WebGL學習之紋理貼圖

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為了使圖形能獲得接近於真實物體的材質效果，一般會使用貼圖，貼圖類型主要包括兩種：漫反射貼圖和鏡面高光貼圖。其中漫反射貼圖可以同時實現漫反射光和環境光的效果。
實際效果請看demo：紋理貼圖

2D紋理

實現貼圖就需要用到紋理，常用的紋理格式有：2D紋理，立方體紋理，3D紋理。我們使用最基本的2D紋理就能實現本節需要的效果，我們來看一下使用紋理需要的api。

因為紋理的坐標原點位於左下角，和我們通常的左上角坐標原點剛好相反，下面就是將它按Y軸進行反轉，方便我們設置坐標。

gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);

激活和綁定紋理，gl.TEXTURE0 表示0號紋理，可以從0一直往上遞增。TEXTURE_2D 則是表示2D紋理。

gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);//激活紋理
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);//綁定紋理

接着就是設置紋理參數，這個api非常重要，也是紋理最復雜的部分。

gl.texParameteri(target, pname, param) ，將param的值賦給綁定到目標的紋理對象的pname參數上。參數：

• target: gl.TEXTURE_2D 或 gl.TEXTURE_CUBE_MAP

• pname: 可指定4個紋理參數

  1. 放大（gl.TEXTURE_MAP_FILTER）:當紋理的繪制范圍比紋理本身更大時，如何獲取紋理顏色。比如，將16*16的紋理圖像映射到32*32像素的空間時，紋理的尺寸變為原始的兩倍。默認值為gl.LINEAR。
  2. 縮小（gl.TEXTURE_MIN_FILTER）: 當紋理的繪制返回比紋理本身更小時，如何獲取紋素顏色。比如，將32*32的紋理圖像映射到16*16像素空間里，紋理的尺寸就只有原始的一般。默認值為gl.NEAREST_MIPMAP_LINEAR。
  3. 水平填充（gl.TEXTURE_WRAP_S）: 表示如何對紋理圖像左側或右側區域進行填充。默認值為gl.REPEAT。
  4. 垂直填充（gl.TEXTURE_WRAP_T）: 表示如何對紋理圖像上方和下方的區域進行填充。默認值為gl.REPEAT。

• param: 紋理參數的值

  1. 可賦給 gl.TEXTURE_MAP_FILTER 和 gl.TEXTURE_MIN_FILTER 參數的值

     gl.NEAREST: 使用原紋理上距離映射后像素中心最近的那個像素的顏色值，作為新像素的值。

     gl.LINEAR: 使用距離新像素中心最近的四個像素的顏色值的加權平均，作為新像素的值（和gl.NEAREST相比，該方法圖像質量更好，但也會有較大的開銷。）

  2. 可賦給 gl.TEXTURE_WRAP_S 和 gl.TEXTURE_WRAP_T 的常量：

     gl.REPEAT: 平鋪式的重復紋理

     gl.MIRRORED_REPEAT: 鏡像對稱的重復紋理

     gl.CLAMP_TO_EDGE: 使用紋理圖像邊緣值

設置樣例如下所示：

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

gl.texImage2D，將 pixels 指定給綁定的紋理對象，這個api在 WebGL1 和 WebGL2 中的重載函數多達十幾個，格式類型非常多樣。pixels參數既可以是圖像，canvas，也可以是視頻，我們只看 WebGL1中的調用形式。

// WebGL1:
void gl.texImage2D(target, level, internalformat, width, height, border, format, type, ArrayBufferView? pixels);
void gl.texImage2D(target, level, internalformat, format, type, ImageData? pixels);
void gl.texImage2D(target, level, internalformat, format, type, HTMLImageElement? pixels);
void gl.texImage2D(target, level, internalformat, format, type, HTMLCanvasElement? pixels);
void gl.texImage2D(target, level, internalformat, format, type, HTMLVideoElement? pixels);
void gl.texImage2D(target, level, internalformat, format, type, ImageBitmap? pixels);

// WebGL2:
//...

