在 OpenGL 中将纹理映射到球体时出现接缝问题

Posted 2023-02-25

【中文标题】在 OpenGL 中将纹理映射到球体时出现接缝问题

【英文标题】：Seam issue when mapping a texture to a sphere in OpenGL

【发布时间】：2012-03-01 06:15:18

【问题描述】：

我正在尝试创建几何图形以在 OpenGL 中表示地球。我有一个或多或少的球体（虽然更接近地球的椭圆大地水准面）。我绘制了地球表面的纹理（可能是墨卡托投影或类似的东西）。纹理的 UV 坐标对应于几何体的纬度和经度。我有两个我无法解决的问题。我正在使用 OpenSceneGraph，但我认为这是一个通用的 OpenGL / 3D 编程问题。

有一个非常明显的纹理接缝。我确定会发生这种情况，因为我不知道如何将 UV 坐标映射到出现接缝的 XYZ。我只在环绕之前将 UV 坐标映射到最后一个顶点……您需要将两个不同的 UV 坐标映射到同一个 XYZ 顶点以消除接缝。是否有一个常用的技巧来解决这个问题，还是我做错了？

两极出现疯狂的漩涡状扭曲。我猜这是因为我在两极映射了一个 UV 点（对于地球，我使用 [0.5,1] 表示北极，使用 [0.5,0] 表示南极）。你还会做什么？我可以忍受这个......但它在较低分辨率的网格中非常明显。

我附上了一张图片来说明我在说什么。

【问题讨论】：

您能否分享一下您是如何生成 UV 坐标的，以及您使用什么方法来纹理对象？

通用 OpenGL ES 如何版本：***.com/questions/322111/… 相关问题：***.com/questions/17488259/…

【参考方案1】：

处理这种情况的一般方法是使用 立方体贴图，而不是 2D 纹理。

但是，如果您坚持使用 2D 纹理，则必须在网格拓扑中创建一个中断。你得到那条纵向线的原因是因为你有一个纹理坐标大约为 0.9 的顶点，而它的相邻顶点的纹理坐标为 0.0。您真正想要的是 0.9 与 1.0 纹理坐标相邻。

这样做意味着将位置复制到球体的一条线上。因此，您的数据中使用了两次相同的位置。一个附加到 1.0 的纹理坐标并与 0.9 的纹理坐标相邻。另一个的纹理坐标为 0.0，与 0.1 的顶点相邻。

从拓扑上讲，你需要在你的球体上进行纵向切片。

【讨论】：

这太糟糕了。感谢您的提醒。作为快速跟进，您是否有资源为球体实现立方体贴图？

@Pris：球体的立方体贴图很简单。您可以直接使用顶点位置（或法线）作为立方体贴图中的纹理坐标。立方体贴图本身由排列在立方体中的 6 个样方组成。纹理坐标确定从立方体中心开始的方向，与立方体本身的交点产生纹素。

【参考方案2】：

你的链接真的帮助了我，furqan，谢谢。 为什么你想不通？我偶然发现的一点是，我不知道在计算纹理坐标时可以超过 [0,1] 区间。这使得从纹理的一侧跳转到另一侧变得容易得多，OpenGL 会执行所有插值，而无需计算纹理实际结束的确切位置。

【讨论】：

这非常有用。谢谢！真正简单优雅的解决方案！

【参考方案3】：

您也可以采取一种肮脏的方式：在顶点着色器和片段着色器之间插入 X、Y 位置，并在片段着色器中重新计算正确的纹理坐标。这可能会慢一些，但它不涉及重复的顶点，而且我认为它更简单。

例如：顶点着色器：

#version 150 core
uniform mat4 projM;
uniform mat4 viewM;
uniform mat4 modelM;
in vec4 in_Position;
in vec2 in_TextureCoord;
out vec2 pass_TextureCoord;
out vec2 pass_xy_position;
void main(void) 
    gl_Position = projM * viewM * modelM * in_Position;
    pass_xy_position = in_Position.xy; // 2d spinning interpolates good!
    pass_TextureCoord = in_TextureCoord;

片段着色器：

#version 150 core
uniform sampler2D texture1;
in vec2 pass_xy_position;
in vec2 pass_TextureCoord;
out vec4 out_Color;

#define PI 3.141592653589793238462643383279

void main(void) 
    vec2 tc = pass_TextureCoord;
    tc.x = (PI + atan(pass_xy_position.y, pass_xy_position.x)) / (2 * PI); // calculate angle and map it to 0..1
    out_Color = texture(texture1, tc);

【参考方案4】：

花了很长时间才解决这个极其烦人的问题。我在 Unity 中使用 C# 编程，我不想复制任何顶点。 （会导致我的概念在未来出现问题）所以我采用了着色器的想法，并且效果很好。虽然我确信代码可以使用一些重型优化，但我必须弄清楚如何将其移植到 CG 中，但它可以工作。这是为了防止其他人像我一样看到这篇文章，寻找解决相同问题的方法。

    Shader "Custom/isoshader" 
Properties 
        decal ("Base (RGB)", 2D) = "white" 
    
