OpenGL 核心技术之立方体贴图
笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。
CSDN视频网址：http://edu.csdn.net/lecturer/144
在这里介绍立方体贴图主要是告诉读者，利用立方体贴图原理，我们可以做很多事情：比如天空盒，环境映射中的反射和折射效果等等。当然环境映射也可以使用一张纹理贴图实现，这个会在博文的最后给读者介绍，下面开始介绍立方体贴图实现原理。
我们在游戏开发中通常的做法是将2D纹理映射到物体的一个面上，本篇博文介绍的是将多个纹理组合起来映射到一个单一纹理，这就称为立方体贴图。在介绍立方体贴图前，先解释一下纹理采样，假设我们有一个单位立方体，有个以原点为起点的方向向量在它的中心。从立方体贴图上使用橘黄色向量采样一个纹理值看起来下图：
注意，方向向量的大小无关紧要，一旦提供了方向，OpenGL就会获取方向向量碰触到立方体表面上的相应的纹理像素，这样就返回了正确的纹理采样值。
方向向量触碰到立方体表面的一点也就是立方体贴图的纹理位置，这意味着只要立方体的中心位于原点上，我们就可以使用立方体的位置向量来对立方体贴图进行采样。然后我们就可以获取所有顶点的纹理坐标，就和立方体上的顶点位置一样。所获得的结果是一个纹理坐标，通过这个纹理坐标就能获取到立方体贴图上正确的纹理。
下面开始介绍创建立方体贴图，立方体贴图和其他纹理一样，所以要创建一个立方体贴图，在进行任何纹理操作之前，需要生成一个纹理，激活相应纹理单元然后绑定到合适的纹理目标上。这次要绑定到 GL_TEXTURE_CUBE_MAP纹理类型：
GLuint textureID;
glGenTextures(1, &textureID);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID);由于立方体贴图包含6个纹理，立方体的每个面一个纹理，我们必须调用glTexImage2D函数6次，函数的参数和前面教程讲的相似。然而这次我们必须把纹理目标（target）参数设置为立方体贴图特定的面，这是告诉OpenGL我们创建的纹理是对应立方体哪个面的。因此我们便需要为立方体贴图的每个面调用一次 glTexImage2D。
由于立方体贴图有6个面，OpenGL就提供了6个不同的纹理目标，来应对立方体贴图的各个面。
| 纹理目标（Texture target） | 方位 |
|---|---|
| GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X | 右 |
| GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_X | 左 |
| GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Y | 上 |
| GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Y | 下 |
| GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Z | 后 |
| GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Z | 前 |
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X
为起始来对它们进行遍历，每次迭代枚举值加
1
，这样循环所有的纹理目标效率较高：
int width,height;
unsigned char* image;
for(GLuint i = 0; i < textures_faces.size(); i++)
{
image = SOIL_load_image(textures_faces[i], &width, &height, 0, SOIL_LOAD_RGB);
glTexImage2D(
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i,
0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, image
);
}这儿我们有个vector叫textures_faces，它包含立方体贴图所各个纹理的文件路径，并且以上表所列的顺序排列。它将为每个当前绑定的cubemp的每个面生成一个纹理。
由于立方体贴图和其他纹理没什么不同，我们也要定义它的环绕方式和过滤方式：
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);简单的解释一下参数GL_TEXTURE_WRAP_R，它的含义只是简单的设置了纹理的R坐标，R坐标对应于纹理的第三个维度（就像位置的z一样）。我们把放置方式设置为 GL_CLAMP_TO_EDGE ，由于纹理坐标在两个面之间，所以可能并不能触及哪个面（由于硬件限制），因此使用 GL_CLAMP_TO_EDGE 后OpenGL会返回它们的边界的值，尽管我们可能在两个两个面中间进行的采样。
在绘制物体之前，将使用立方体贴图，而在渲染前我们要激活相应的纹理单元并绑定到立方体贴图上，这和普通的2D纹理没什么区别。
在片段着色器中，我们也必须使用一个不同的采样器——samplerCube，用它来从texture函数中采样，但是这次使用的是一个vec3方向向量，取代vec2。下面是一个片段着色器使用了立方体贴图的例子：
in vec3 textureDir; // 用一个三维方向向量来表示立方体贴图纹理的坐标
uniform samplerCube cubemap; // 立方体贴图纹理采样器
void main()
{
color = texture(cubemap, textureDir);
}天空盒是一个立方体，它由六个面组成，每个面需要一个贴图，网上有很多这样的天空盒的资源，当然美术也可以制作，这些天空盒通常有下面的样式：
如果你把这6个面折叠到一个立方体中，你机会获得模拟了一个巨大的风景的立方体。原理清楚了，接下来使用程序创建天空盒：
由于天空盒实际上就是一个立方体贴图，加载天空盒和之前我们加载立方体贴图的没什么大的不同。为了加载天空盒我们将使用下面的函数，它接收一个包含6个纹理文件路径的vector：
GLuint loadCubemap(vector faces)
{
GLuint textureID;
glGenTextures(1, &textureID);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
int width,height;
unsigned char* image;
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID);
for(GLuint i = 0; i < faces.size(); i++)
{
image = SOIL_load_image(faces[i], &width, &height, 0, SOIL_LOAD_RGB);
