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标题 OpenGL纹理函数应用方法研究
范文 童立靖　陈静



摘 要：OpenGL（Open Graphics Library）是目前流行的用于计算机图形处理的程序接口。纹理贴图是其中常用的操作，可以加强图形和动画的美观和真实程度。OpenGL提供了功能强大的贴图函数，可以帮助用户完成贴图操作，贴图操作可以分为在平面上贴纹理图和为网格模型添加纹理两种。
关键词：图形处理；动画；纹理贴图；OpenGL
DOIDOI：10.11907/rjdk.151294
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）007-0033-03
0 引言
OpenGL是通用的专业图形程序接口[1]，可跨平台使用，功能十分强大。 它提供了预包装功能，开发人员所编写的程序可以直接使用，OpenGL作为它的应用程序编程接口（API）。
OpenGL提供了功能强大的贴图函数，可供用户在平面上贴纹理操作和为网格模型添加纹理。本文梳理主要的贴图函数，并介绍这两种贴图方法。
1 OpenGL函数命名约定
绝大多数OpenGL函数都遵循一种命名约定，可看出来自哪个函数库及其基本功能，还提示函数将接受的参数个数和类型[2]。所有函数都具有一个根名称，表示函数所发挥的功能属于哪一个功能大类。所有OpenGL函数都采用以下格式：
<函数库前缀><根命令><可选的参数数量><可选的参数类型>
比如，glColor3f（）函数名中的“Color”表示函数用于设置当前绘图颜色，后缀中的“3”表示函数接受3个参数，Color函数还存在接受4个参数的版本；f表示这些参数都是浮点数。OpenGL为同一个函数定义了不同参数类型，允许用户根据自己的数据格式向OpenGL传递参数。
2 OpenGL所定义的贴图函数
OpenGL定义了功能强大的贴图函数，都以Texture作为根命令。
2.1 glGenTexture（）：创建纹理对象
使用纹理对象时，首先生成一个纹理名[3]。纹理名可以是任何一个非0的无符号整数，为了保证不重复使用同一个纹理名，应调用glGenTexture（）函数。
glGenTextures （GLsizei n， GLuint *textureNames）
参数n指定了将有多少个纹理名被生成并存入textureNames数组中。例如，如果用一个有3个元素的数组来存储纹理名，使用glGenTextures（）函数如下：
Unsigned int textureNames[3]；
...
glGenTextures（3， textureNames）；
2.2 glBindTexture（）：绑定纹理对象
生成纹理名后必须将纹理名绑定到纹理数据上， 可以调用glBindTexture（ ） 函数来实现：
glBindTexture（Glenum target， GLuint texture-Name）
参数target指明了纹理维度，其可能的情况是：GL_TEXTURE_1D， GL_TEXTURE_2D， GL_TEXTURE_3D， GL_TEXTURE_CUBE_MAP。参数texture-Name即为与之绑定的纹理编号。
2.3 glTextureImage2D（）：载入纹理对象
将纹理贴图应用到几何图形的一个必要步骤是将纹理载入内存。载入后，这个纹理就成为当前纹理状态的一部分，其函数如下：
glTexImage2D（GLenum target， GLint level， GLint internalFormat， GLsizei width， GLsizei height， GLint border， GLenum format， GLenum type， const GLvoid *texels）
2.4 glParameteri（）：设置滤波方式
由于纹理图被应用于变形多边形后，将发生扭曲变形，一个单一像素可能仅仅代表纹理图的一个纹素（texel）的一小部分，也可能代表多个texel的集合。这时就要使用纹理过滤来告诉OpenGL应该如何计算这些像素和texel，以得到最后的图像。其函数表示如下：
glTexParameteri （GLenum target， GLenum pname， GLint param）
2.5 glTexCoord（）：为顶点设置纹理坐标
该函数有两个参数：GLfloat s， GLfloat t
