4.QOpenGLWidget-对三角形进行纹理贴图、纹理叠加

在上章3.QOpenGLWidget-通过着色器来渲染渐变三角形,我们为每个顶点添加颜色来增加图形的细节，从而创建出有趣的图像。但是，如果想让图形看起来更真实，我们就必须有足够多的顶点，从而指定足够多的颜色。这将会产生很多额外开销。

所以使用纹理(Texture)。纹理是一个2D图片（甚至也有1D和3D的纹理）,你可以想象纹理是一张绘有砖块的纸，无缝折叠贴合到你的3D的房子上，这样你的房子看起来就像有砖墙外表了.

下面你会看到之前教程的那个三角形贴上了一张砖墙图片:

• 除了图像以外，纹理也可以被用来储存大量的数据，这些数据可以发送到着色器上，比如传输大量RGB数据显示一幅画面

  为了能够把纹理映射(Map)到三角形上，我们需要指定三角形的每个顶点各自对应纹理的哪个部分。这样每个顶点就会关联着一个纹理坐标(Texture Coordinate)，用来标明该从纹理图像的哪个部分采样（译注：采集片段颜色）。之后在图形的其它片段上进行片段插值(Fragment Interpolation)。

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。

纹理坐标看起来就像这样：

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

对纹理采样的解释非常宽松，它可以采用几种不同的插值方式。所以我们需要自己告诉OpenGL该怎样对纹理采样。

 

1.QOpenGLTexture纹理对象介绍

 在QT中,通过QOpenGLTexture类封装了一个OpenGL纹理对象,QOpenGLTexture可以很容易地使用OpenGL纹理和它们提供的无数特性和目标，这取决于你的OpenGL实现的能力。

 

QOpenGLTexture纹理的范围是从(0, 0)到(1, 1)，如果超过范围后,opengl默认是重复纹理图像,当然也可以通过setWrapMode(CoordinateDirection direction, WrapMode mode)函数来重新设置,setWrapMode函数参数定义如下:

void QOpenGLTexture::setWrapMode(CoordinateDirection direction, WrapMode mode);
//direction:坐标方向,纹理的坐标系统和xyz坐标系统一样，s对应x，t对应y,r对应z(3D纹理时才设置z)
//mode:纹理模式,Repeat(超出部分重复纹理)MirroredRepeat(超出部分镜像重复纹理)ClampToEdge(超出部分显示纹理临近的边缘颜色值)、

 QOpenGLTexture放大缩小的过滤方式是通过 setMinMagFilters(Filter minificationFilter, Filter magnificationFilter)函数实现,比如:

 m_texture->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear,QOpenGLTexture::Nearest);
    //参数1:设置缩小方式 ,参数2:设置放大方式
   //设置缩小和放大的方式,缩小图片采用LinearMipMapNearest线性过滤,并使用多级渐远纹理邻近过滤,放大图片采用:Nearest邻近过滤

 

具体可以设置的参数有:

• Nearest :  邻近过滤,速度快,可能有锯齿,等同于opengl中的GL_NEAREST
• Linear :  线性过滤,将最接近的2*2个颜色，计算出一个插值,速度慢,画面好,等同于opengl中的GL_LINEAR
• //下面4个多级渐远纹理参数只能用在缩小方式参数1上面 
• NearestMipMapNearest :  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,等同于GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST
• NearestMipMapLinear :  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,等同于GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR
• LinearMipMapNearest :  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,等同于GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST
• LinearMipMapLinear :  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,GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR

缩小之多级渐远纹理

当纹理大于渲染屏幕时,使用纹理缩小算法(minifying)来渲染屏幕,就可以设置NearestMipMapNearest 等4个参数,比如在一个场景中，由于远处的物体只占有很少的片段（近大远小，非常远的物体看起来就像一个点），OpenGL使用高分辨率纹理为这些片段后去正确的颜色值是很困难的，它需要对一个跨过纹理很大部分的片段只拾取一个颜色，比如一个物体太远,只占有1个像素值,而该物体对应的纹理是个高分辨率图片,那么到底选用图片中哪个像素值？

