【WebGL之巅】18-颜色与纹理-在矩形表面帖上图像

By 大Van家 on 2021-07-29
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对应《WebGL编程指南》代码:20-TexturedQuad

要点:纹理映射、纹理坐标

知识点

一、纹理映射

​ 概念:将一张图像(像帖纸)映射(帖)到一个几何图形的表面上去。此时这张图片又可以称为纹理图像纹理(texture)。

​ 作用:根据纹理图像,为之前光栅化后的每个元素涂上合适的颜色。组成纹理图像的像素又被称为纹素,每一个纹素都使用RGB或RGBA格式编码。

二、纹理映射的步骤

​ 1、准备好映射到几何图形上的纹理图像

​ 2、为几何图形配置纹理映射方式

​ 3、加载纹理图像,对其进行一些配置,以在WebGL中使用它

​ 4、在片元着色器中将相应的纹素从纹理中抽取出来,并将纹素的颜色赋值给片元

三、纹理坐标

​ 第2步指定映射方式,就是确定“几何图形的某个片元”的颜色如何取决于“纹理图像中那个(或哪几个)像素”的问题(即前者到后者的映射)。我们利用图形顶点坐标来确定屏幕上那部分被纹理图像覆盖,使用纹理坐标来确定纹理图像的哪部分将覆盖到几何图形上。

纹理坐标是纹理图像上的坐标,通过纹理坐标可以在纹理图像上获取纹素颜色。
​ WebGL系统中的纹理坐标系统是二维的。
​ WebGL中使用st命名纹理坐标。(st坐标系统或uv坐标系统)

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​ 纹理坐标很通用,因为坐标值与图像自身尺寸无关。

四、将纹理图像粘贴到几何图形上

​ 在WebGL中,我们通过纹理图像的纹理坐标与几何图形顶点坐标间的映射关系,来确定怎样将纹理图像贴上去。

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​ 这里的映射关系为:

纹理坐标 顶点坐标
(0.0, 1.0) (-0.5, 0.5, 0.0)
(0.0, 0.0) (-0.5, -0.5, 0.0)
(1.0, 0.0) (0.5, -0.5, 0.0)
(1.0, 1.0) (0.5, 0.5, 0.0)

五、程序讲解

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function initTextures(gl, n) {
var texture = gl.createTexture(); //创建纹理对象
if(!texture){
console.log('Failed to create the texture object');
return false;
}

//获取u_Sampler的存储位置
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
if (!u_Sampler) {
console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
return false;
}

var image = new Image();//创建一个image对象
if (!image) {
console.log('Failed to create the image object');
return false;
}

//注册图像加载时间的响应函数
image.onload = function () {
loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image);
};

//浏览器开始加载图像
image.src = '../resources/sky.jpg';

return true;
}

function loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image){
gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);//对纹理图像进行y轴反转
//开启0号纹理单元
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
//向target绑定纹理对象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

//配置纹理参数
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.MIRRORED_REPEAT);
//配置纹理图像
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

//将0号纹理传递给着色器
gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, n);//绘制矩形
}

这段程序主要分五个部分:

1、顶点着色器中接收顶点的纹理坐标,光栅化后传递给片元着色器

2、片元着色器根据片元的纹理坐标,从纹理图像中抽取出纹素颜色,赋给当前片元。

3、设置顶点的纹理坐标(initVertexBuffers()

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var verticesTexCoords = new Float32Array(
[
-0.5, 0.5, 0.0, 1.0, // 左上 顶点(-0.5, 0.5)对应纹理(0.0, 1.0)
-0.5, -0.5, 0.0, 0.0,// 左下
0.5, 0.5, 1.0, 1.0, // 右上
0.5, -0.5, 1.0, 0.0, // 右下
]
);

​ 将顶点坐标和纹理坐标写入缓冲区对象,将其中的顶点坐标分配给a_Position变量并开启之。

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var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

​ 获取a_TexCoord变量的存储位置,将缓冲区中的纹理坐标分配给该变量更开启。

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var a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