glTexImage2D(
GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0,
GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, image
);
}
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);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, 0);
return textureID;
}
vector faces;
faces.push_back("right.jpg");
faces.push_back("left.jpg");
faces.push_back("top.jpg");
faces.push_back("bottom.jpg");
faces.push_back("back.jpg");
faces.push_back("front.jpg");
GLuint cubemapTexture = loadCubemap(faces); 因为天空盒绘制在了一个立方体上，我们还需要另一个VAO、VBO以及一组全新的顶点，将天空盒显示出来。
立方体贴图用于给3D立方体帖上纹理，可以用立方体的位置作为纹理坐标进行采样。当一个立方体的中心位于原点(0，0，0)的时候，它的每一个位置向量也就是以原点为起点的方向向量。这个方向向量就是我们要得到的立方体某个位置的相应纹理值。出于这个理由，我们只需要提供位置向量，而无需纹理坐标。为了渲染天空盒，我们需要一组新着色器，它们不会太复杂。因为我们只有一个顶点属性，顶点着色器非常简单：
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;
out vec3 TexCoords;
uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;
void main()
{
gl_Position = projection * view * vec4(position, 1.0);
TexCoords = position;
}
#version 330 core
in vec3 TexCoords;
out vec4 color;
uniform samplerCube skybox;
void main()
{
color = texture(skybox, TexCoords);
}片段着色器比较明了，我们把顶点属性中的位置向量作为纹理的方向向量，使用它们从立方体贴图采样纹理值。渲染天空盒现在很简单，我们有了一个立方体贴图纹理，我们简单绑定立方体贴图纹理，天空盒就自动地用天空盒的立方体贴图填充了。为了绘制天空盒，我们将把它作为场景中第一个绘制的物体并且关闭深度写入。这样天空盒才能成为所有其他物体的背景来绘制出来。
glDepthMask(GL_FALSE);
skyboxShader.Use();
// ... Set view and projection matrix
glBindVertexArray(skyboxVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, cubemapTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
glDepthMask(GL_TRUE);
// ... Draw rest of the scene
glm::mat4 view = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix()));
实现上述效果的核心代码如下所示：
// Clear buffers
glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// Draw skybox first
glDepthMask(GL_FALSE);// Remember to turn depth writing off
skyboxShader.Use();
glm::mat4 view = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix())); // Remove any translation component of the view matrix
glm::mat4 projection = glm::perspective(camera.Zoom, (float)screenWidth/(float)screenHeight, 0.1f, 100.0f);
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(skyboxShader.Program, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(skyboxShader.Program, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
// skybox cube
glBindVertexArray(skyboxVAO);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.Program, "skybox"), 0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, cubemapTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
glDepthMask(GL_TRUE);
// Then draw scene as normal
shader.Use();
glm::mat4 model;
view = camera.GetViewMatrix();
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "model"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
// Cubes
glBindVertexArray(cubeVAO);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.Program, "texture_diffuse1"), 0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, cubeTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
// Swap the buffers
