WebGL笔记（三）纹理

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前两篇整理了《WebGL编程指南》的一到四章，笔记的重要性体现出来了，130页的内容，整理到两篇文章中，能非常快的进行回顾或复习或重新学习（长时间不用，大部分知识就忘了，这也是整理笔记的主要原因）；

本篇开始进入第5章“颜色与纹理”；

发生在顶点着色器和片元着色器之间的从图形到片元的转化，又称图元光栅化；

一、varying 变量

作用：从顶点着色器往片元着色器传值；

看下面的顶点着色器和片元着色器代码：

attribute vec4 a_Position;
attribute float a_PointSize;
attribute vec4 a_Color;
varying vec4 v_Color;

void main(){
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = a_PointSize;
  v_Color = a_Color;
}
precision mediump float;
varying vec4 v_Color;
void main(){
  gl_FragColor = v_Color;
}

两段代码中，都有一个”v_Color”变量的声明；顶点着色器中，对”v_Color”进行赋值，值是外部传进来的a_Color的值；

varying变量的好处是不用再单独处理不在顶点着色器中的属性（颜色等），在操作顶点着色器的时候就能把属性传进去；js相关操作如下：

gl.vertexAttribPointer(a_Color, 4, gl.FLOAT, false, byteLen, fsize * 3);
gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

没什么特别操作，就是创建缓冲区那一套逻辑，给a_Color变量分配值；

这里有个相关的demo，该demo中，有三个不同颜色的点，绘制成了一个三色渐变三角形；

从顶点着色器到片元着色器，有两个步骤：

  • 图形装配过程：将孤立的顶点坐标装配成几何图形，几何图形的类别是由 drawArrays() 的第一个参数决定；
  • 光栅化过程：将装配好的几何图形转化为片元；

光栅化过程中有一个内插过程，内插是指内部计算未指定的颜色，上面的例子中，只指定了三个顶点的颜色，将三角形构建完成后，内部其他像素的颜色都会先计算出来，计算完成后，才会传给片元着色器中的 v_Color，片元着色器就拿这些信息进行绘制了；所以，两个着色器中的 v_Color 不是一回事；

gl_FragCoord 内置变量

vec4 类型，第1、2个分量表示片元在canvas坐标系统中的坐标值；

可以用这个变量来绘制渐变，片元着色器代码：

precision mediump float;
void main(){
  gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.x/u_Width, gl_FragCoord.y/u_Height, gl_FragCoord.z/u_Height, 1.0);
}

二、纹理基本概念和原理

纹理映射：将一张图片映射到一个几何图形的表面上去；

这张图片又可以称为纹理图像或纹理；

纹理映射就是将光栅化后的每个片元（像素）涂上合适的颜色，组成纹理图像的像素被称为纹素（texels，texture elements）– 我觉得翻译成纹元更好一些吧；

WebGL中的纹理映射需要四步：

  • 准备好图像；
  • 为几何图形配置纹理映射方式；
  • 加载纹理图像，对其进行一些配置，以在WebGL中使用；
  • 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、纹理的具体操作

源代码在这儿，下面是一些关键的代码摘要；

顶点着色器代码：

attribute vec4 a_Position;
attribute vec2 a_TexCoord;
varying vec2 v_TexCoord;

void main(){
  gl_Position = a_Position;
  v_TexCoord = a_TexCoord;
}

片元着色器代码：

precision mediump float;
uniform sampler2D u_Sampler;
varying vec2 v_TexCoord;

void main(){
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
}

纹理数据类型：sampler2D / samplerCube

texture2D(sampler2D sampler, vec2 coord)，返回值为纹素颜色；
u_Sampler: 纹理单元编号；coord: 指定纹理坐标

js 中纹理相关的代码：

// 创建纹理对象
var texture = gl.createTexture();    
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');

var img = new Image();
img.src = './resource/texture.jpg';
img.onload = function () {

  gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 对纹理图像进行y轴反转
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);      // 激活纹理单元，开启0号纹理单元
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);   // 绑定纹理对象

  // 配置纹理参数/纹理展示规则
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  // 将纹理图像分配给纹理对象
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);
  // 将0号纹理传递给着色器中的取样器变量
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, n);
};

0、纹理坐标

纹理坐标系和WebGL坐标系不一致，需要将顶点进行对应，下面的图片中，将纹理的四个角映射到WebGL坐标系中一半(0.5)的区域内；

1、创建纹理对象

var texture = gl.createTexture(); 返回值为新创建的纹理对象，如果创建失败，为null；

删除纹理对象：gl.deleteTexture(texture)

2、对纹理图像进行y轴反转

gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); 图片坐标系和纹理坐标系，y轴相反，所以要反转；

第一个参数默认值为false，其他可选值为

  • gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL：对图像进行y轴反转；
  • gl.UNPACK_PREMULTIPLY_ALPHA_WEBGL：将图像RGB颜色值的每一个分量乘以透明度A；