OpenGL使用一种叫做多级渐远纹理(Mipmap)的概念来解决这个问题，它简单来说就是将一个图像生成一系列的纹理图像，后一个纹理图像是前一个的二分之一,直到生成只有1个像素大小的图片为止,如下图所示:

然后绘制物体时,把摄像机到物体的距离与阙值作比较，在不同的距离空间内选用不同的纹理图像。由于距离远，解析度不高也不会被用户注意到。

所以多级渐远纹理只应用于纹理被缩小的情况下。

 

2.源码实现

具体代码如下所示:

#include "myglwidget.h"
#include <QtDebug>

//GLSL3.0版本后,废弃了attribute关键字（以及varying关键字），属性变量统一用in/out作为前置关键字
#define GL_VERSION  "#version 330 core
"

#define GLCHA(x)    #@x         //加单引号
#define GLSTR(x)     #x            //加双引号
#define GET_GLSTR(x) GL_VERSION#x

const char *vsrc = GET_GLSTR(

    layout (location = 0) in vec3 aPos;
    layout (location = 1) in vec3 aColor;
    layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;

    out vec3 ourColor;
    out vec2 TexCoord;

    void main()
    {
        gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
        ourColor = aColor;
        TexCoord = aTexCoord;
    }

);

const char *fsrc =GET_GLSTR(

    out vec4 FragColor;

    in vec3 ourColor;
    in vec2 TexCoord;

    uniform sampler2D ourTexture;

    void main()
    {
        FragColor = texture(ourTexture, TexCoord);
    }
);


myGlWidget::myGlWidget(QWidget *parent):QOpenGLWidget(parent)
{

}


void myGlWidget::paintGL()
{
   // 绘制
   // glViewport(0, 0, width(), height());
   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);


   // 渲染Shader
   vao.bind();       //绑定激活vao
   m_texture->bind();
   glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);    //绘制3个定点,样式为三角形

   m_texture->release();
   vao.release();       //解绑
}

void myGlWidget::initializeGL()
{

   // 为当前环境初始化OpenGL函数
   initializeOpenGLFunctions();

   glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);    //设置背景色为白色


   //初始化纹理对象
   m_texture  = new QOpenGLTexture(QOpenGLTexture::Target2D);
   m_texture->setData(QImage(":wall1"));
   m_texture->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear,QOpenGLTexture::Nearest);
   //设置缩小和放大的方式,缩小图片采用LinearMipMapLinear线性过滤,并使用多级渐远纹理邻近过滤,放大图片采用:Nearest邻近过滤

   m_texture->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS,QOpenGLTexture::Repeat);
   m_texture->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT,QOpenGLTexture::Repeat);


   //创建着色器程序

   program = new QOpenGLShaderProgram;
   program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex,vsrc);
   program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment,fsrc);

   program->link();
   program->bind();//激活Program对象


   //初始化VBO,将顶点数据存储到buffer中,等待VAO激活后才能释放
   float vertices[] = {
       // 位置               // 颜色               //纹理坐标
        0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,    2.0f, 0.0f,//   右下
       -0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,    0.0f, 0.0f,  // 左下
        0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f,    1.0f, 2.0f  //  顶部
   };

   vbo.create();
   vbo.bind();              //绑定到当前的OpenGL上下文,
   vbo.allocate(vertices, sizeof(vertices));
   vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);  //设置为一次修改，多次使用


   //初始化VAO,设置顶点数据状态(顶点，法线，纹理坐标等)
   vao.create();
   vao.bind();

  // void setAttributeBuffer(int location, GLenum type, int offset, int tupleSize, int stride = 0);
   program->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0,                  3, 8 * sizeof(float));   //设置aPos顶点属性
   program->setAttributeBuffer(1, GL_FLOAT, 3 * sizeof(float),  3, 8 * sizeof(float));   //设置aColor顶点颜色
   program->setAttributeBuffer(2, GL_FLOAT, 6 * sizeof(float),  2, 8 * sizeof(float));   //设置纹理坐标


   //offset:第一个数据的偏移量
   //tupleSize:一个数据有多少个元素,比如位置为xyz,颜色为rgb,所以是3
   //stride:步长,下个数据距离当前数据的之间距离,比如右下位置和左下位置之间间隔了:3个xyz值+3个rgb值,所以填入 6 * sizeof(float)


   program->enableAttributeArray(0); //使能aPos顶点属性
   program->enableAttributeArray(1); //使能aColor顶点颜色
   program->enableAttributeArray(2); //使能纹理坐标


