从零开始游戏开发——3.5 纹理基础

　　之前的小节，我们显示了使用木箱子外观的三角形，纹理可以极大丰富物体的表现，在这节中，我们将介绍一张图像是如何做为纹理进行显示的，最终实现下图效果：

首先，我们拥有一张.tga格式的图片，tga文件头结构如下：

#pragma pack(1)
typedef struct
{
    char identsize;                   // Size of ID field that follows header (0)
    char colorMapType;               // 0 = None, 1 = paletted
    char imageType;                   // 0 = none, 1 = indexed, 2 = rgb, 3 = grey, +8=rle
    unsigned short colorMapStart;  // First colour map entry
    unsigned short colorMapLength; // Number of colors
    unsigned char colorMapBits;       // bits per palette entry
    unsigned short xstart;           // image x origin
    unsigned short ystart;           // image y origin
    unsigned short width;           // width in pixels
    unsigned short height;           // height in pixels
    char bits;                       // bits per pixel (8 16, 24, 32)
    char descriptor;               // image descriptor
} TGAHEADER;
#pragma pack(pop)

第1行和第17行的作用将头结构按1字节内存对齐，然后进行文件读取，获取到图像的颜色数据：

bool CTGAImage::Load(const char *filename)
{
    FILE *pFile;  // File pointer
    short sDepth; // Pixel depth;

    // Attempt to open the file
    pFile = fopen(filename, "rb");
    if (pFile == NULL)
    {
        printf("Openfile %s failed\n", filename);
        return false;
    }
    // Read in header (binary)
    fread(&_TgaHeader, 18 /* sizeof(TGAHEADER)*/, 1, pFile);

    // Get width, height, and depth of texture
    _Width = _TgaHeader.width;
    _Height = _TgaHeader.height;
    sDepth = _TgaHeader.bits / 8;

    // Put some validity checks here. Very simply, I only understand
    // or care about 8, 24, or 32 bit targa's.
    if (_TgaHeader.bits != 8 && _TgaHeader.bits != 24 && _TgaHeader.bits != 32)
    {
        return false;
    }
    // Calculate size of image buffer
    _ImageSize = _TgaHeader.width * _TgaHeader.height * sDepth;

    // Allocate memory and check for success
    _pData = (unsigned char *)malloc(_ImageSize * sizeof(unsigned char));
    if (_pData == NULL)
    {
        return false;
    }
    // Read in the bits
    // Check for read error. This should catch RLE or other
    // weird formats that I don't want to recognize
    if (fread(_pData, _ImageSize, 1, pFile) != 1)
    {
        free(_pData);
        _pData = NULL;
        return false;
    }

    // Set OpenGL format expected
    switch (sDepth)
    {
#ifndef OPENGL_ES
    case 3: // Most likely case
        _Format = BGR;
        break;
#endif
    case 4:
        _Format = BGRA;
        break;
    case 1:
        _Format = LUMINANCE;
        break;
    default: // RGB
                // If on the iPhone, TGA's are BGR, and the iPhone does not
                // support BGR without alpha, but it does support RGB,
                // so a simple swizzle of the red and blue bytes will suffice.
                // For faster iPhone loads however, save your TGA's with an Alpha!
#ifdef OPENGL_ES
        for (int i = 0; i < lImageSize; i += 3)
        {
            GLbyte temp = pBits[i];
            pBits[i] = pBits[i + 2];
            pBits[i + 2] = temp;
        }
#endif
        break;
    }

    // Done with File
    fclose(pFile);

    return false;
}

上面的代码读取8位、16位和32位图像的头信息并进行赋值，然后获取实现的颜色数据地址，根据头信息中的位数，获得图像的模式，由于iPhone不支持BRG格式，这里对gles下的使用作了RGB的转换。现在已经有用于显示的图像的颜色数据，现在定义一个用于软件渲染的纹理类如下，类中Image类包含了一张图像的头信息和颜色数据，在模型初始化的阶段，将这张纹理做为渲染器的输入数据进行传递，同时顶点数据需要传入纹理坐标。

class CSoftTexture2D : public ITexture
{
public:
    CSoftTexture2D(const char *fullName);
    Color GetPixel(const Vector2f &uv) const;
    Color GetPixel(int x, int y) const;
private:
    IImage *_Image;
};