我封裝出了一個紋理加載函數，每個api的調用格式可以查看資料，還是先實現我們想要的效果。

function loadTexture(url) {
    const texture = gl.createTexture();
    gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);
    gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
    
    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);
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
    
    let textureInfo = {
        width: 1,
        height: 1,
        texture: texture,
    };
    const img = new Image();
    return new Promise((resolve,reject) => {
        img.onload = function() {
            textureInfo.width = img.width;
            textureInfo.height = img.height;
            gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, textureInfo.texture);
            gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, img);
            resolve(textureInfo);
        };
        img.src = url;
    });
}

漫反射貼圖

首先實現漫反射光貼圖，從網上下載了個地板的貼圖，里面包含了各種類型的貼圖。

緩沖區要增加頂點對應的紋理坐標，這樣才能通過紋理坐標找到對應的紋理像素，簡稱紋素。

const arrays = {
    position: [
        -1, 0, -1,
        -1, 0, 1,
        1, 0, -1,
        1, 0, 1
    ],
    texcoord: [
        0.0, 1.0,
        0.0, 0.0,
        1.0, 1.0,
        1.0, 0.0
    ],
    normal: [ 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1 ],
};

頂點着色器唯一區別是增加了紋理坐標，需要插值傳入片元着色器

//...
attribute vec2 a_texcoord;
varying vec2 v_texcoord;

void main() { 
		//...
    v_texcoord = a_texcoord;
} 

片元着色器修改的多一些。主要是使用 texture2D 獲取對應坐標下的紋素，代替之前的顏色就可以了。下面就是片元着色器相關代碼

//...
vec3 normal = normalize(v_normal);
vec4 diffMap = texture2D(u_samplerD, v_texcoord);

//光線方向
vec3 lightDirection = normalize(u_lightPosition - v_position);
// 計算光線方向和法向量夾角
float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);
// 漫反射光亮度
vec3 diffuse = u_diffuseColor * nDotL * diffMap.rgb;
// 環境光亮度
vec3 ambient = u_ambientColor * diffMap.rgb;
//...

js部分加載貼圖對應的圖片，傳遞紋理單元，然后渲染

//...
(async function (){
    const ret = await loadTexture('/model/floor_tiles_06_diff_1k.jpg')
    setUniforms(program, {
        u_samplerD: 0//0號紋理
    });
  	//...
    draw();
})()

效果如下，鏡面高光部分似乎太刺眼了，因為地板是不會有鏡子一樣光滑強烈的反光的。

鏡面高光貼圖

為了實現更逼真的高光效果，繼續實現高光貼圖，實現原理和漫反射一樣，把對應的高光顏色替換成高光貼圖紋素就可以了。
下面就是片元着色器增加修改高光部分

//...
vec3 normal = normalize(v_normal);
vec4 diffMap = texture2D(u_samplerD, v_texcoord);
vec4 specMap = texture2D(u_samplerS, v_texcoord);

//光線方向
vec3 lightDirection = normalize(u_lightPosition - v_position);
// 計算光線方向和法向量夾角
float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);
// 漫反射光亮度
vec3 diffuse = u_diffuseColor * nDotL * diffMap.rgb;
// 環境光亮度
vec3 ambient = u_ambientColor * diffMap.rgb;
// 鏡面高光
vec3 eyeDirection = normalize(u_viewPosition - v_position);// 反射方向
vec3 halfwayDir = normalize(lightDirection + eyeDirection);
float specularIntensity = pow(max(dot(normal, halfwayDir), 0.0), u_shininess);
vec3 specular = (vec3(0.2,0.2,0.2) + specMap.rgb) * specularIntensity;
//...

js同時加載漫反射和高光貼圖

//...
(async function (){
    const ret = await Promise.all([
        loadTexture('/model/floor_tiles_06_diff_1k.jpg'),
        loadTexture('/model/floor_tiles_06_spec_1k.jpg',1)
    ]);
    setUniforms(program, {
        u_samplerD: 0,//0號紋理
        u_samplerS: 1 //1號紋理
    });
  	//...
    draw();
})()

最后實現的效果如下，明顯更加接近真實的地板

后記

紋理貼圖其實包括了很多高級應用，接着我們還將繼續深入探索，下一節是法線貼圖。