零基础学习OpenGL（八）--立方体贴图、天空盒、环境映射
立方体贴图
将多个纹理组合起来映射到一张纹理上的一种纹理类型：立方体贴图(Cube Map)。
立方体贴图：一个包含了6个2D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。之所以使用6个纹理合并在一张纹理而不使用6个单独的纹理，是因为可以通过一个方向向量来进行索引或采样。方向向量的原点在立方体的中心。方向向量的大小并不重要，只要提供了方向，OpenGL就会获取方向向量（最终）所击中的纹素，并返回对应的采样纹理值。
创建立方体贴图：
unsigned int textureID;
glGenTextures(1, &textureID);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID);
立方体贴图包含有6个纹理，每个面一个，将纹理目标(target)参数设置为立方体贴图的一个特定的面，告诉OpenGL我们在对立方体贴图的哪一个面创建纹理。和OpenGL的很多枚举(Enum)一样，它们背后的int值是线性递增的。如下图：
int width, height, nrChannels;
unsigned char *data;
for(unsigned int i = 0; i < textures_faces.size(); i++)
{
data = stbi_load(textures_faces[i].c_str(), &width, &height, &nrChannels, 0);
glTexImage2D( GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data );
}
textures_faces的vector，它包含了立方体贴图所需的所有纹理路径，并以表中的顺序排列。这将为当前绑定的立方体贴图中的每个面生成一个纹理。
也需要设定它的环绕和过滤方式：
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);
我们将环绕方式设置为GL_CLAMP_TO_EDGE，这是因为正好处于两个面之间的纹理坐标可能不能击中一个面（由于一些硬件限制），所以通过使用GL_CLAMP_TO_EDGE，OpenGL将在我们对两个面之间采样的时候，永远返回它们的边界值。
使用立方体贴图的片段着色器：
in vec3 textureDir; // 代表3D纹理坐标的方向向量
uniform samplerCube cubemap; // 立方体贴图的纹理采样器
void main()
{
FragColor = texture(cubemap, textureDir);
}
天空盒
天空盒是一个包含了整个场景的（大）立方体，它包含周围环境的6个图像，让玩家以为他处在一个比实际大得多的环境当中。将这六个面折成一个立方体，你就会得到一个完全贴图的立方体，模拟一个巨大的场景。一些资源可能会提供了这样格式的天空盒，你必须手动提取六个面的图像，但在大部分情况下它们都是6张单独的纹理图像。
加载天空盒：
vector
{ "right.jpg", "left.jpg", "top.jpg", "bottom.jpg", "front.jpg", "back.jpg" };
unsigned int cubemapTexture = loadCubemap(faces);
unsigned int loadCubemap(vector
{
unsigned int textureID;
glGenTextures(1, &textureID);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID);
int width, height, nrChannels;
for (unsigned int i = 0; i < faces.size(); i++)
{
unsigned char *data = stbi_load(faces[i].c_str(), &width, &height, &nrChannels, 0);
if (data)
{
glTexImage2D(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data );
stbi_image_free(data);
}
else
{
std::cout << "Cubemap texture failed to load at path: " << faces[i] << std::endl;
stbi_image_free(data);
}
}
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MAG_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);
return textureID;
}
显示天空盒：
顶点着色器：
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
out vec3 TexCoords;
uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;
void main()
{
TexCoords = aPos;
gl_Position = projection * view * vec4(aPos, 1.0);
}
将输入的位置向量作为输出给片段着色器的纹理坐标。片段着色器会将它作为输入来采样Cube。
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 TexCoords;
uniform samplerCube skybox;
void main()
{
FragColor = texture(skybox, TexCoords);
}
绘制天空盒时，我们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。这样子天空盒就会永远被绘制在其它物体的背后了。
glDepthMask(GL_FALSE);
skyboxShader.use();
// ... 设置观察和投影矩阵
glBindVertexArray(skyboxVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, cubemapTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glDepthMask(GL_TRUE);
// ... 绘制剩下的场景
希望移除观察矩阵中的位移部分，让移动不会影响天空盒的位置向量。通过取4x4矩阵左上角的3x3矩阵来移除变换矩阵的位移部分。我们可以将观察矩阵转换为3x3矩阵（移除位移），再将其转换回4x4矩阵，来达到类似的效果。
glm::mat4 view = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix()));
优化：
我们现在是首先渲染天空盒，之后再渲染场景中的其它物体。如果我们先渲染天空盒，我们就会对屏幕上的每一个像素运行一遍片段着色器，即便只有一小部分的天空盒最终是可见的。可以使用提前深度测试(Early Depth Testing)轻松丢弃掉的片段能够节省我们很多宝贵的带宽。
天空盒只是一个1x1x1的立方体，它很可能会不通过大部分的深度测试，导致渲染失败。我们需要欺骗深度缓冲，让它认为天空盒有着最大的深度值1.0，只要它前面有一个物体，深度测试就会失败。z分量等于顶点的深度值。
TexCoords = aPos;
vec4 pos = projection * view * vec4(aPos, 1.0);
gl_Position = pos.xyww;
这样天空盒就只会在没有物体的地方渲染了。
环境映射
通过使用环境的立方体贴图，我们可以给物体反射和折射的属性。
根据观察方向向量I和物体的法向量N，来计算反射向量R。我们可以使用GLSL内建的reflect函数来计算这个反射向量。最终的R向量将会作为索引/采样立方体贴图的方向向量，返回环境的颜色值。最终的结果是物体看起来反射了天空盒。
物体的顶点着色器：
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
out vec3 Normal;
out vec3 Position;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
void main()
{
Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
Position = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}
改变物体的片段着色器就可以让物体有反射性：
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 Normal;
in vec3 Position;
uniform vec3 cameraPos;
uniform samplerCube skybox;
void main()
{
vec3 I = normalize(Position - cameraPos);
vec3 R = reflect(I, normalize(Normal));
FragColor = vec4(texture(skybox, R).rgb, 1.0);
}
还可以使用反射贴图，它也是可以采样的纹理图像，它决定这片段的反射性。
使用折射可以创建出类玻璃的效果，reflect换为refract就好。
动态环境贴图：
通过使用帧缓冲，我们能够为物体的6个不同角度创建出场景的纹理，并在每个渲染迭代中将它们储存到一个立方体贴图中。之后我们就可以使用这个（动态生成的）立方体贴图来创建出更真实的，包含其它物体的，反射和折射表面了。这就叫做动态环境映射(Dynamic Environment Mapping)，因为我们动态创建了物体周围的立方体贴图，并将其用作环境贴图。
参考自https://learnopengl-cn.github.io