第一个参数代表X坐标，第二个参数代表Y坐标。一个完全纹理的4个顶点的坐标为：（0.0f， 0.0f）、（0.0f， 1.0f）、（1.0f， 1.0f）、（1.0f， 0.0f），分别对应左下、左上、右上、右下角。通常认为，纹理一个挨着一个粘在坐标轴上，是否显示多个，显示哪部分完全由4个顶点坐标决定。比如显示3行2列个位图（共6个），坐标为：（0.0f， 0.0f）、（0.0f， 3.0f）、（2.0f， 3.0f）、（2.0f， 0.0f）。
在OpenGL中，指定纹理空间中的点=（）和面片上的顶点Vi的对应关系，使用函数glTexCoord2f（s， t）设置当前的纹理坐标为（s， t），这个坐标就和随后定义的顶点联系到一起[4]。通常glVertex2f（）调用前都要调用glTexCoord2f（），这样每个顶点都有一对不同的纹理坐标。例如，为定义一个四边形并且设置一个纹理，通过如下程序传给OpenGL四个纹理坐标和四个三维顶点。
glBegin（GL_QUADS）； //为顶点设置纹理坐标，贴四边形图
glNormal3f（0.0，0.0，1.0）；
glTexCoord2f（0.0f，0.0f）； glVertex3f（-6.0f，-2.6f，0.0f）；
glTexCoord2f（1.0f，0.0f）； glVertex3f（6.0f，-2.6f，0.0f）；
glTexCoord2f（1.0f，1.0f）； glVertex3f（6.0f，2.6f，0.0f）；
glTexCoord2f（0.0f，1.0f）； glVertex3f（-6.0f，2.6f，0.0f）；
glEnd（）
2.6 glTexEnv（） 修改纹理环境
在大多情况下，纹理图像表面的颜色值都直接作为被贴图表面的颜色。可以使用纹理图像对物体表面的颜色进行调整，而不直接贴图。也可以将纹理图像的颜色与物体表面的原先颜色进行组合。可以通过glTexEnv*（ ）函数提供适当的参数来选择纹理函数。
Void glTexEnvi （ GLenumtarget， GLenumpname， Glint param） ；
param参数可以设为表1中的任何一个值，用来指示纹理与原有像素的显示关系。
3 在平面上贴纹理
图1为在C++环境下的一幅有跳跃火焰的壁炉的动画截屏。图2是该动画用到的有关纹理的材料。
可以看出，墙壁的肌理是由Wall.bmp图片作为素材的贴图，壁炉整体由一个Fileplace.bmp图片贴图完成。跳跃火焰效果由15张不断轮转的不同状态的火焰图片完成。以鹿头周围的大理石墙面贴图为例，OpenGL在以VS2005为编译环境的C++代码中将Wall.bmp作为纹理附着，产生大理石墙面逼真效果。方法如下：
BOOL BuildTexture（char *szPathName， GLuint & texid） //该函数载入图片并把该图片转换为纹理，其函数中包括如下语句
glGenTextures（1，&texid）； //创建纹理，生成纹理号
glBindTexture（GL TEXTURE 2D， texid）； //绑定纹理，参数指明了纹理的维度和纹理编号
glTexImage2D（GL_TEXTURE_2D，0，3，lWithPixels，lHeightPixels，0，GL_RGBA，GL_UNSINGED_BYTE，pBits）； //载入二维纹理
然后，在Main.cpp中：
BuildTexture（"wall.bmp"， texture[0]）；
在绘图函数中绘制墙面，代码如下：
glEnable（GL_TEXTURE_2D）；
glColor3f（1.0f，1.0f，1.0f）；
glPushMatrix（）；
glBindTexture（GL_Texture2D. texture[0]）；
glBegin（GL_QUADS）；
glNormal3f（0.0，0.0，1.0）；
glTexCoord2f（0.0f，0.0f）； glVertex3f（-6.0f，-2.6f，0.0f）；
glTexCoord2f（1.0f，0.0f）； glVertex3f（6.0f，-2.6f，0.0f）；
glTexCoord2f（1.0f，1.0f）； glVertex3f（6.0f，2.6f，0.0f）；
glTexCoord2f（0.0f，1.0f）； glVertex3f（-6.0f，2.6f，0.0f）；
glEnd（）；
这就完成了对于大理石墙壁平面的贴图操作，它引用了整幅图片Wall.bmp。
4 为网格模型添加纹理
随着三维扫描仪的普及和逆向工程的兴起，可以利用三维扫描仪等设备的激光传感器采集不同物体的形状信息，构成网格模型，并用摄像头采集其颜色信息，然后通过软件合成形状和颜色，达到在计算机中恢复所拍摄的对象或场景的目的。举例如下：
