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

简介

在图形学中，Texturing是一个将物体表面绘制上图像或者其他数据的过程。纹理贴图通过修改物体表面的渲染效果，达到一种更加真实渲染的目的。

渲染管线（Textureing Pipeline）

物体表面的渲染颜色由光照，材质，视口位置和透明度决定。纹理可以改变物体表面的颜色值，而凹凸(bump texture) 改变的是法线。

整个贴图的过程可以描述为一个贴图管线：

之所以把贴图的过程细分为几个阶段，是因为每个阶段都为程序员提供了可控制性。

以一个墙面的贴图为例，来描述整个阶段.

1.找到需要贴图的位置的空间坐标 (x,y,z) ;

2.将该位置进行投影，3D->2D, (x,y,x) -> (u,v) ,这个变换等同于将坐标乘以一个正交矩阵。

3. u,v 的坐标范围为 (0,1)，这样做的目的是为了适应不同分辨率的纹理。u，v的值就用于确定该点的颜色值，通过查找内存中的纹理，将 u,v 由转换到纹理的二维坐标上（相乘就行），就可以确定颜色值了，这个值就是物体的 diffuse color。

投射过程（Projector function）

纹理管线的第一个过程就是获取物体表面的空间坐标，然后投影到（u，v）空间上，uv空间是纹理的二维空间，（u，v）坐标通常是由3D设计师通过3D建模工具来标定的，这个过程通常称为uv展开，目的就是生成纹理坐标。投影的方法包括球投影，圆柱投影，平面投影。

在非交互行的渲染中，贴图过程就在渲染过程中，整个场景可能就只使用一种贴图方式，但通常设计师会把模型进行分割并对各个模型使用不停的贴图方法。在实时渲染的时候，投影过程通常在建模阶段完成，而投影的结果会存储在顶点中，或者在shader中完成，这样就可以实现动态的贴图，比如环境贴图 (environment mapping).

虽然有很多种方法来实现贴图，但是思路都是一样的：通过插值来确定便面的参数，然后去查找对应的纹理值。

依附阶段（Corresponder function）

插值节点能够将参数空间的组表（u,v）转化到纹理空间坐标，这将为赋材质提供很大的灵活性，很常用的一个功能就是3d游戏中的换妆。

常用的一种依附方式就是矩阵运算，可以在shader中进行，另一种情况是控制纹理在问题贴不到的地方的处理方式，在OpenGL中该控制由 glTexParameter来实现。

纹理值（Texture value）

依附阶段之后就可以得到 u，v 的坐标了，通过u，v 的坐标和纹理贴图就可以很容易地得到颜色值，大部分渲染中使用的都是图像纹理，一维，二维或者三维，但是在procedual texture中是不同的，在procedual texturing 中，并不是查找内存中的纹理值来得到rgb值的，而是通过计算获得。

关于颜色信息的表示，最简单的就是Rgb值，虽然也可以使用灰度值，那就是黑白画了。还有就是Rgba，a表示alpha，多出一个值来表示透明度。法线贴图中，还有更多的颜色信息。

贴图缓存（Texture catching）

在复杂的应用中，可能需要用到大量的贴图，用于存放纹理的高速缓存依硬件的不同而不同，但总归一句话 - 不够用。解决的方法有很多，总归一句话：寻找平衡点。

一种策略是将纹理的体积设计得很小，牺牲一些精度，即使一次性全部加载到内存中也OK，典型的用空间换时间。

还有就是利用OS中的内存调度策略了，比如LRU （Least recently used）。每一次加载纹理的时候都给该纹理一个时间戳，当需要加载新的纹理的时候，如果内存够用，直接加载，不够用就把最久未使用的那个纹理踢除，然后加载。

加载纹理会耗费可观的时间（从硬盘到内存当然耗时啊！），大部分情况下不可能一次性加载全部纹理，一种解决方案就是预加载。

参考

Real-Time Rendering 3rd