在渲染过程中的片断着色器处理阶段，通过使用插值计算得到当前片断的uv值，就可以对纹理数据进行采样了，我们的Shader代码如下：

typedef map<string, vector<float>> UniformMap;

static void VertexShader(const void *globalUniforms, const void *uniforms, const void *datas, unsigned char *out)
{
    UniformMap globalU = *((UniformMap *)globalUniforms);
    UniformMap u = *((UniformMap *)uniforms);
    Matrix4x4f mvpMat4(u["mvpMat"].data());

    const Vector3f &inPosition = *(Vector3f *)(datas);
    const Vector2f &inUV = *(Vector2f *)(&inPosition + 1);

    Vector4f &outPosition = *(Vector4f *)out;
    Vector2f &outUV = *(Vector2f *)(&outPosition + 1);
    outPosition = mvpMat4 * Vector4f(inPosition.x, inPosition.y, inPosition.z, 1.0f);
    outUV = inUV;
}

REGISTER_VPROGRAM(VertexShader);

static Color FragmentShader(const void *globalUniforms, const void *uniforms, ISampler **samplers, const void *datas)
{
    Vector2f &inUV = V2F_UV(datas);

    ISampler *sampler1 = samplers[0];
    Color albedo = sampler1->Sample(inUV);
    return albedo;
}

REGISTER_FPROGRAM(FragmentShader);

在FragmentShader代码中，第25行使用采样器进行采样，在不考虑多重采样等情况下 ，对于BGR格式的图像最简单的采样代码如下，这样，模型上就可以显示出带纹理的外观了。

int width = _Image->GetWidth();
int height = _Image->GetHeight();
if (x >= 0 && x < width && y >=0 && y < height)
{
    unsigned char *data = (unsigned char*)_Image->GetData();
    unsigned char *addr = data + width * y * 3 + x * 3;
    float inv = 1.f / 255.f;
    return Color(1.f, *(addr + 2) * inv, *(addr + 1) * inv, (*addr) *inv );
}

　　上面过程介绍了一张图像从加载到显示的过程，展示了纹理的简单应用，然后纹理的作用远不止如此，上面介绍的的是一张2D纹理的使用，在游戏中，纹理还有1D纹理、3D纹理、Cube纹理。1D纹理在卡通渲染中明暗过滤处理比较常见，3D纹理则相当于2D纹理叠在了一起，在体积渲染和一些drawcall合批优化中可以看到相关应用，Cube纹理则可以在天空盒、环境映射中看到它的身影。

　　通常对一张纹理进行采样，其Wrap Mode通常有Repeat、Clamp、Mirror几种，Wrap Mode是指当纹理坐标是Normalized即0~1时，uv超出这个范围的处理，下图是几种模式的效果图：

上面的例子中，我们没有处理纹理过滤的情况，由于纹理坐标与屏幕分辨率无关，纹理尺寸与模型尺寸的对应需要纹理过滤来处理这种适应关系，通常用到的有Nearest——取最邻近的像素值和Linear——获取附近像素加权平均值，同时当一个模型距离摄像机很远时，可以对纹理使用Mipmap来避免远处的闪烁现象，一张32*32的纹理其Mipmap级别从0到5分别为32*32、16*16、8*8、4*4、2*2、1*1。如果一张纹理启用了Mipmap其占用内存大小约增加1/3，推导如下：

　　设S = 1/4 + 1/16 + ... + 1/(4^n) 为增加的内存大小，

　　1 + 1/4 + 1/16 + ... + 1/(4^(n-1)) == 4S 为总占用内存大小，

　　4S - S = 3S = 1 - 1/(4^n)

　　n趋向于无穷大时，3S = 1，因此S = 1/3。

　　本节介绍了纹理的基础知识，后面介绍完光照后，将继续介绍凹凸映射、环境映射等高级技术，总之，游戏开发很多渲染表现都需要用到纹理相关技术。