4、配置和加载纹理,准备待加载的纹理图像,令浏览器读取它(initTextures()

①取样器

​ u_Sampler。“Sampler”意为取样器,因为从纹理图像中获取纹素颜色的过程,相当于从纹理图像中“取样”,即输入纹理坐标,返回颜色值。实际上,由于纹理像素也是有大小的,取样处的纹理坐标很可能并不在某个像素中心,所以取样通常并不是直接取纹理图像某个像素的颜色,而是通过附近的若干个像素共同计算而得。

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var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
②加载图像(异步加载)
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var image = new Image();//创建一个image对象
// 注册图像加载时间的响应函数
image.onload = function () {
// 异步调用
loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image);
};

// 浏览器开始异步加载图像,程序本身执行return true语句
// 然后,浏览器在某个时刻完成了对图像的加载,就会调用事件响应函数loadTexture()将加载得到的图像交给WebGL系统处理
image.src = '../resources/sky.jpg';
return true;

注意:出于安全性考虑,WebGL不允许使用跨域纹理图像。

异步加载图片过程:

​ [1]告诉浏览器在图像加载完成后调用loadTexture()

​ [2]浏览器开始加载图像

​ [3]向web服务器请求纹理图像

​ [4]服务器从数据库文件系统中获取图像

​ [5]服务器返回图像

​ [6]浏览器收到加载完成的图像

​ [7]调用loadTexture()函数

解析:上述步骤中,[1]和[2]是顺序执行的,而第[2]步到第[7]步不是。

5、监听纹理图像的加载事件,一旦加载完成,就在WebGL系统中使用纹理(loadTexture()

​ 为WebGL配置纹理

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function loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image){
gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);//对纹理图像进行y轴反转
//开启0号纹理单元
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
//向target绑定纹理对象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

//配置纹理参数
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.MIRRORED_REPEAT);
//配置纹理图像
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

//将0号纹理传递给着色器
gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, n);//绘制矩形
}
①图像Y轴反转
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gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);

​ 在使用图像前,必须对它进行Y轴反转。(WebGL纹理坐标中的t轴的方向和PNG、BMP、JPG等格式图片的坐标系统的Y轴方向是相反的。)

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gl.pixelStorei()参数
pname 以下二者之一
gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL 对图像进行Y轴反转,默认值为false
gl.UNPACK_PREMULTIPLY_ALPHA_WEBGL 将图像RGB颜色值的每一个分量乘以A。默认false
param 指定非0或0。必须为整数
②激活纹理单元

​ WebGL通过纹理单元的机制来同时使用多个纹理。每个纹理单元有一个单元编号来管理一张纹理图像。
​ 系统支持的纹理单元格数取决于硬件和浏览器的WebGL实现,但是在默认情况下,WebGL至少支持8个纹理单元,内置变量gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE1…gl.TEXTURE7各表示一个纹理单元
​ 在使用纹理单元之前,还需要调用gl.aactiveTexture()来激活它。

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gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
③绑定纹理对象(设置纹理的类型)
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// 注意:该方法完成了两个任务:开启纹理对象,以及将纹理对象绑定到纹理单元上。
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

​ 解析:告诉WebGL系统纹理对象使用的是哪种类型的纹理。在对纹理对象进行操作之前,需要绑定纹理对象,这一点与缓冲区很像:在对缓冲区对象进行操作(写入数据)之前,也需要绑定缓冲区对象。如下:

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// 将缓冲区对象保存到目标上
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexTexCoordBuffer);
// 向缓存对象写入数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

WebGL支持两种类型的纹理:

​ gl.TEXTURE_2D:二维纹理

​ gl.TEXTURE_CUBE_MAP:立方体纹理

补充:在WebGL中,你没法直接操作纹理对象,必须通过将纹理对象绑定到纹理单元上,然后通过操作纹理单元来操作纹理对象。

④配置纹理对象的参数

​ 即设置纹理图像映射到图形上的具体方式:如何根据纹理坐标获取纹素颜色、按哪种方式重复填充纹理。

gl.texParameteri()
参数1:target gl.TEXTURE_2D或gl.TEXTURE_CUBE_MAP
参数 2:pname 纹理参数(参见)
参数3:param 纹理参数的值