第二个参数为整数，非0或0，不知道具体是做什么的

3、激活纹理单元，开启纹理单元 gl.activeTexture(gl.TEXTURE0)

WebGL通过纹理单元的机制来管理多个纹理，每个纹理单元有一个单元编号来管理一张纹理图像；

硬件和WebGL实现决定系统支持的纹理单元个数，默认情况下，WebGL至少支持8个纹理单元，gl.TEXTURE0 到 gl.TEXTURE7；

使用纹理单元之前，要先激活；

纹理单元可跳跃使用，想用哪个用哪个，但要和后边第7步中的 uniform1i 参数统一；

4、绑定纹理对象 bindTexture(target, texture)

与绑定缓冲区对象类似，第二个参数 texture 是第一步中创建的纹理对象，第一个参数 target 取值如下：

  • gl.TEXTURE_2D：二维纹理；
  • gl.TEXTURE_CUBE_MAP：立方体纹理；

5、配置纹理展示规则 texParameteri(target, pname, param)

target：和上一步的 target 一样；

pname：取值如下，表示要修改的属性：

  • gl.TEXTURE_MIN_FILTER：纹理放大，指定WebGL在图片放大时，如何处理间隙
  • gl.TEXTURE_MAG_FILTER：纹理缩小，指定WebGL在图片缩小时，如何移除像素
  • gl.TEXTURE_WRAP_S：水平填充，如何对纹理图像的左侧或右侧空白区域进行填充
  • gl.TEXTURE_WRAP_T：垂直填充，如何对纹理图像的上侧或下侧空白区域进行填充

param：为第二个参数属性对应的值，即 pname 为属性，param为值；

gl.TEXTURE_MIN_FILTER / gl.TEXTURE_MAG_FILTER 取值范围如下：

  • gl.NEAREST：使用原纹理上距离映射后像素（新像素）中心最近的那个像素值的颜色值，作为新像素的值（使用曼哈顿距离）；
  • gl.LINEAR：使用距离新像素中心最近的四个像素的颜色值的加权平均，作为新像素的值（效果更好，开销更大）；

TEXTURE_WRAP_S / TEXTURE_WRAP_T 取值范围如下：

  • gl.REPEAT：平铺式重复纹理；
  • gl.MIRRORED_REPEAT：镜像对称式重复纹理；
  • gl.CLAMP_TO_EDGE：使用纹理图像边缘值填充剩余的纹理区域，重复边上的一像素；

点击这里查看展示规则相关demo，该demo中，水平方向是边缘模式（边缘的一像素拉伸），竖直是镜像模式；

6、将纹理图像分配给纹理对象 gl.texImage2D(target, level ,internalformat, format)

target 参数同第四步的 target；

level：为金字塔纹理准备的，暂不涉及，设为0即可；

internalformat：图像的内部格式，取值如下

  • gl.RGB
  • gl.RGBA
  • gl.ALPHA：(0.0,0.0,0.0,透明度)
  • gl.LUMINANCE：L、L、L、1L: 流明
  • gl.LUMINANCE_ALPHA：L、L、L, 透明度

format：纹理的数据格式，和 internalformat 保持一致；

type：纹理的数据类型，取值如下

  • gl.UNSIGNED_BYTE 无符号整型，每个颜色分量占一个字节
  • gl.UNSIGNED_SHORT_5_6_5 每个分量分别占5、6、5比特
  • gl.UNSIGNED_4_4_4_4 每个分量分别占4、4、4、4比特
  • gl.UNSIGNED_5_5_5_1 rgb各占5个比特，A占1个比特

img：图片对象

7、将纹理传递给着色器中的取样器变量

gl.uniform1i(u_Sampler, 1)，第二个参数表示使用第几个纹理，和第3步中的纹理编号保持一致；

需要注意的点

如果图片尺寸不是2的n次幂，第5步需要设置水平、竖直为边缘模式，否则会Warning；

gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);

四、使用多个纹理

片元着色器代码

precision mediump float;
uniform sampler2D u_Sampler0;
uniform sampler2D u_Sampler1;
varying vec2 v_TexCoord;

void main(){
  vec4 color0 = texture2D(u_Sampler0, v_TexCoord);
  vec4 color1 = texture2D(u_Sampler1, v_TexCoord);
  gl_FragColor = color0 * color1;
}

使用多个纹理时，gl_FragColor 的值是多个纹素颜色矢量相乘；

如果纹理数量不定，可以在片元着色器中提前声明多个纹理变量，未被赋值的变量不会有影响，实际用到几个就往片元着色器中传几个；详细demo请点击查看；


TODO

整个纹理操作过程中，还是有一些问题，这本书没有解释清楚的，比如

第2步的反转的时候，第一个参数，除了反转y轴，另一个是什么效果，第二个参数参数0和非0分别表示什么含义

第4步的立方体纹理；

第6步的金字塔纹理；

等等

这些暂时没有用到，可以先不深究，等完成一遍学习回来再看；

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