OSG学习：纹理映射（三）——立方图纹理映射

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-05-20 00:39 350阅读 0赞

> 以下内容来自： 
> 
> 1、《OpenSceneGraph三维渲染引擎编程指南》肖鹏 刘更代 徐明亮 清华大学出版社 
> 
> 2、《OpenSceneGraph三维渲染引擎设计与实践》王锐 钱学雷 清华大学出版社
> 
> 3、自己的总结

> [下载完整工程OSG\_11\_TextureCupMap][OSG_11_TextureCupMap]
> 
> 创建C++项目后，首先需要配置OSG环境，具体步骤看[OSG学习：WIN10系统下OSG+VS2017编译及运行][OSG_WIN10_OSG_VS2017]第六步：新建OSG项目测试。

在[OSG学习：纹理映射（二）——一维/二维/简单立方图纹理映射][OSG]中，分析了简单的立方图纹理映射：实例化一个纹理对象，为纹理设置六个方向的图片，然后设置纹理的环绕模式（纹理坐标范围超出标准值\[0.0,1.0\]时对纹理的处理）和过滤模式（纹理元素与屏幕像素没有一一对应的处理方法，根据一个纹理贴图的拉伸或收缩来计算颜色片段的过程），最后把纹理设置到渲染状态上，再把渲染状态赋给模型即可。

纹理的环绕模式、过滤模式等可参看文章：**[OpenGL超级宝典笔记——纹理映射（二）][OpenGL]**和[OpenGL--纹理放大、缩小、环绕模式][OpenGL--]。

先来看看立方图纹理 到底是什么：由6个二维图像构成、以原点为中心的纹理立方体。

对于每个片段而言，纹理坐标（S,T,R）都被当成一个方向向量来看，每个纹理单元表示从原点所看到的纹理立方体的东西。

一般用立方图纹理来实现环境贴图、反射和光照等效果。

还需要明确的是：立方图纹理的功能与其他的纹理操作是相互独立的，它不是一种特殊的纹理，只是一种特殊的技术而已。因此，立方图纹理可以使用其他标准的纹理特性。立方图纹理渲染时需要很大的内存，是一般二维纹理的六倍左右。在为立方图纹理指定纹理数据和创建纹理对象时，它是一个整体，不能被作为单个面来指定。

立方图纹理最常用的是创建天空盒。

创建天空盒的方法有：直接绘制（效果极其不好）、方体天空盒、球体天空盒（最常用，看起来更真实，更能描述真实的天空效果）。创建球体天空盒的主要步骤为：

创建立方图纹理对象，读取立方图纹理贴图——设置自动生成纹理坐标——设置纹理矩阵——设置立方图纹理——设置矩阵变换节点，以实现合适的矩阵变换——关闭光照并关闭背面剔除，设置渲染顺序——加入到叶节点中绘制。

上面步骤中需要注意的是：读取立方图纹理贴图时，纹理贴图要与立方体的各个面一一对应：

POSITIVE_X=0, //Left  X正方向
    NEGATIVE_X=1, //Right  X负方向
    POSITIVE_Y=2, //Front  Y正方向
    NEGATIVE_Y=3, //Back  Y负方向
    POSITIVE_Z=4, //Up  Z正方向
    NEGATIVE_Z=5 //Down  Z负方向

一定要设置关闭背面剔除及光照，并设置正确的渲染顺序。为了实现真实的效果，通常天空盒只会根据视点做适当的变换，这就需要继承变换类实现一个新的变换类。

下面来看具体的代码分析：

// stdafx.h
    
    #include <osg/Geometry> 
    #include <osg/Geode>    
    
    #include <osg/Vec3>
    #include <osg/Vec4>
    #include <osg/Quat>
    #include <osg/Matrix>
    
