✠OpenGL-9-天空和背景

Posted 2021-08-25 itzyjr

目录

• • • • • 天空盒
        • 天空穹顶
        • 实现天空盒
        • • 从头开始构建天空盒
          • 使用OpenGL立方体贴图
          • 分析矩阵中值的存储 及 mat4转mat3原理
        • 环境贴图
        • • 关于reflect函数
        • 补充说明

天空盒或 天空穹顶提供了有效且相对简单的方法，用来生成令人信服的地平线景观。

天空盒

• 如何为地平线制作纹理？
  立方体有 6 个面，我们需要为这些面都添加纹理。
  一种方法是使用 6 个图像文件和 6 个纹理单元。
  另一种常见（且高效）的方式则是使用一个包含 6 个面的纹理的图像。
  
  使用纹理立方体贴图为立方体添加纹理需要指定适当的纹理坐标。下图展示了纹理坐
  标的分布，这些坐标接着会分配给立方体的每个顶点。
  
• 如何让天空盒看起来“距离很远”？
  通过使用以下两个技巧，可以使天空盒显得巨大（从而感觉距离很远）：
  （a）禁用深度测试并先渲染天空盒（在渲染场景中的其他对象时重新启用深度测试）；
  （b）天空盒随相机移动（如果相机需要移动）。
  通过在禁用深度测试的情况下先绘制天空盒，深度缓冲器的值仍将全设为 1.0（即最远
  距离）。因此，场景中的所有其他对象将被完全渲染，即天空盒不会阻挡任何其他对象。这
  样，无论天空盒的实际大小如何，会使天空盒的各面的位置看起来比其他物体都更远。而
  实际的天空盒立方体本身可以非常小，只要它在相机移动时随相机一起移动即可。下图展示了从天空盒内部查看简单的场景。
  
  场景中可见的天空盒部分是立方体贴图的最右侧部分。这是因为摄像机处于默认方向，面向−Z 方向，因此正在观察天空盒立方体的背面（如“立方体贴图纹理坐标”图所示）。另请注意，立方体贴图的背面在场景中渲染时会呈水平反转状态；这是因为立方体贴图的“背面”部分已经折叠在相机周围，因此看起来是经过侧向翻转的（如文章顶部两图所示）。
• 如何构建纹理立方体贴图？
  从图稿或照片构建纹理立方体贴图图像时，需要注意避免在立方体面交汇点处的“接缝”，并创建正确的透视图，才能让天空盒看起来逼真且无畸变。有许多工具可以辅助达成这一目标： Terragen、 Autodesk 3Ds Max、 Blender 和 Adobe Photoshop 都有用于构建或处理立方体贴图的工具。同时，还有许多网站提供各种现成的立方体地图。

天空穹顶

建立地平线效果的另一种方法是使用天空穹顶。除了使用带纹理的球体（或半球体）代替带纹理的立方体，其基本思路与天空盒相同。与天空盒相同，我们首先渲染天空穹顶（禁用深度测试），并将摄像机保持在天空穹顶的中心位置（下图中的天空穹顶纹理是使用Terragen这个工具制作的）。

天空穹顶相比天空盒有自己的优势。例如，它们不易受到畸变和接缝的影响（尽管在纹理图像中必须考虑极点处的球形畸变）。
天空穹顶的缺点之一则是球体或穹顶模型比立方体模型更复杂，天空穹顶有更多的顶点，其数量取决于期望的精度。

当使用天空穹顶呈现室外场景时，通常与地平面或某种地形相结合。当使用天空穹顶呈现宇宙中的场景（例如星空）时，使用下图所示的球体通常更为实际（为了清晰地使球体可视化，球体表面添加了一道虚线）。

实现天空盒

尽管天空穹顶有许多优点，天空盒仍然更为常见。 OpenGL 对天空盒的支持也更好，在进行环境贴图时更方便（本章后面会介绍）。出于这些原因，我们将专注于天空盒的实现。天空盒有两种实现方法：从头开始构建一个简单的天空盒；或使用 OpenGL 中的立方体贴图工具。它们有各自的优点。

从头开始构建天空盒

这里，我们将看到如何简单地启用和禁用深度测试（只需要一行代码）。场景中仅包含一个带纹理的环面。

//所有变量声明，构造函数和 init()与之前相同
. . .
void display(GLFWwindow* window, double currentTime) {
	// 清除颜色缓冲区和深度缓冲区，并像之前一样创建投影视图矩阵和摄像机视图矩阵
	. . .
	vMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(-cameraX, -cameraY, -cameraZ));
	glUseProgram(renderingProgram);
	// 准备首先绘制天空盒。 M 矩阵将天空盒放置在摄像机位置
	// 注：mMat当然不是负相机位置，因为相机在世界空间中位置就是(cameraX,cameraY,cameraZ)
	mMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(cameraX, cameraY, cameraZ));
	// 构建 MODEL-VIEW 矩阵
	mvMat = vMat * mMat;
	// 如前，将 MV 和 PROJ 矩阵放入统一变量
	. . .
	// 设置包含顶点的缓冲区
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
	glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
	glEnableVertexAttribArray(0);
	// 设置包含纹理坐标的缓冲区
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);
	glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
	glEnableVertexAttribArray(1);
	//激活天空盒纹理
	glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, skyboxTexture);
	glEnable(GL_CULL_FACE);
	// 立方体缠绕顺序是顺时针的，但我们从内部查看，因此使用逆时针缠绕顺序:GL_CCW
	glFrontFace(GL_CCW);
	// 在[没有深度测试的情况下]绘制天空盒
	glDisable(GL_DEPTH_TEST);
	glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
	//现在像之前一样绘制场景中的对象
	. . .
	glDrawElements( . . . ); //和之前的场景中的对象一样
}