   //解绑所有对象
   vao.release();
   vbo.release();


}
void myGlWidget::resizeEvent(QResizeEvent *e)
{


}

 由于我们设置的三角形纹理坐标是

  //纹理坐标
2.0f, 0.0f,//   右下
0.0f, 0.0f,  // 左下
1.0f, 2.0f  //  顶部

 所以是超过了范围(0, 0)到(1, 1),假如我们绘制mode改为QOpenGLTexture::ClampToEdge,就可以看出其实三角形是大于图片的,修改代码如下:

 m_texture->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS,QOpenGLTexture::ClampToEdge);
 m_texture->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT,QOpenGLTexture::ClampToEdge);

显示界面如下所示:

 在代码中,我们还保存了上章着色器颜色渲染相关代码,所以我们可以把得到的纹理颜色与顶点颜色混合，来获得更有趣的混合效果,修改fragment源码:

FragColor = texture(ourTexture, TexCoord) * vec4(ourColor, 1.0);

编译并运行,如下图所示:

texture()函数意义

其中的texture函数主要是来采样不同坐标的纹理颜色，它第一个参数是纹理采样器，第二个参数是对应的纹理坐标。

texture函数会根据当前所在纹理坐标去获取对应的颜色。然后输出到FragColor 显示颜色.

3.纹理叠加

在上个源码实现中,我们在fragment源码中定义了一个uniform类型的ourTexture变量,但是我们却没有给它赋值就已经实现了纹理,这是因为默认激活的是GL_TEXTURE0,所以我们之前的操作都是针对GL_TEXTURE0(如果有一个纹理的话).
假如有多个纹理的话,我们就需要设置其纹理位置值(也称为一个纹理单元(Texture Unit))。然后再将对应的QOpenGLTexture绑定上.

设置如下所示:

program->setUniformValue("texture1", 0);　　//设置texture1为GL_TEXTURE0
m_texture->bind();    //将m_texture绑定在GL_TEXTURE0上
program->setUniformValue("texture2", 1);  //设置texture2为GL_TEXTURE1
m_texture2->bind(1);//将m_texture2绑定在GL_TEXTURE1上
....

OpenGL至少保证有16个纹理单元供你使用，也就是说你可以激活从GL_TEXTURE0到GL_TEXTRUE15。它们都是按顺序定义的，所以我们也可以通过GL_TEXTURE0 + 8的方式获得GL_TEXTURE8，这在当我们需要循环一些纹理单元的时候会很有用。

修改fragment源码:

#version 330 core
...

uniform sampler2D texture1;
uniform sampler2D texture2;

void main()
{
FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.7);
}

mix函数作用是将前两个纹理参数进行融合,根据第三个参数值来进行线性插值,如果第三个值是0.0，它会返回第一个输入；如果是1.0，会返回第二个输入值。0.7表示返回30%的第一个输入颜色和70%的第二个输入颜色。

然后再加入一个我的大学图片:

最终和砖墙叠加后的效果如下所示:

 具体源码如下所示:

#include "myglwidget.h"
#include <QtDebug>


//GLSL3.0版本后,废弃了attribute关键字（以及varying关键字），属性变量统一用in/out作为前置关键字
#define GL_VERSION  "#version 330 core
"

#define GLCHA(x)    #@x         //加单引号
#define GLSTR(x)     #x            //加双引号
#define GET_GLSTR(x) GL_VERSION#x


const char *vsrc = GET_GLSTR(

    layout (location = 0) in vec3 aPos;
    layout (location = 1) in vec3 aColor;
    layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;

    out vec3 ourColor;
    out vec2 TexCoord;

    void main()
    {
        gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
        ourColor = aColor;
        TexCoord = aTexCoord;
    }

);

const char *fsrc =GET_GLSTR(

    out vec4 FragColor;

    in vec3 ourColor;
    in vec2 TexCoord;


    uniform sampler2D texture1;
    uniform sampler2D texture2;

    void main()
    {
        FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.7);
    }