    #include <osg/ShapeDrawable> //预定义几何体类，派生自osg::Drawable类。OSG中使用该类来将OSG内嵌的预定义几何体与osg::Drawable关联以渲染这些几何体
    #include <osg/Transform> //一个组节点，所有子节点都通过4x4矩阵进行变换，通常用于在场景中定位对象，生成轨迹球功能或用于动画
    #include <osg/NodeCallback > //节点更新回调
    #include <osg/Depth> //封装OpenGL glDepthFunc / Mask / Range函数
    #include <osg/CullFace>
    
    #include <osg/TexMat>
    #include <osg/TexGen> //指定用于自动生成纹理坐标的函数，可以设置纹理的计算方式是以物体坐标空间还是相机坐标空间来进行不同的计算
    #include <osg/TexEnv>
    #include <osg/TextureCubeMap> //立方体纹理映射
    
    #include <osgViewer/Viewer>
    
    #include <osgDB/ReadFile>
    #include <osgDB/WriteFile>
    
    #include <osgUtil/Optimizer>

//.cpp
    
    //读取立方图
    osg::ref_ptr<osg::TextureCubeMap> readCubeMap()
    {
    	//读取纹理图片
    	/*读取立方图纹理贴图时，纹理贴图要与立方体的各个面一一对应
    		POSITIVE_X=0, //Left  X正方向
    		NEGATIVE_X=1, //Right  X负方向
    		POSITIVE_Y=2, //Front  Y正方向
    		NEGATIVE_Y=3, //Back  Y负方向
    		POSITIVE_Z=4, //Up  Z正方向
    		NEGATIVE_Z=5 //Down  Z负方向
    	*/
    	osg::ref_ptr<osg::Image> imagePosX = osgDB::readImageFile("Cubemap_snow/posx.jpg");
    	osg::ref_ptr<osg::Image> imageNegX = osgDB::readImageFile("Cubemap_snow/negx.jpg");
    	osg::ref_ptr<osg::Image> imagePosY = osgDB::readImageFile("Cubemap_snow/posy.jpg");
    	osg::ref_ptr<osg::Image> imageNegY = osgDB::readImageFile("Cubemap_snow/negy.jpg");
    	osg::ref_ptr<osg::Image> imagePosZ = osgDB::readImageFile("Cubemap_snow/posz.jpg");
    	osg::ref_ptr<osg::Image> imageNegZ = osgDB::readImageFile("Cubemap_snow/negz.jpg");
    
    	//创建立方体纹理对象
    	osg::ref_ptr<osg::TextureCubeMap> cubemap = new osg::TextureCubeMap();
    	//判断纹理图片存在
    	if (imagePosX.get() && imageNegX.get() && imagePosY.get() && imageNegY.get() && imagePosZ.get() && imageNegZ.get())
    	{
    		//设置立方图的6个面的贴图
    		cubemap->setImage(osg::TextureCubeMap::POSITIVE_X, imagePosX.get());
    		cubemap->setImage(osg::TextureCubeMap::NEGATIVE_X, imageNegX.get());
    		cubemap->setImage(osg::TextureCubeMap::POSITIVE_Y, imagePosY.get());
    		cubemap->setImage(osg::TextureCubeMap::NEGATIVE_Y, imageNegY.get());
    		cubemap->setImage(osg::TextureCubeMap::POSITIVE_Z, imagePosZ.get());
    		cubemap->setImage(osg::TextureCubeMap::NEGATIVE_Z, imageNegZ.get());
    
    		//设置纹理环绕模式
    		/*设置纹理的坐标/包装模式
    		enum WrapParmeter
    		{
    			WRAP_S, //x轴
    			WRAP_T, //y轴
    			WRAP_T //z轴
    		};
    		enum WrapMode
    		{
    			CLAMP, //截取
    			CLAMP_TO_EDGE, //边框始终被忽略
    			CLAMP_TO_BORDER, //它使用的纹理取自图像的边框，没有边框就使用常量边框的颜色
    			REPEAT, //纹理的重复映射
    			MIRROR //纹理镜像的重复映射
    		};
    		*/
    		cubemap->setWrap(osg::Texture::WRAP_S, osg::Texture::CLAMP_TO_EDGE);
    		cubemap->setWrap(osg::Texture::WRAP_T, osg::Texture::CLAMP_TO_EDGE);
    		cubemap->setWrap(osg::Texture::WRAP_R, osg::Texture::CLAMP_TO_EDGE);
    