glfwSwapBuffers(window);以上只是生成了一个天空盒，还没有去考虑效率问题，接下来我们就分析一下如何利用深度测试去优化， 现在我们在渲染场景中的其他物体之前渲染了天空盒。这么做没错，但是不怎么高效。如果我们先渲染了天空盒，那么我们就是在为每一个屏幕上的像素运行片段着色器，即使天空盒只有部分在显示着；fragment可以使用前置深度测试（early depth testing）简单地被丢弃，这样就节省了我们宝贵的带宽。
所以最后渲染天空盒就能够给我们带来轻微的性能提升。采用这种方式，深度缓冲被全部物体的深度值完全填充，所以我们只需要渲染通过前置深度测试的那部分天空的片段就行了，而且能显著减少片段着色器的调用。问题是天空盒是个立方体，极有可能会渲染失败，因为极有可能通不过深度测试。简单地不用深度测试渲染它也不是解决方案，这是因为天空盒会在之后覆盖所有的场景中其他物体。我们需要耍个花招让深度缓冲相信天空盒的深度缓冲有着最大深度值1.0，如此只要有个物体存在深度测试就会失败，看似物体就在它前面了。
透视除法（perspective division）是在顶点着色器运行之后执行的，把gl_Position的xyz坐标除以w元素。我们从深度测试教程了解到除法结果的z元素等于顶点的深度值。利用这个信息，我们可以把输出位置的z元素设置为它的w元素，这样就会导致z元素等于1.0了，因为，当透视除法应用后，它的z元素转换为w/w = 1.0：
void main()
{
vec4 pos = projection * view * vec4(position, 1.0);
gl_Position = pos.xyww;
TexCoords = position;
}最终，标准化设备坐标就总会有个与1.0相等的z值了，1.0就是深度值的最大值。只有在没有任何物体可见的情况下天空盒才会被渲染（只有通过深度测试才渲染，否则假如有任何物体存在，就不会被渲染，只去渲染物体）。
我们必须改变一下深度方程，把它设置为GL_LEQUAL，原来默认的是GL_LESS。深度缓冲会为天空盒用1.0这个值填充深度缓冲，所以我们需要保证天空盒是使用小于等于深度缓冲来通过深度测试的，而不是小于。
// Clear buffers
glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// Draw scene as normal
shader.Use();
glm::mat4 model;
glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();
glm::mat4 projection = glm::perspective(camera.Zoom, (float)screenWidth/(float)screenHeight, 0.1f, 100.0f);
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "model"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
// Cubes
glBindVertexArray(cubeVAO);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.Program, "texture_diffuse1"), 0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, cubeTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
// Draw skybox as last
glDepthFunc(GL_LEQUAL); // Change depth function so depth test passes when values are equal to depth buffer's content
skyboxShader.Use();
view = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix())); // Remove any translation component of the view matrix
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(skyboxShader.Program, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(skyboxShader.Program, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
// skybox cube
glBindVertexArray(skyboxVAO);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.Program, "skybox"), 0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, cubemapTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
glDepthFunc(GL_LESS); // Set depth function back to default
// Swap the buffers
glfwSwapBuffers(window);利用立方体贴图还可以实现环境映射中的反射和折射效果， 我们现在有了一个把整个环境映射到为一个单独纹理的对象，我们利用这个信息能做的不仅是天空盒。使用带有场景环境的立方体贴图，我们还可以让物体有一个反射或折射属性。像这样使用了环境立方体贴图的技术叫做 环境贴图技术 ，其中最重要的两个是 反射(reflection) 和 折射(refraction) 。
凡是是一个物体（或物体的某部分）反射(Reflect)他周围的环境的属性，比如物体的颜色多少有些等于它周围的环境，这要基于观察者的角度。例如一个镜子是一个反射物体：它会基于观察者的角度泛着它周围的环境。
反射的基本思路不难。下图展示了我们如何计算反射向量，然后使用这个向量去从一个立方体贴图中采样：
我们基于观察方向向量I和物体的法线向量N计算出反射向量R。我们可以使用GLSL的内建函数reflect来计算这个反射向量。最后向量R作为一个方向向量对立方体贴图进行索引/采样，返回一个环境的颜色值。最后的效果看起来就像物体反射了天空盒。
因为我们在场景中已经设置了一个天空盒，创建反射就不难了。我们改变一下箱子使用的那个片段着色器，给箱子一个反射属性：
#version 330 core
in vec3 Normal;
in vec3 Position;
out vec4 color;
uniform vec3 cameraPos;
uniform samplerCube skybox;
void main()
{
vec3 I = normalize(Position - cameraPos);
vec3 R = reflect(I, normalize(Normal));
color = texture(skybox, R);