    SubShader 
        Pass 
        Fog  Mode Off 

        CGPROGRAM

        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #define PI 3.141592653589793238462643383279

        sampler2D decal;

        struct appdata 
            float4 vertex : POSITION;
            float4 texcoord : TEXCOORD0;
        ;

        struct v2f 
            float4 pos : SV_POSITION;
            float4 tex : TEXCOORD0;
            float3 pass_xy_position : TEXCOORD1;
        ;

        v2f vert(appdata v)
            v2f  o;
            o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
            o.pass_xy_position = v.vertex.xyz;
            o.tex = v.texcoord;
            return o;
        

        float4 frag(v2f i) : COLOR 
            float3 tc = i.tex;
            tc.x = (PI + atan2(i.pass_xy_position.x, i.pass_xy_position.z)) / (2 * PI);
            float4 color = tex2D(decal, tc);
            return color;
        

        ENDCG
    

【讨论】：

我建议使用法线而不是位置，以防您的球体网格的直径不是 1，原点不是 0,0,0

【参考方案5】：

正如 Nicol Bolas 所说，一些三角形的 UV 坐标从 ~0.9 变回 0，因此插值会弄乱接缝周围的纹理。在我的代码中，我创建了这个函数来复制接缝周围的顶点。这将创建一条分割这些顶点的锐线。如果您的纹理只有接缝周围的水（太平洋？），您可能不会注意到这条线。希望对您有所帮助。

/**
 *  After spherical projection, some triangles have vertices with
 *  UV coordinates that are far away (0 to 1), because the Azimuth
 *  at 2*pi = 0. Interpolating between 0 to 1 creates artifacts
 *  around that seam (the whole texture is thinly repeated at
 *  the triangles around the seam).
 *  This function duplicates vertices around the seam to avoid
 *  these artifacts.
 */
void PlatonicSolid::SubdivideAzimuthSeam() 
    if (m_texCoord == NULL) 
        ApplySphericalProjection();
    

    // to take note of the trianges in the seam
    int facesSeam[m_numFaces];

    // check all triangles, looking for triangles with vertices
    // separated ~2π. First count.
    int nSeam = 0;
    for (int i=0;i < m_numFaces; ++i) 
        // check the 3 vertices of the triangle
        int a = m_faces[3*i];
        int b = m_faces[3*i+1];
        int c = m_faces[3*i+2];
        // just check the seam in the azimuth
        float ua = m_texCoord[2*a];
        float ub = m_texCoord[2*b];
        float uc = m_texCoord[2*c];
        if (fabsf(ua-ub)>0.5f || fabsf(ua-uc)>0.5f || fabsf(ub-uc)>0.5f) 
            //test::printValue("Face: ", i, "\n");
            facesSeam[nSeam] = i;
            ++nSeam;
        
    

    if (nSeam==0) 
        // no changes
        return;
    

    // reserve more memory
    int nVertex = m_numVertices;
    m_numVertices += nSeam;
    m_vertices = (float*)realloc((void*)m_vertices, 3*m_numVertices*sizeof(float));
    m_texCoord = (float*)realloc((void*)m_texCoord, 2*m_numVertices*sizeof(float));

    // now duplicate vertices in the seam
    // (the number of triangles/faces is the same)
    for (int i=0; i < nSeam; ++i, ++nVertex) 
        int t = facesSeam[i]; // triangle index
        // check the 3 vertices of the triangle
        int a = m_faces[3*t];
        int b = m_faces[3*t+1];
        int c = m_faces[3*t+2];
        // just check the seam in the azimuth
        float u_ab = fabsf(m_texCoord[2*a] - m_texCoord[2*b]);
        float u_ac = fabsf(m_texCoord[2*a] - m_texCoord[2*c]);
        float u_bc = fabsf(m_texCoord[2*b] - m_texCoord[2*c]);
        // select the vertex further away from the other 2
        int f = 2;
        if (u_ab >= 0.5f && u_ac >= 0.5f) 
            c = a;
            f = 0;
         else if (u_ab >= 0.5f && u_bc >= 0.5f) 
            c = b;
            f = 1;
        

        m_vertices[3*nVertex] = m_vertices[3*c];      // x
        m_vertices[3*nVertex+1] = m_vertices[3*c+1];  // y
        m_vertices[3*nVertex+2] = m_vertices[3*c+2];  // z
        // repeat u from texcoord
        m_texCoord[2*nVertex] = 1.0f - m_texCoord[2*c];
        m_texCoord[2*nVertex+1] = m_texCoord[2*c+1];
        // change this face so all the vertices have close UV
        m_faces[3*t+f] = nVertex;
    

【参考方案6】：

一种方法就像在接受的答案中一样。在生成顶点属性数组的代码中，您将有如下代码：

// FOR EVERY TRIANGLE
const float threshold = 0.7;
if(tcoords_1.s > threshold || tcoords_2.s > threshold || tcoords_3.s > threshold)

    if(tcoords_1.s < 1. - threshold)
    
        tcoords_1.s += 1.;
    
    if(tcoords_2.s < 1. - threshold)
    
        tcoords_2.s += 1.;
    
    if(tcoords_3.s < 1. - threshold)
    
        tcoords_3.s += 1.;
    

如果您有未与子午线对齐的三角形，您还需要glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);。您还需要使用glDrawArrays，因为具有相同位置的顶点将具有不同的纹理坐标。

我认为更好的方法是消除万恶之源，在这种情况下是纹理坐标插值。由于您基本上了解您的球体/椭球体，您可以根据位置在片段着色器中计算纹理坐标、法线等。这意味着您的 CPU 代码生成顶点属性将更加简单，您可以再次使用索引绘图。而且我不认为这种方法是肮脏的。很干净。