    		//设置滤波：线性和mipmap
    		/*设置纹理的过滤方法/过滤处理
    		enum FilterParameter
    		{
    			MIN_FILTER, //缩小
    			MAG_FILTER //放大
    		};
    		enum FilterMode
    		{
    			LINEAR, //以周围4个像素的平均值作为纹理
    			LINEAR_MIPMAP_LINEAR, //使用线性均和计算两个纹理的值
    			LINEAR_MIPMAP_NEAREST, //线性地改写临近的纹理单元值
    			NEAREST, //取比较接近的像素作为纹理
    			NEAREST_MIPMAP_LINEAR, //在两个纹理中选择最临近的纹理，并取它们之间的线性均和值
    			NEAREST_MIPMAP_NEAREST //选择最临近的纹理单元值
    		};
    		*/
    		cubemap->setFilter(osg::Texture::MIN_FILTER, osg::Texture::LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
    		cubemap->setFilter(osg::Texture::MAG_FILTER, osg::Texture::LINEAR);
    	}
    
    	return cubemap.release();
    }
    
    //更新立方图纹理
    struct TexMatCallback:public osg::NodeCallback
    {
    public:
    	TexMatCallback(osg::TexMat &tm) :
    		_texMat(tm)
    	{
    		//
    	}
    	virtual void operator()(osg::Node *node, osg::NodeVisitor *nv)
    	{
    		osgUtil::CullVisitor *cv = dynamic_cast<osgUtil::CullVisitor *>(nv);
    		if (cv)
    		{
    			//得到模型视图矩阵并设置旋转角度
    			const osg::Matrix &MV = *(cv->getModelViewMatrix());
    			const osg::Matrix R = osg::Matrix::rotate(osg::DegreesToRadians(112.0f), 0.0f, 0.0f, 0.0f) * osg::Matrix::rotate(osg::DegreesToRadians(90.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    			osg::Quat q = MV.getRotate();
    			const osg::Matrix C = osg::Matrix::rotate(q.inverse());
    			
    			//设置纹理矩阵
    			_texMat.setMatrix(C*R);
    		}
    		traverse(node, nv);
    	}
    
    	//纹理矩阵
    	osg::TexMat &_texMat;
    };
    
    //一个变换类，使天空盒绕视点旋转
    class MoveEarthySkyWithEyePointTransform :public osg::Transform
    {
    public:
    	//局部矩阵计算成世界矩阵
    	virtual bool computerLocalToWorldMatrix(osg::Matrix &matrix, osg::NodeVisitor *nv) const
    	{
    		osgUtil::CullVisitor *cv = dynamic_cast<osgUtil::CullVisitor *>(nv);
    		if (cv)
    		{
    			osg::Vec3 eyePointLocal = cv->getEyeLocal();
    			matrix.preMult(osg::Matrix::translate(eyePointLocal));
    		}
    		return true;
    	}
    
    	//世界矩阵计算为局部矩阵
    	virtual bool computerWorldToLocalMatrix(osg::Matrix &matrix, osg::NodeVisitor *nv) const
    	{
    		osgUtil::CullVisitor *cv = dynamic_cast<osgUtil::CullVisitor *>(nv);
    		if (cv)
    		{
    			osg::Vec3 eyePointLocal = cv->getEyeLocal();
    			matrix.postMult(osg::Matrix::translate(-eyePointLocal));
    		}
    		return true;
    	}
    };
    
    /*
    *创建天空盒
    *球体天空盒：最常用，看起来更真实，更能描述真实的天空效果
    *读取立方图纹理贴图
    *创建立方图纹理对象
    *设置自动生成纹理坐标
    *设置纹理矩阵
    *设置立方图纹理
    *设置渲染顺序
    *加入到叶节点中绘制
    *关闭光照并关闭背面剔除，
    *把叶节点添加到矩阵变换节点中，以实现合适的矩阵变换
    */
    osg::ref_ptr<osg::Node> createSkyBox()
    {
    	osg::ref_ptr<osg::StateSet> stateset = new osg::StateSet();
    
