用

glDeleteTextures(Count:Integer;TexObj:Pointer);

来删除纹理对象。例如

glDeleteTextures(1,@Texture);

6.6 多贴图纹理

多贴图纹理(Mip Mapping)为一个纹理对象生成不同尺寸的图像。在需要时，根据绘制图形的大小来决定采用的纹理等级或者在不同的纹理等级之间进行线性内插。使用多贴图纹理的好处在于消除纹理躁动。这种情况在所绘制的景物离观察者较远时常常发生(如图6.6-1和6.6-2)。由于多贴图纹理现在的渲染速度已经很快，以至于和普通纹理没有什么区别，我们现在一般都使用多贴图纹理。

图6.6-1 GL_LINEAR滤镜下的

图6.6-1 使用多纹理贴图的远景

远景

使用多贴图纹理并不麻烦。首先，我们需要创建不同等级（尺寸）的纹理图片。我们需要调用n次glTexImage2D函数，生成不同等级的纹理贴图。例如：

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,0,3,8,8,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Pixels);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,1,3,4,4,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Pixels);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,2,3,2,2,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Pixels);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,3,3,1,1,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Pixels);

这些函数调用的第二个参数表示当前纹理的等级。0级的分辨率最大。之后，每一级的分辨率是上一级分辨率的

一半。这样的函数调用应一直进行下去，直至图像的高度和宽度都为1。

但有时候，这样做总并不是很方便。我们可以借助一个glu函数帮我们自动生成这些多贴图纹理。只需要把生成纹理图像的函数调用由glTexImage2D改为gluBuild2DMipMaps即可：

gluBuild2DMipMaps(GL_TEXTURE_2D,3,Bit.Width,Bit.Height,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Pixels);

此外，还必须把纹理的滤镜改为MIP_MAP滤镜。例如：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);

有关滤镜的参数可以参考表6.3-1。

6.7 本章代码综合

由于本章涉及到许多OpenGL的纹理函数，而且从文件创建纹理对象是一个极其复杂的过程，因此我们把本章的函数封装成类。使用这个类，我们可以很轻松地完成纹理的载入和设置。我们的类结构如下:

THyTexture = Class(TObject)

private

FPixels : array of array of TColor4ub; //纹理贴图的像素数据

FTextureID: GLuint; //纹理对象的id号

FHeight: Integer;

FWidth: Integer;

FTransparentColor: THyPixel;

procedure SetHeight(const Value: Integer);

procedure SetWidth(const Value: Integer);

procedure SetTransparentColor(const Value: THyPixel); //将某种颜色设置为透明色

function GetPixel(X, Y: Integer): TColor4ub;

procedure SetPixel(X, Y: Integer; const Value: TColor4ub);

public

constructor Create;

procedure Free;

procedure Bind;

procedure Generate; //创建纹理对象

procedure LoadFromFile(FileName:String); //从文件载入

procedure LoadFromBitmap(Bit:TBitmap); //从位图载入

property Pixels[X,Y:Integer]:TColor4ub read GetPixel write SetPixel;

property TextureID:GLuint read FTextureID;

property Width:Integer read FWidth write SetWidth;

property Height:Integer read FHeight write SetHeight;

property TransparentColor:THyPixel read FTransparentColor

write SetTransparentColor;

end;

这个类使用起来将非常方便：

var Tex:ThyTexture;

...

Tex:=THyTexture.Create;

Tex.LoadFormFile(FileName);//从文件载入

...

Tex.Bind;//绑定纹理

<指定纹理坐标并绘制图形...>

...

Tex.Free;

同时，我们还支持了Alpha通道。以下给出该类的代码。

将上面的代码复制下来，保存为一个单元，就可以立即使用了。

6.8 本章示例程序

在这一章中，我们将使用前面的木箱纹理包装第五章中的示例程序。在本章的示例程序中，我们使用了6.7节中所创建的类。阅读这个程序，你就能体会到使用面向对象的编程方法的好处。本章示例程序的截图如图6.8-1所示。

图6.8-1 纹理加光照效果下的立方体

仔细观察上面的截图，你可能会发现一个问题。这个问题实际上在第五章的示例程序中遗留下来的。那就是这个立方体看起来明暗过度并不自然。有些地方显得较黑，而有些地方显得又太亮。更让人无法忍受的是，当你旋转立方体时，感觉光照的效果几乎没有任何过度，着色起来十分不自然。图6.8-2是第五章示例程序中的一个截图，它很能够说明这个问题。

图6.8-2 第五章示例程序在有些角度下看起来很不自然，此问题同样存在于上面的程序

中

这是什么原因呢？是OpenGL技术上的问题？当然不是。我们知道，OpenGL处理明暗实际上是根据各个顶点的法线向量来决定该顶点的颜色的。在完成对顶点颜色的计算之后，OpenGL会利用明暗模型

对顶点之间的颜色进行过度。而这样的过度是线性的，很多时候不能表现出逼真的光照效果。因此，

要得到更好的画面，我们就要传入更多的顶点，让OpenGL进行更多的光照运算而不是简单的线性过度。如此以来，我们就能获得高质量的画面。

这好比你要绘制一条曲线，而在计算机绘图函数中，并没有直接提供绘制曲线的功能。这样，我

们便会使用许许多多的较短的线段来逼近真实的曲线。而绘制的线段越多，最终的图形就越接近于真

实的曲线。这样绘制图形的方法叫做图形的镶嵌。

既然如此，我们可以使用下面的代码来绘制立方体的一个面：

procedure DrawSurface(X1, Y1, X2, Y2: Single;

s,t:Single; //单位纹理坐标

Tess: Integer //镶嵌度);

var DeltaX,DeltaY:Single;

i,j:Integer;

x,y,yy:Single;

begin

DeltaX := (X2-X1)/Tess;

DeltaY := (Y2-Y1)/Tess;

for i := 0 to Tess-1 do

begin

glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP);

Y:=i*DeltaY+Y1;

yy:=Y+DeltaY;

for j := 0 to Tess do

begin

glNormal3f(0,0,1);

x:=j*DeltaX+X1;

glTexCoord2d(s*j,t*i);

glVertex2d(x,y);

glTexCoord2d(s*j,t*(i+1));

glVertex2d(x,yy);

end;

glEnd;

end;

借助矩阵变换，我们可以用下面的代码来绘制立方体：procedure TfrmMain.DrawCube;

begin

glPushMatrix;

glTranslate(0,-10,0);

glRotate(90,1,0,0);