OpenGL ES 理解纹理与纹理过滤

1.理解纹理

OpenGL中的纹理可以用来表示图像，照片，甚至由一个数学算法生成的分形数据。每个二维的纹理都由许多小的纹理元素组成，它们是小块的数据，类似于我们前面讨论过的片段和像素。要使用纹理，最常用的方式是直接从一个图像文件加载数据。

每个二维纹理都有其自己的坐标空间，其范围是从一个拐角的（0，0）到另一个拐角的（1，1）。按照惯例，一个维度叫做S，而另一个称为T。当我们想要把一个纹理应用于一个三角形或一组三角形的时候，我们要为每个顶点指定一组ST纹理坐标，以便OpenGL知道需要用那个纹理的哪个部分画到每个三角形上。这些纹理坐标有时也会被称为UV纹理坐标。如图：

图1 OpenGL二维纹理坐标

对一个OpenGL纹理来说，它没有内在的方向性，因此我们可以使用不同的坐标把它定向到任何我们喜欢的方向上。然而，大多数计算机图像都有一个默认的方向，它们通常被规定为Y轴向下，Y的值随着向图像的底部移动而增加。只要我们记住，如果想用正确的方向观察图像，那纹理坐标就必须要考虑这点，这就不会给我们带来任何麻烦。

在标准OpenGL ES 2.0中，纹理不必是正方形，但是每个维度都应该是2的幂（POT）。这就意味着每个维度都是这样的一个数字，如128，256，512等。这样规定的原因在于非POT纹理可以被使用的场合非常有限，而POT纹理使用于各种情况。

纹理的尺寸也有一个最大值，它根据不同的实现而变化，但是通常都比较大，比如2048*2048。

2.理解纹理过滤

当纹理的大小被扩大或者缩小时，我们还需要使用纹理过滤明确说明会发生什么。当我们在渲染表面上绘制一个纹理时，那个纹理的纹理元素可能无法精确地映射到OpenGL生成的片段上。有两种情况：缩小和放大。当我们尽力把几个纹理元素挤进一个片段时，缩小就发生了；当我们把一个纹理元素扩展到许多片段时，方法就发生了。针对每一种情况，我们可以配置OpenGL使用一个纹理过滤器。

首先，讲述两个基本的过滤模式：最近邻过滤和双线性插值。还有其他的过滤模式，以后的博文会讲解。我们会使用下面的图像阐述每一种过滤模式。

最近邻过滤

这个方式为每个片段选择最近的纹理元素。当我们放大纹理时，它的锯齿效果看起来相当明显，如下图所示。

每个纹理单元都清楚的显示为一个小方块。

当我们缩小纹理时，因为没有足够的片段用来绘制所有的纹理单元，许多细节将会丢失。

双线性过滤

双线性过滤使用双线性插值平滑像素之间的过渡，而不是为每个片段使用最近的纹理元素，OpenGL会使用四个邻接的纹理元素，并在它们之间用一个线性插值算法做插值，这个算法与前面所讲的平滑坐在着色一样。我们之所以称它为双线性插值，是因为它是沿着两个维度插值的。下面是使用双线性差值放大后的图像，它采用的纹理与前面的相同。

这个纹理现在看起来比以前平滑多了。但还是有些锯齿显现出来，因为我们把这个纹理扩展得太多，但是锯齿不像使用最近邻过滤那么明显。

MIP贴图

尽管双线性过滤很适合处理放大，但是对于缩小到超过一定的大小时，它就不好用了。一个纹理在渲染表面所占大小减少得越多，就会有越多的纹理元素拥挤到每一个片段上。因为OpenGL的双线性过滤只给每个片段使用四个纹理元素，我们将会丢失很多细节。因为每一帧都要选择不同的纹理元素，这还会引起噪音以及移动中的物体闪烁。

为了克服这些缺陷，可以使用MIP贴图技术，它可以用来生成一组优化过的不同大小的纹理。当生成这组纹理的时候，OpenGL会使用所有的纹理元素生成每个级别的纹理，当过滤纹理时，还要确保所有的纹理元素都能被使用。在渲染时，OpenGL会根据每个片段的纹理元素数量为每个片段选择最合适的级别。

下图是一组MIP贴图的纹理，把它们合并在一当个图上是为了方便对比。

图2 MIP贴图的纹理

使用MIP贴图，会占用更多的内存，但是渲染也会更快，这是因为较小级别的纹理在GPU的纹理缓存中占用较少的空间。

为了更好地理解MIP贴图是如何提高缩小情况下的质量，我们比较一下那个可爱的机器人，使用双线性过滤把纹理元素尺寸缩小到其原来的12.5%，如下图：

图3 使用双线性过滤缩小

就这种质量，可能还不如最近邻过滤。看一下当我们加入MIP贴图时会得到什么。如下图：

图4 使用MIP贴图缩小

随着MIP贴图的使用，OpenGL将选择最合适的纹理级别，然后用优化过的纹理做双线性插值。每个级别的纹理都是用来自所有纹理元素的信息构建的，因此得到的图形看起来更好些，保留了更多的细节。

三线性过滤

如果OpenGL在不同的MIP贴图级别之间来回切换，当我们用双线性插值来使用MIP贴图时，在其渲染的场景中，在不同级别的MIP贴图切换时，我们有时候能看到明显的跳跃或者线条。我们可以切换到三线性插值，这样，每个片段总共要使用8个纹理元素插值。这有助于消除每个MIP贴图级别之间的过渡，并且得到一个更平滑的图像。

3.程序中纹理参数表

方法GLES20.glTextParameteri(GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_MAX_FILTER，“纹理过滤模式”)；第二个参数指放大的情况。

方法GLES20.glTextParameteri(GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_MIN_FILTER，“纹理过滤模式”)；第二个参数指缩小的情况。

第一个参数是告诉OpenGL这应该被作为一个二维纹理对待。

表1 OpenGL纹理过滤模式

GL_NEAREST

最近邻过滤

GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST

使用MIP贴图的最近邻过滤

GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR

使用MIP贴图级别之间插值的最近邻过滤

GL_LINEAR

双线性插值

GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST

使用MIP贴图的双线性插值

GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR

三线性插值（使用MIP贴图级别之间插值的双线性过滤）

表2 每种情况允许的纹理过滤模式

缩小GL_NEAREST
GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST
GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR
GL_LINEAR
GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST
GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR放大GL_NEAREST
GL_LINEAR
下一篇纹理的应用效果图如下：

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