void setupVertices(void) {
	// cube_vertices 定义与之前相同
	// 天空盒的立方体纹理坐标，如图“立方体贴图纹理坐标”所示
	float cubeTextureCoord[72] = {
		1.00f, 0.66f, 1.00f, 0.33f, 0.75f, 0.33f, // 背面右下角
		0.75f, 0.33f, 0.75f, 0.66f, 1.00f, 0.66f, // 背面左上角
		0.75f, 0.33f, 0.50f, 0.33f, 0.75f, 0.66f, // 右面右下角
		0.50f, 0.33f, 0.50f, 0.66f, 0.75f, 0.66f, // 右面左上角
		0.50f, 0.33f, 0.25f, 0.33f, 0.50f, 0.66f, // 正面右下角
		0.25f, 0.33f, 0.25f, 0.66f, 0.50f, 0.66f, // 正面左上角
		0.25f, 0.33f, 0.00f, 0.33f, 0.25f, 0.66f, // 左面右下角
		0.00f, 0.33f, 0.00f, 0.66f, 0.25f, 0.66f, // 左面左上角
		0.25f, 0.33f, 0.50f, 0.33f, 0.50f, 0.00f, // 下面右下角
		0.50f, 0.00f, 0.25f, 0.00f, 0.25f, 0.33f, // 下面左上角
		0.25f, 1.00f, 0.50f, 1.00f, 0.50f, 0.66f, // 上面右下角
		0.50f, 0.66f, 0.25f, 0.66f, 0.25f, 1.00f  // 上面左上角
	};
	//像往常一样为立方体和场景对象设置缓冲区
}
	//用于加载着色器、纹理、 main()等的模块，如前

给的天空盒图片如下：

程序运行效果如下：

天空盒容易受到图像畸变和接缝的影响。 接缝指两个纹理图像接触的地方（比
如沿着立方体的边缘）有时出现的可见线条。下图展示了一个图像上半部分出现接缝的示例，它是运行上面程序时出现的伪影。为了避免接缝，需要仔细构建立方体贴图图像，并分配精确的纹理坐标。有一些工具可以用来沿图像边缘减少接缝（例如GNU Image Manipulation Program）。

使用OpenGL立方体贴图

构建天空盒的另一种方法是使用 OpenGL纹理立方体贴图。 OpenGL 立方体贴图比我们在上面看到的简单方法稍微复杂一点。但是，使用 OpenGL 立方体贴图有自己的优点，例如减少接缝以及支持环境贴图。

OpenGL 纹理立方体贴图类似于稍后将要研究的 3D 纹理，它们都使用 3 个纹理坐标访问——通常标记为(s, t, r)。
OpenGL 纹理立方体贴图其中的图像以纹理图像的【左上角】为(0, 0, 0)。

上面程序通过读入单个图像来为立方体贴图添加纹理，而这里将用loadCubeMap()函数读入6个单独的立方体面图像文件。
在这里，SOIL2用于实例化和加载OpenGL立方体贴图也非常方便。
在使用OpenGL立方体贴图时，无须垂直翻转纹理，OpenGL会自动处理。

init()函数现在包含一个函数调用以启用 GL_TEXTURE_CUBE_MAP_SEAMLESS， 它告诉 OpenGL 尝试混合立方体相邻的边以减少或消除接缝。
在 display()中，立方体的顶点像以前一样沿管线向下发送，但这次不需要发送立方体的纹理坐标。我们将会看到， OpenGL 纹理立方体贴图通常使用立方体的顶点位置作为其纹理坐标。之后禁用深度测试并绘制立方体。然后为场景的其余部分重新启用深度测试。

完成后的 OpenGL 纹理立方体贴图使用了 int 类型的标识符进行引用。与阴影贴图时一样，通过将纹理包裹模式设置为“夹紧到边缘”，可以减少沿边框的伪影。在这种情况下，它还可以帮助进一步缩小接缝。请注意，这里需要为 3 个纹理坐标 s、 t 和 r 都设置纹理包裹模式。

在片段着色器中使用名为 samplerCube 的特殊类型的采样器访问纹理。在纹理立方体贴图中，从采样器返回的值是沿着方向向量(s, t, r)从原点“看到”的纹素。因此，我们通常可以简单地使用传入的插值顶点位置作为纹理坐标。在顶点着色器中，我们将立方体顶点位置分配到输出纹理坐标属性中，以便在它们到达片段着色器时进行插值。另外需要注意，在顶点着色器中，我们将传入的视图矩阵转换为 3× 3，然后再转换回 4× 4。这个“技巧”有效地移除了平移分量，同时保留了旋转。这样，就将立方体贴图固定在了摄像机位置，同时仍允许合成相机“环顾四周”。

分析矩阵中值的存储 及 mat4转mat3原理

如下分别为平移矩阵、缩放矩阵和绕轴旋转的变换矩阵：
$$(平移变换)\left(\begin{array}{l}X+T_x\\ Y+T_y\\ Z+T_z\\ 1\end{array}\right)=\left[\begin{array}{llll}1& 0& 0& T_x\\ 0& 1& 0& T_y\\ 0& 0& 1& T_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\times (\begin{array}{l}Unity3D\; 灵巧小知识点☀️\; |\; Unity\; 中\; 怎样切换\; 天空盒\; 背景\end{array}$$

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