LearnOpenGL（二十）之立方体贴图

一、创建立方体贴图

首先，生成一个纹理，并将其绑定到纹理目标GL_TEXTURE_CUBE_MAP：

unsigned int textureID;
glGenTextures(1, &textureID);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureID);

因为立方体贴图包含有6个纹理，每个面一个，我们需要调用glTexImage2D函数6次。我们将纹理目标(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。这就意味着我们需要对立方体贴图的每一个面都调用一次glTexImage2D。

由于我们有6个面，OpenGL给我们提供了6个特殊的纹理目标，专门对应立方体贴图的一个面。

和OpenGL的很多枚举(Enum)一样，它们背后的int值是线性递增的，所以如果我们有一个纹理位置的数组或者vector，我们就可以从GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X开始遍历它们，在每个迭代中对枚举值加1，遍历了整个纹理目标：

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
    );
}

然后，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);

GL_TEXTURE_WRAP_R仅仅是为纹理的R坐标设置了环绕方式，它对应的是纹理的第三个维度（和位置的z一样）。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。

在片段着色器中，我们使用texture函数和samplerCube采样器，以及vec3方向向量进行采样：

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);
}

二、天空盒

首先，将合适的纹理路径按照立方体贴图枚举指定的顺序加载到一个vector中：

vector<std::string> faces
{
    "right.jpg",
    "left.jpg",
    "top.jpg",
    "bottom.jpg",
    "front.jpg",
    "back.jpg"
};
unsigned int cubemapTexture = loadCubemap(faces);

然后，加载这个vector：

unsigned int loadCubemap(vector<std::string> faces)
{
    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;
}

顶点着色器如下：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

out vec3 TexCoords;

uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;

void main()
{
    TexCoords = aPos;
    vec4 pos = projection * view * vec4(aPos, 1.0);
    gl_Position = pos.xyww;
}

片段着色器如下：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 TexCoords;

uniform samplerCube skybox;

void main()
{    
    FragColor = texture(skybox, TexCoords);
}

最后，渲染天空盒。我们只需要绑定立方体贴图纹理，skybox采样器就会自动填充上天空盒立方体贴图了。

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

效果如下：

三、反射

反射这个属性表现为物体（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。镜子就是一个反射性物体：它会根据观察者的视角反射它周围的环境。

下面这张图展示了我们如何计算反射向量，并如何使用这个向量来从立方体贴图中采样：

我们根据观察方向向量 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。

修改片段着色器如下：

#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);
}

我们先计算观察/摄像机方向向量I，然后使用它来计算反射向量R，接着我们用R从天空盒立方体贴图采样。

修改顶点着色器如下：

#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。

效果如下：

四、折射

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：

我们有个观察向量I，一个法线向量N，以及折射向量R。

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：

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);
}

效果如下：