}#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;
layout (location = 1) in vec3 normal;
out vec3 Normal;
out vec3 Position;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
void main()
{
gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0f);
Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * normal;
Position = vec3(model * vec4(position, 1.0f));
}我们用了法线向量，所以我们打算使用一个法线矩阵(normal matrix)变换它们。Position输出的向量是一个世界空间位置向量。顶点着色器输出的Position用来在片段着色器计算观察方向向量。
因为我们使用法线，你还得更新顶点数据，更新属性指针。还要确保设置cameraPos的uniform。
然后在渲染箱子前我们还得绑定立方体贴图纹理：
glBindVertexArray(cubeVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, skyboxTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);编译运行你的代码，你等得到一个镜子一样的箱子。箱子完美地反射了周围的天空盒：
C++程序实现的核心代码如下所示：
// Clear buffers
glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// Draw scene as normal
shader.Use();
glm::mat4 model;
glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();
glm::mat4 projection = glm::perspective(camera.Zoom, (float)screenWidth/(float)screenHeight, 0.1f, 100.0f);
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "model"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader.Program, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
glUniform3f(glGetUniformLocation(shader.Program, "cameraPos"), camera.Position.x, camera.Position.y, camera.Position.z);
// Cubes
glBindVertexArray(cubeVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, skyboxTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
// Draw skybox as last
glDepthFunc(GL_LEQUAL); // Change depth function so depth test passes when values are equal to depth buffer's content
skyboxShader.Use();
glm::mat4 view = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix())); // Remove any translation component of the view matrix
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(skyboxShader.Program, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(skyboxShader.Program, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
// skybox cube
glBindVertexArray(skyboxVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, skyboxTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
glDepthFunc(GL_LESS); // Set depth function back to default
// Swap the buffers
glfwSwapBuffers(window);
下面介绍反射技术，
环境映射的另一个形式叫做折射(Refraction)，它和反射差不多。折射是光线通过特定材质对光线方向的改变。我们通常看到像水一样的表面，光线并不是直接通过的，而是让光线弯曲了一点。它看起来像你把半只手伸进水里的效果。
折射遵守斯涅尔定律，使用环境贴图看起来就像这样：
我们有个观察向量I，一个法线向量N，这次折射向量是R。就像你所看到的那样，观察向量的方向有轻微弯曲。弯曲的向量R随后用来从立方体贴图上采样。
折射可以通过GLSL的内建函数refract来实现，除此之外还需要一个法线向量，一个观察方向和一个两种材质之间的折射指数。
折射指数决定了一个材质上光线扭曲的数量，每个材质都有自己的折射指数。下表是常见的折射指数：
| 材质 | 折射指数 |
|---|---|
| 空气 | 1.00 |
| 水 | 1.33 |
| 冰 | 1.309 |
| 玻璃 | 1.52 |
| 宝石 | 2.42 |
我们使用这些折射指数来计算光线通过两个材质的比率。在我们的例子中，光线/视线从空气进入玻璃（如果我们假设箱子是玻璃做的）所以比率是1.001.52 = 0.658。
我们已经绑定了立方体贴图，提供了定点数据，设置了摄像机位置的uniform。现在只需要改变片段着色器：
void main()
{
float ratio = 1.00 / 1.52;
vec3 I = normalize(Position - cameraPos);
vec3 R = refract(I, normalize(Normal), ratio);
color = texture(skybox, R);
}
以上都是利用立方体贴图实现的技术，其实实现环境映射并不一定必须使用立方体贴图，也可以使用一张贴图实现效果，详情查看笔者已经介绍过的案例：
Cocos2d-x 3.x 图形学渲染系列二十二 关于使用一张贴图实现的环境映射效果，效果如下所示：