);


myGlWidget::myGlWidget(QWidget *parent):QOpenGLWidget(parent)
{

}


void myGlWidget::paintGL()
{
   // 绘制
    int w = width();
    int h = height();
    int side = qMin(w, h);
    glViewport((w - side) / 2, (h - side) / 2, side, side);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);


   // 渲染Shader
   vao.bind();       //绑定激活vao
   m_texture->bind();

   program->setUniformValue("texture1", 0);
   m_texture->bind();
   program->setUniformValue("texture2", 1);
   m_texture2->bind(1);

   glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, 4);    //绘制3个定点,样式为三角形

   m_texture->release();
   m_texture2->release();
   vao.release();       //解绑
}

void myGlWidget::initializeGL()
{

   // 为当前环境初始化OpenGL函数
   initializeOpenGLFunctions();

   glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);    //设置背景色为白色


   //初始化纹理对象
   m_texture  = new QOpenGLTexture(QOpenGLTexture::Target2D);
   m_texture->setData(QImage(":wall")); //加载砖块图片
   m_texture->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear,QOpenGLTexture::Nearest);
   //设置缩小和放大的方式,缩小图片采用LinearMipMapLinear线性过滤,并使用多级渐远纹理邻近过滤,放大图片采用:Nearest邻近过滤

   m_texture->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS,QOpenGLTexture::Repeat);
   m_texture->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT,QOpenGLTexture::Repeat);


   //初始化纹理对象
   m_texture2  = new QOpenGLTexture(QOpenGLTexture::Target2D);
   m_texture2->setData(QImage(":my").mirrored()); //返回图片的镜像,设置为Y轴反向,因为在opengl的Y坐标中,0.0对应的是图片底部


   m_texture2->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear,QOpenGLTexture::Nearest);
   //设置缩小和放大的方式,缩小图片采用LinearMipMapLinear线性过滤,并使用多级渐远纹理邻近过滤,放大图片采用:Nearest邻近过滤

   m_texture2->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS,QOpenGLTexture::Repeat);
   m_texture2->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT,QOpenGLTexture::Repeat);






   //创建着色器程序

   program = new QOpenGLShaderProgram;
   program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex,vsrc);
   program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment,fsrc);

   program->link();
   program->bind();//激活Program对象


   //初始化VBO,将顶点数据存储到buffer中,等待VAO激活后才能释放
   float vertices[] = {
   //     ---- 位置 ----       ---- 颜色 ----     - 纹理坐标 -
        0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, 0.0f,   1.0f, 1.0f,   // 右上
        0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 1.0f, 0.0f,   1.0f, 0.0f,   // 右下
       -0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.0f, 1.0f,   0.0f, 0.0f,   // 左下
       -0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f    // 左上
   };

   vbo.create();
   vbo.bind();              //绑定到当前的OpenGL上下文,
   vbo.allocate(vertices, sizeof(vertices));
   vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);  //设置为一次修改，多次使用


   //初始化VAO,设置顶点数据状态(顶点，法线，纹理坐标等)
   vao.create();
   vao.bind();

  // void setAttributeBuffer(int location, GLenum type, int offset, int tupleSize, int stride = 0);
   program->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0,                  3, 8 * sizeof(float));   //设置aPos顶点属性
   program->setAttributeBuffer(1, GL_FLOAT, 3 * sizeof(float),  3, 8 * sizeof(float));   //设置aColor顶点颜色
   program->setAttributeBuffer(2, GL_FLOAT, 6 * sizeof(float),  2, 8 * sizeof(float));   //设置aColor顶点颜色


   //offset:第一个数据的偏移量
   //tupleSize:一个数据有多少个元素,比如位置为xyz,颜色为rgb,所以是3
   //stride:步长,下个数据距离当前数据的之间距离,比如右下位置和左下位置之间间隔了:3个xyz值+3个rgb值,所以填入 6 * sizeof(float)


   program->enableAttributeArray(0); //使能aPos顶点属性
   program->enableAttributeArray(1); //使能aColor顶点颜色
   program->enableAttributeArray(2); //使能aColor顶点颜色


   //解绑所有对象
   vao.release();
   vbo.release();


}
void myGlWidget::resizeEvent(QResizeEvent *e)
{


}