Real-Rime Rendering (3) - 紋理（Texturing）

簡(jiǎn)介

      在圖形學(xué)中，Texturing是一個(gè)將物體表面繪制上圖像或者其他數(shù)據(jù)的過程。紋理貼圖通過修改物體表面的渲染效果，達(dá)到一種更加真實(shí)渲染的目的。

渲染管線（Textureing Pipeline）

       物體表面的渲染顏色由光照，材質(zhì)，視口位置和透明度決定。紋理可以改變物體表面的顏色值，而凹凸(bump texture) 改變的是法線。

       整個(gè)貼圖的過程可以描述為一個(gè)貼圖管線：

         之所以把貼圖的過程細(xì)分為幾個(gè)階段，是因?yàn)槊總€(gè)階段都為程序員提供了可控制性。

         以一個(gè)墻面的貼圖為例，來描述整個(gè)階段.

1.找到需要貼圖的位置的空間坐標(biāo) (x,y,z) ; 

2.將該位置進(jìn)行投影，3D->2D, (x,y,x) -> (u,v) ,這個(gè)變換等同于將坐標(biāo)乘以一個(gè)正交矩陣。

3. u,v 的坐標(biāo)范圍為 (0,1)，這樣做的目的是為了適應(yīng)不同分辨率的紋理。u，v的值就用于確定該點(diǎn)的顏色值，通過查找內(nèi)存中的紋理，將 u,v 由轉(zhuǎn)換到紋理的二維坐標(biāo)上（相乘就行），就可以確定顏色值了，這個(gè)值就是物體的 diffuse color。

投射過程（Projector function）

       紋理管線的第一個(gè)過程就是獲取物體表面的空間坐標(biāo)，然后投影到（u，v）空間上，uv空間是紋理的二維空間，（u，v）坐標(biāo)通常是由3D設(shè)計(jì)師通過3D建模工具來標(biāo)定的，這個(gè)過程通常稱為uv展開，目的就是生成紋理坐標(biāo)。投影的方法包括球投影，圓柱投影，平面投影。

        在非交互行的渲染中，貼圖過程就在渲染過程中，整個(gè)場(chǎng)景可能就只使用一種貼圖方式，但通常設(shè)計(jì)師會(huì)把模型進(jìn)行分割并對(duì)各個(gè)模型使用不停的貼圖方法。在實(shí)時(shí)渲染的時(shí)候，投影過程通常在建模階段完成，而投影的結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)在頂點(diǎn)中，或者在shader中完成，這樣就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的貼圖，比如環(huán)境貼圖 (environment mapping).

        雖然有很多種方法來實(shí)現(xiàn)貼圖，但是思路都是一樣的：通過插值來確定便面的參數(shù)，然后去查找對(duì)應(yīng)的紋理值。

依附階段（Corresponder function）

       插值節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?shù)空間的組表（u,v）轉(zhuǎn)化到紋理空間坐標(biāo)，這將為賦材質(zhì)提供很大的靈活性，很常用的一個(gè)功能就是3d游戲中的換妝。

       常用的一種依附方式就是矩陣運(yùn)算，可以在shader中進(jìn)行，另一種情況是控制紋理在問題貼不到的地方的處理方式，在OpenGL中該控制由 glTexParameter來實(shí)現(xiàn)。

紋理值（Texture value）

       依附階段之后就可以得到 u，v 的坐標(biāo)了，通過u，v  的坐標(biāo)和紋理貼圖就可以很容易地得到顏色值，大部分渲染中使用的都是圖像紋理，一維，二維或者三維，但是在procedual texture中是不同的，在procedual texturing 中，并不是查找內(nèi)存中的紋理值來得到rgb值的，而是通過計(jì)算獲得。

        關(guān)于顏色信息的表示，最簡(jiǎn)單的就是Rgb值，雖然也可以使用灰度值，那就是黑白畫了。還有就是Rgba，a表示alpha，多出一個(gè)值來表示透明度。法線貼圖中，還有更多的顏色信息。

貼圖緩存（Texture catching）

       在復(fù)雜的應(yīng)用中，可能需要用到大量的貼圖，用于存放紋理的高速緩存依硬件的不同而不同，但總歸一句話 - 不夠用。解決的方法有很多，總歸一句話：尋找平衡點(diǎn)。

       一種策略是將紋理的體積設(shè)計(jì)得很小，犧牲一些精度，即使一次性全部加載到內(nèi)存中也OK，典型的用空間換時(shí)間。

        還有就是利用OS中的內(nèi)存調(diào)度策略了，比如LRU （Least recently used）。每一次加載紋理的時(shí)候都給該紋理一個(gè)時(shí)間戳，當(dāng)需要加載新的紋理的時(shí)候，如果內(nèi)存夠用，直接加載，不夠用就把最久未使用的那個(gè)紋理踢除，然后加載。

        加載紋理會(huì)耗費(fèi)可觀的時(shí)間（從硬盤到內(nèi)存當(dāng)然耗時(shí)啊?。?，大部分情況下不可能一次性加載全部紋理，一種解決方案就是預(yù)加載。

參考

Real-Time Rendering 3rd