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

簡介

      在圖形學中，Texturing是一個將物體表面繪制上圖像或者其他數據的過程。紋理貼圖通過修改物體表面的渲染效果，達到一種更加真實渲染的目的。

渲染管線（Textureing Pipeline）

       物體表面的渲染顏色由光照，材質，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。

       整個貼圖的過程可以描述為一個貼圖管線：

         之所以把貼圖的過程細分為幾個階段，是因為每個階段都為程序員提供了可控制性。

         以一個墻面的貼圖為例，來描述整個階段.

1.找到需要貼圖的位置的空間坐標 (x,y,z) ; 

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

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

投射過程（Projector function）

       紋理管線的第一個過程就是獲取物體表面的空間坐標，然后投影到（u，v）空間上，uv空間是紋理的二維空間，（u，v）坐標通常是由3D設計師通過3D建模工具來標定的，這個過程通常稱為uv展開，目的就是生成紋理坐標。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，整個場景可能就只使用一種貼圖方式，但通常設計師會把模型進行分割并對各個模型使用不停的貼圖方法。在實時渲染的時候，投影過程通常在建模階段完成，而投影的結果會存儲在頂點中，或者在shader中完成，這樣就可以實現動態的貼圖，比如環境貼圖 (environment mapping).

        雖然有很多種方法來實現貼圖，但是思路都是一樣的：通過插值來確定便面的參數，然后去查找對應的紋理值。

依附階段（Corresponder function）

       插值節點能夠將參數空間的組表（u,v）轉化到紋理空間坐標，這將為賦材質提供很大的靈活性，很常用的一個功能就是3d游戲中的換妝。

       常用的一種依附方式就是矩陣運算，可以在shader中進行，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來實現。

紋理值（Texture value）

       依附階段之后就可以得到 u，v 的坐標了，通過u，v  的坐標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，并不是查找內存中的紋理值來得到rgb值的，而是通過計算獲得。

        關于顏色信息的表示，最簡單的就是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）

       在復雜的應用中，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。

       一種策略是將紋理的體積設計得很小，犧牲一些精度，即使一次性全部加載到內存中也OK，典型的用空間換時間。

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

        加載紋理會耗費可觀的時間（從硬盤到內存當然耗時啊！），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加載。

參考

Real-Time Rendering 3rd