首先，运用三维扫描仪采集书籍的单页文本点云数据（见图3），点云数据构成的网格模型存储在扫描仪生成的OBJ格式文件中，其颜色信息存储在MTL格式文件和JPG格式文件中[5]。
其次，采用OpenGL库中的贴图操作，在VS2005中将三维扫描仪采集到的阿特拉斯贴图贴到相应的三角面片上。其效果如图4所示。
图3 文本点云数据 图4 书本原貌显示
介绍如何利用OBJ格式文件和MTL格式文件中的信息和JPG图片，完成对上图点云的贴图操作。
4.1 在OBJ类型文件中保存顶点和材质的映射信息
OBJ文件类型是目前流行的3D文件类型，适合用于3D软件模型之间的互导[6]。OBJ文件是一种文本文件，可以直接用写字板打开进行查看和编辑修改。三维扫描仪扫描生成的书籍的OBJ文件内容如下（括号内为解释）：
# File exported by Artec Group 3D Scanning Solutions（以#开头为注释）
# 366447 vertices（显示顶点数量）
# 726521 triangular faces（显示面的数量）
mtllib BOOK.mtl （OBJ 文件不包含面的颜色定义信息，不过可以引用材质库，材质库信息储存在一个后缀是".mtl"的独立文件中。 关键字"mtllib"即材质库）
v -249.12631225585937 5.5140132904052734 -23.952362060546875（v表示本行指定一个顶点，三个单精度浮点数，分别表示该定点的xyz坐标值）
vt 0.45740783214569092 0.079434990882873535（vt表示本行指定一个纹理坐标，两个单精度浮点数，分别表示此纹理坐标的U，V值）
f 45527/45527 45271/45271 45273/45273（f表示本行指定一个表面，一个表面实际上就是一个三角形图元。）
usemtl material_1（usemtl指定材质后，后续面都使用这一材质，直到遇到下一个usemtl来指定新的材质）
4.2 在MTL格式的文件中保存纹理信息
OBJ 文件不包含面的颜色定义信息，不过可以引用材质库，材质库信息储存在一个后缀是".mtl"的独立文件中。关键字"mtllib"即材质库。MTL文件的内容如下：
# File exported by Artec Group 3D Scanning Solutions（以#开头为注释）
# www.artec-group.com
newmtl material_0
Ka 1 1 1（材质颜色光照定义）
Kd 1 1 1（纹理贴图定义）
Ks 1 1 1（反射贴图定义）
Ns 1000
map_Kd BOOK_0.jpg（为漫反射指定位图文件。所指定的图片如图5，其保存了索引到的颜色信息）
图5 BOOK_0.jpg
4.3 基于索引格式的贴图代码实现
首先，在OpenGL中定义结构体t_Visual用来存放OBJ文件存储的顶点、面和贴图信息。
其次，将文件中的信息导入结构体的对象visual中。
在画图函数如下：
5 结语
本文介绍了以OpenGL为基础的贴图操作，其方法分为在平面上贴纹理和为网格模型添加纹理两种。纹理贴图操作是处理计算机图形中十分常用的操作，其应用将推动计算机图形学及3D动画产业更好发展。
参考文献：
[1] SHREINER D，WOO M，NEIDER J，et al.OpenGL编程指南（第四版）[M].邓郑祥，译. 北京：人民邮电出版社，2005，1-3.
[2] WRIGHT R S JR，SWEET M. OpenGL超级宝典（第二版）[M].潇湘工作室，译. 北京：人民邮电出版社，2001，31-32.
[3] HOCKING K，ASTOR D. OpenGL游戏程序设计（第二版）[M].田昱川，译. 北京：科学出版社，2006，167-170.
[4] HILL F S JR，KELLEY S M.计算机图形学（OpenGL版）（第3版）[M]. 胡事民，刘利刚，刘永进，等，译.北京：清华大学出版社，2009，367-369.
[5] 王金峰，姚国清. 三维模型文件中的OBJ格式在OpenGL中的输入与处理[J].电脑知识与技术，2011（7）：2393-2399.
[6] 周德芳，刘京南，余玲玲.基于OpenGL实现三维重构点云处理[J]. 计算机应用，2003（29）：1-3.
（责任编辑：陈福时）
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更新时间：2025/2/11 1:02:53