纹理映射和贴图：为模型增加真实感

# 1. 纹理映射和贴图的基础概念

纹理映射和贴图是计算机图形学中常用的技术，用于增加模型的真实感和细节。在本章中，我们将介绍纹理映射和贴图的基本概念，并探讨其作用和应用。

## 1.1 纹理映射的定义与作用

纹理映射是将一个2D或3D图像（称为纹理）映射到模型的表面或物体的某个特定部位的过程。它可以使模型表面展现出不同的颜色、图案、细节或光照效果，从而增加模型的真实感和视觉效果。

通过纹理映射，我们可以实现模拟各种物理材料的表面细节，比如木纹、石纹、金属质感等。同时，纹理映射也可以提高渲染效率，因为不需要绘制大量细节和几何结构，而只需在模型上应用纹理即可。

## 1.2 贴图的定义与作用

贴图是指将一个2D图像（称为贴图）与模型的表面进行粘贴的过程。贴图可以包含颜色、透明度、纹理坐标等信息，用于描述模型表面的各种属性和特征。

贴图的作用是为模型提供更加真实的外观和细节。通过在模型表面贴上适当的纹理图像，可以模拟物体的表面光照、纹理、阴影和反射等效果，使模型在渲染时更加逼真和生动。

## 1.3 纹理坐标的概念与应用

纹理坐标是用于描述纹理图像映射到模型表面时的位置和方向的坐标系统。它与模型表面的顶点坐标相对应，决定了纹理图像在模型表面上如何映射和展示。

通过纹理坐标，我们可以对纹理图像进行放缩、旋转和平移等变换操作，从而在模型表面上得到不同的图案和纹理效果。纹理坐标的计算和使用是纹理映射和贴图的核心要点之一。

在接下来的章节中，我们将介绍常见的纹理映射和贴图技术，并详细探讨纹理映射和贴图的工作原理和应用方法。

# 2. 常见的纹理映射和贴图技术

纹理映射和贴图技术在计算机图形学中扮演着重要的角色。通过对模型表面进行纹理映射和贴图处理，可以使场景更加真实和细致。以下是常见的纹理映射和贴图技术：

### 2.1 环境贴图

环境贴图是一种常用的纹理映射技术，用于模拟物体在环境中反射光线的效果。通过将环境光反射的纹理映射到模型的表面，可以增加物体的光照和细节效果。环境贴图常用于增强金属、玻璃等材质的真实感。

# 环境贴图示例代码
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 读取环境贴图图片
environment_map = plt.imread('environment_map.jpg')

# 应用环境贴图
for i in range(image_height):
    for j in range(image_width):
        normal = compute_normal(i, j)  # 计算法线向量
        reflection_vector = reflect(normal, camera_direction)  # 计算反射向量
        tex_coord = find_tex_coord(reflection_vector)  # 通过反射向量计算纹理坐标
        reflected_color = sample_texture(environment_map, tex_coord)  # 采样纹理
        set_pixel_color(i, j, reflected_color)  # 设置像素颜色

plt.imshow(rendered_image)
plt.show()

### 2.2 法线贴图

法线贴图是一种通过贴图来模拟物体表面凹凸纹理的技术。通过在模型的表面上附加法线信息的贴图，可以使模型在渲染时呈现出细致的凹凸效果。法线贴图不改变模型的几何形状，只改变光照计算的法线方向。

// 法线贴图示例代码
Texture2D normalMap = LoadTexture("normal_map.jpg");

vec3 normal = texture(normalMap, texCoord).rgb * 2.0 - 1.0;  // 获取法线贴图采样值
normal = normalize(normal);  // 归一化法线向量

vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - fragmentPosition);  // 光线方向向量
float diffuse = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);  // 计算漫反射光照值

vec3 viewDirection = normalize(viewPosition - fragmentPosition);  // 视线方向向量
vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection, normal);  // 计算反射向量
float specular = pow(max(dot(viewDirection, reflectionDirection), 0.0), shininess);  // 计算镜面反射光照值

vec3 result = ambient + diffuse * lightColor + specular * specularColor;

### 2.3 反射贴图

反射贴图是一种通过贴图来模拟物体表面反射环境的技术。通过将场景环境映射到一张贴图中，再将该贴图应用于模型的表面，可以使模型反射周围环境的效果更加逼真。

// 反射贴图示例代码
type Material struct {