    	//设置纹理映射方式，指定为替代方式，即纹理中的颜色代替原来的颜色
    	osg::ref_ptr<osg::TexEnv> te = new osg::TexEnv();
    	te->setMode(osg::TexEnv::REPLACE);
    	stateset->setTextureAttributeAndModes(0, te.get(), osg::StateAttribute::ON | osg::StateAttribute::OVERRIDE);
    
    	//自动生成纹理坐标，反射方式（REFLECTION_MAP）
    	/*
    		NORMAL_MAP, //标准模式-立方图纹理
    		REFLECTION_MAP //反射模式-反射纹理
    		SPHERE_MAP //球体模型-球体纹理
    	};
    	*/
    	osg::ref_ptr<osg::TexGen> tg = new osg::TexGen();
    	tg->setMode(osg::TexGen::NORMAL_MAP);
    	stateset->setTextureAttributeAndModes(0, tg.get(), osg::StateAttribute::ON | osg::StateAttribute::OVERRIDE);
    	
    	//设置纹理矩阵
    	osg::ref_ptr<osg::TexMat>tm = new osg::TexMat();
    	stateset->setTextureAttribute(0, tm.get());
    	
    	//设置立方图纹理
    	osg::ref_ptr<osg::TextureCubeMap> skymap = readCubeMap();
    	stateset->setTextureAttributeAndModes(0, skymap.get(), osg::StateAttribute::ON | osg::StateAttribute::OVERRIDE);
    	stateset->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);
    	stateset->setMode(GL_CULL_FACE, osg::StateAttribute::OFF);
    	
    	//将深度设置为远平面
    	osg::ref_ptr<osg::Depth> depth = new osg::Depth();
    	depth->setFunction(osg::Depth::ALWAYS);
    	depth->setRange(1.0, 1.0); //远平面
    	stateset->setAttributeAndModes(depth, osg::StateAttribute::ON | osg::StateAttribute::OVERRIDE);
    
    	//设置渲染顺序为-1，先渲染
    	stateset->setRenderBinDetails(-1, "RenderBin");
    
    	osg::ref_ptr<osg::Drawable> drawable = new osg::ShapeDrawable(new osg::Sphere(osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), 1));
    	
    	//把球体加入到叶节点
    	osg::ref_ptr<osg::Geode> geode = new osg::Geode;
    	geode->setCullingActive(false);
    	geode->setStateSet(stateset.get());
    	geode->addDrawable(drawable.get());
    	
    	//设置变换
    	osg::ref_ptr<osg::Transform> transform = new MoveEarthySkyWithEyePointTransform();
    	//关闭背面剔除
    	transform->setCullingActive(false);
    	transform->addChild(geode.get());
    	osg::ref_ptr<osg::ClearNode> clearNode = new osg::ClearNode();
    	clearNode->setCullCallback(new TexMatCallback(*tm));
    	clearNode->addChild(transform.get());
    
    	return clearNode.release();
    }
    
    int main()
    {
    	osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group();
    	//加入天空盒
    	root->addChild(createSkyBox());
    
    	//优化场景数据
    	osgUtil::Optimizer optimizer;
    	optimizer.optimize(root.get());
    
    	osg::ref_ptr<osgViewer::Viewer> viewer = new osgViewer::Viewer();
    	viewer->setSceneData(root.get());
    	viewer->realize();
    
    	return viewer->run();
    }

[OSG_11_TextureCupMap]: https://github.com/Epulari/osg-exercise
[OSG_WIN10_OSG_VS2017]: https://blog.csdn.net/u013719339/article/details/78415685
[OSG]: https://blog.csdn.net/u013719339/article/details/80820390
[OpenGL]: https://my.oschina.net/sweetdark/blog/176407
[OpenGL--]: https://blog.csdn.net/ZCMUCZX/article/details/79404113