纹理参数:

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纹理参数 描述 默认值 其他值
gl.TEXTURE_MAX_FILTER 纹理放大。当纹理的绘制范围比较纹理本身更大时,如何获取纹素颜色。(图像比空间小) gl.LINEAR: 见下图
gl.TEXTURE_MIN_FILTER 纹理缩小。当纹理的绘制范围比较纹理本身更小时,如何获取纹素颜色。(图像比空间大) gl.NEAREST_MIPMAP_LINEAR
gl.TEXTURE_WRAP_S 纹理水平填充 gl.REPEAT
gl.TEXTURE_WRAP_T 纹理垂直填充 gl.REPAET

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​ 每个纹理参数都有一个默认值,不调用gl.texParameteri就使用默认值。本例修改了gl.TEXTURE_MIN_FILTER参数,它的默认值是一种特殊的、被称为MIPMAP(也称金字塔)的纹理类型。

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gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);

注:曼哈顿距离,即直角距离,棋盘距离。如(x1,y1)和(x2,y2)的曼哈顿距离为|x1-x2|+|y1-y2|。

⑤将纹理图像分配给纹理对象(gl.texImage2D),同时允许你告诉WebGL系统关于该图像的一些特性。

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​ 这时,Image对象中的图像就从JavaScript传入WebGL系统中,并存储在纹理对象中。

​ 纹理数据的格式:

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format标示纹理数据的格式,必须根据纹理图像的格式来选择这个参数:
JPG => gl.RGB
PNG => gl.RGBA
BMP => gl.RGB

补充:

​ 1.在webgl中,internalformat必须和format一样。

​ 2.gl.LUMUNANCEgl.LUMINANCE_ALPHA 通常用在灰度图像上等等

​ 3.流明(luminance)标示我们感知到的物体表面的亮度。通常使用物体表面红、蓝 颜色分量指的加权平均来计算流明。

​ 纹理数据的数据格式:

type参数制定了纹理数据类型。通常使用gl.UNSIGNED_BYTE数据类型。

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⑥将纹理单元传递给片元着色器

一旦将纹理图像传入了WebGL系统,就必须将其传入片元着色器并映射到图形的表面上去。

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//片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
...
'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
...

用于纹理对象的数据类型:

  • sampler2D:绑定到gl.TEXTURE_2D上的纹理数据类型
  • samplerCube:gl.TEXTURE_CUBE_MAP

通过纹理单元编号(gl.TEXTUREn中的n)将纹理对象传给u_Sampler

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//将0号纹理传递给着色器
gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

执行完后,片元着色器就能够访问纹理图像了。

⑦从顶点着色器向片元着色器传输纹理坐标

通过同名的varying变量传输数据:

​ 通过attribute变量a_TexCoord接收顶点的纹理坐标,将数据赋值给varying变量v_TexCoord并将纹理坐标传入片元着色器。

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var VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' +
'attribute vec2 a_TexCoord;\n' +
'varying vec2 v_TexCoord;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_Position = a_Position;\n' +
' v_TexCoord = a_TexCoord;\n' +
'}\n';
⑧在片元着色器中获取纹理像素颜色(texture2D())
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gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);

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​ 纹理放大和缩小方法的参数将决定WebGL系统将以何种方式内插出片元。我们将texture2D函数返回值赋给了gl_FragColor变量,然后片元着色器就将当前片元染成这个颜色。

实例1

代码

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// TexturedQuad.js
//顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' +
'attribute vec2 a_TexCoord;\n' +
'varying vec2 v_TexCoord;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_Position = a_Position;\n' +
' v_TexCoord = a_TexCoord;\n' +
'}\n';

//片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
'#ifdef GL_ES\n' +
'precision mediump float;\n' +
'#endif\n' +
'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
'varying vec2 v_TexCoord;\n' +
'void main(){\n'+
' gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\n'+
'}\n';

function main() {
var canvas = document.getElementById("webgl");
if (!canvas) {
console.log("Failed to retrieve the <canvas> element");
return;
}

var gl = getWebGLContext(canvas);
if (!gl) {
console.log("Failed to get the rendering context for WebGL");
return;
}

if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
console.log("Failed to initialize shaders.");
return;
}

