OpenGL学习笔记(二十六)—— Cube Maps

立方体贴图

立方体贴图(Cube Map):将多个纹理组合起来映射到一张纹理上的一种纹理(简单来说,就是一个包含了 62D 纹理的纹理,每个 2D 纹理都组成了立方体的一个面:一个有纹理的立方体。)。

图片来源于:learnopengl.com

创建立方体贴图

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GLuint textureID;
glGenTextures(1, &textureID); // 创建纹理
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID); // 绑定纹理(绑定到 GL_TEXTURE_CUBE_MAP)

生成立方体贴图:

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GLint width, height, nrChannels;
GLchar* data;
for(GLuint i = 0; i < 6; i++) // 立方体有 6 个面
{
data = stbi_load(texturePath[i], &width, &height, &nrChannels, 0); // 加载纹理图像
glTexImage2D(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data); // 生成纹理
}

由于立方体有 6 个面,OpenGL提供了 6 个特殊的纹理目标,专门对应立方体贴图的一个面。

纹理目标 方位
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_X
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Y
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Y
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Z
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Z

设置环绕和过滤方式:

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glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);

使用纹理:

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glActiveTexture(unit); // 先激活对应的纹理单元
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID); // 绑定纹理

用于贴图 3D 立方体的立方体贴图可以使用立方体的位置作为纹理坐标来采样。当立方体处于 原点(0, 0, 0) 时,它的每一个位置向量都是从原点出发的方向向量。这个方向向量正是获取立方体上特定位置的纹理值所需要的,因此,只需要提供位置向量而不用纹理坐标了。

天空盒

绘制天空盒时,需要将它变为场景中的 第一个 渲染的物体,并且禁用深度写入。这样天空盒就会永远被绘制在其它物体的背后了。(但这样会对屏幕上的每一个像素运行一遍片段着色器,效率不高且耗性能)。

优化

在顶点着色器运行之后执行的,透视除法gl_Positionxyz 坐标除以 w 分量;而相除结果的 z 分量等于顶点的 深度值。根据这些信息,如果将输出位置的 z 分量等于它的 w 分量,这样当透视除法执行之后,z 分量会变为 w / w = 1.0。这样就可以把天空盒子绘制在最后以降低性能消耗。

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void main()
{
TexCoords = aPos;
vec4 pos = projection * view * vec4(aPos, 1.0);
gl_Position = pos.xyww; // 保证深度值永远是最大值(1.0),这样结果就是天空盒只会在没有可见物体的地方渲染了(只有这样才能通过深度测试(此时需要将深度测试函数改为:GL_LEQUAL),其它所有的东西都在天空盒前面)
}

环境映射

环境映射:使用环境立方体贴图给物体一定属性的技术。其中最常见的两个是 反射折射

反射

反射(Reflection):属性表现为物体(或物体的一部分)反射它周围环境(即根据观察者的视角,物体的颜色或多或少等于它的环境)。

图片来源于:learnopengl.com

  • I:观察方向向量
  • N:物体的法向量
  • R:反射向量(可以使用 GLSL 内建的 reflect 函数来计算这个反射向量;其需要一个法向量和一个观察方向向量)

其片段着色器大致如下:

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#version 330 core /* 指定GLSL版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
in vec3 Normal; /* 顶点法向量 */
in vec3 Position; /* 顶点位置向量 */
out vec4 FragColor; /* 输出,指定片段颜色 */
uniform vec3 cameraPos; /* 摄像机位置向量 */
uniform samplerCube skybox; /* 天空盒子纹理 */
void main()
{
/* 观察方向向量 */
vec3 camDir = normalize(Position - cameraPos);
/* 观察方向的反射向量 */
vec3 camDirReflect = reflect(camDir, normalize(Normal));
/* 使用反射向量从天空盒立方体贴图中采样 */
FragColor = vec4(texture(skybox, camDirReflect).rgb, 1.0);
}

折射

折射(Refraction):是光线由于传播介质的改变而产生的方向变化。

图片来源于:learnopengl.com

  • I:观察方向向量
  • N:物体的法向量
  • R:折射向量(可以使用 GLSL 内建的 refract 函数来计算这个折射向量;其需要一个法向量、一个观察方向向量和两个材质之间的折射率(Refractive Index)。)

常见物体折射率(决定了材质中光线弯曲的程度):

材质 折射率
空气 1.00
1.33
1.309
玻璃 1.52
钻石 2.42

使用这些折射率来计算光传播的两种材质间的比值;例如,光线/视线从空气进入玻璃,则比值为 1.00/1.52=0.658,其片段着色器大致如下:

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#version 330 core /* 指定GLSL版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
in vec3 Normal; /* 顶点法向量 */
in vec3 Position; /* 顶点位置向量 */
out vec4 FragColor; /* 输出,指定片段颜色 */
uniform vec3 cameraPos; /* 摄像机位置向量 */
uniform samplerCube skybox; /* 天空盒子纹理 */
void main()
{
// (折射率)比值 水 玻璃
float ratio = 1.00 / 1.52;
/* 观察方向向量 */
vec3 camDir = normalize(Position - cameraPos);
/* 观察方向的折射向量 */
vec3 camDirRefract = refract(camDir, normalize(Normal), ratio);
/* 使用折射向量从天空盒立方体贴图中采样 */
FragColor = vec4(texture(skybox, camDirRefract).rgb, 1.0);
}

效果

Cubemaps

Demo


参考

教程来源:https://learnopengl.com/

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