//设置顶点位置
var n = initVertexBuffers(gl);
if (n < 0) {
console.log('Failed to set the positions of the vertices');
return;
}

// Specify the color for clearing <canvas>
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

// 配置纹理
if (!initTextures(gl, n)) {
console.log('Failed to intialize the texture.');
return;
}
}

function initVertexBuffers(gl){
var verticesTexCoords = new Float32Array(
[
-0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
-0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
// -0.5, 0.5, -0.3, 1.7,
// -0.5, -0.5, -0.3, -0.2,
// 0.5, 0.5, 1.7, 1.7,
// 0.5, -0.5, 1.7, -0.2
]
);
var n=4;// 顶点数目

// 创建缓冲区对象
var vertexTexCoordBuffer = gl.createBuffer();
if(!vertexTexCoordBuffer){
console.log("Failed to create thie buffer object");
return -1;
}

// 将顶点坐标和纹理坐标写入缓冲区对象
// 将缓冲区对象保存到目标上
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexTexCoordBuffer);
// 向缓存对象写入数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

var FSIZE = verticesTexCoords.BYTES_PER_ELEMENT;

var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
if(a_Position < 0){
console.log("Failed to get the storage location of a_Position");
return -1;
}
// 将缓冲区对象分配给a_Postion变量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE*4, 0);
// 连接a_Postion变量与分配给它的缓冲区对象
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

// 将纹理坐标分配给a_TexCoord并开启它
var a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
if(a_TexCoord < 0){
console.log("Failed to get the storage location of a_TexCoord");
return -1;
}

gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE*4, FSIZE*2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

return n;
}

// 配置和加载纹理,准备待加载的纹理图像,令浏览器读取它
function initTextures(gl, n) {
var texture = gl.createTexture(); //创建纹理对象
if(!texture){
console.log('Failed to create the texture object');
return false;
}

// 从片元着色器中获取uniform变量u_Sampler(取样器)的存储位置
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
if (!u_Sampler) {
console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
return false;
}

var image = new Image();//创建一个image对象
//注册图像加载时间的响应函数
image.onload = function () {
loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image);
};

//浏览器开始加载图像
image.src = '../resources/sky.jpg';

return true;
}

function loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image){
gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);//对纹理图像进行y轴反转
//开启0号纹理单元
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
//向target绑定纹理对象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

//配置纹理参数
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
// gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
// gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.MIRRORED_REPEAT);
//配置纹理图像
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

//将0号纹理传递给着色器
gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, n);//绘制矩形
}

效果

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实例2

代码

TexturedQuad_Repeat

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仅修改此处:
var verticesTexCoords = new Float32Array(
[
// -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
// -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
// 0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
// 0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
-0.5, 0.5, -0.3, 1.7,
-0.5, -0.5, -0.3, -0.2,
0.5, 0.5, 1.7, 1.7,
0.5, -0.5, 1.7, -0.2
]
);

效果

​ 由于纹理图像不足以覆盖整个矩形,所以可以看到在本该空白的区域,纹理重复出现了,因为gl.TEXTURE_WRAP_Sgl.TEXTURE_WRAP_T都默认值为gl.REPEAT

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实例3

代码

TexturedQuad_Clamp_Mirror

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修改1
var verticesTexCoords = new Float32Array(
[
// -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
// -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
// 0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
// 0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
-0.5, 0.5, -0.3, 1.7,
-0.5, -0.5, -0.3, -0.2,
0.5, 0.5, 1.7, 1.7,
0.5, -0.5, 1.7, -0.2
]
);

修改2
//配置纹理参数
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.MIRRORED_REPEAT);

效果

​ 修改纹理参数,可见s轴(水平轴)上,纹理外填充了最边缘纹素的颜色,而t轴(垂直轴)上镜像的重复填充纹理。

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