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浙江建设干部学校网站,登录手机wordpress,四川企业高端网站建设,网网站制作开发介绍与发展历史Cubemap(立方体贴图)是一种由六个独立的正方形纹理组成的集合#xff0c;它将多个纹理组合起来映射到一个单一纹理。Cubemap包含6个2D纹理#xff0c;每个2D纹理代表立方体的一个面#xff0c;形成一个有贴图的立方体。Cubemap技术起源于早期的3D图形学#…介绍与发展历史Cubemap(立方体贴图)是一种由六个独立的正方形纹理组成的集合它将多个纹理组合起来映射到一个单一纹理。Cubemap包含6个2D纹理每个2D纹理代表立方体的一个面形成一个有贴图的立方体。Cubemap技术起源于早期的3D图形学最初用于实现天空盒效果。随着硬件性能的提升和图形API的发展Cubemap逐渐被广泛应用于环境映射、反射和折射等高级渲染效果中。应用领域Cubemap在Unity中主要有以下应用场景‌环境反射‌用于模拟金属、玻璃等具有反射属性物体的反射效果‌天空盒‌创建环境背景提供场景的全局光照信息‌折射效果‌模拟透明材质的折射现象‌全局光照‌作为间接光照的来源之一采样反射信息原理基本原理Cubemap采样的核心原理是使用方向向量进行索引和采样。想象一个1×1×1的单位立方体中心位于原点。当从原点发出一个方向向量时该向量会与立方体的某个面相交交点处的纹理就是采样结果。反射计算原理反射效果的计算过程如下计算相机指向物体表面点的向量(视线向量)根据表面法线计算反射向量使用反射向量在Cubemap中进行采样(URP中使用宏SAMPLE_TEXTURECUBE实现采样这个宏实际调用PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE宏来处理不同图形API的采样方法,下面有详细讲原理讲解。)将采样颜色与物体本身的颜色混合数学上反射向量R可以通过以下公式计算R I - 2 * dot(N, I) * N其中I是入射向量(视线向量取反)N是表面法线。PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE的实现原理PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE是Unity URP中用于跨平台Cubemap采样的关键宏它封装了不同图形API(Direct3D、OpenGL、Metal)下Cubemap采样的实现差异为开发者提供统一的采样接口。数学原理基础Cubemap是一个由6个2D纹理组成的立方体每个面代表一个方向(±X, ±Y, ±Z)。使用反射向量作为方向索引可以获取立方体相应位置的纹理颜色1. 方向向量确定采样面Cubemap采样基于3D方向向量通过以下步骤确定采样面数学表达式主面 max(|x|, |y|, |z|)if (主面 |x|)if (x 0) → X面else → -X面else if (主面 |y|)if (y 0) → Y面else → -Y面elseif (z 0) → Z面else → -Z面## **2. 方向向量到UV坐标转换**确定采样面后将3D方向向量转换为2D UV坐标的数学过程对于X面(右面)u 0.5 * (1 - (z / |x|))v 0.5 * (1 - (y / |x|))对于-Y面(下面)u 0.5 * (1 - (x / |y|))v 0.5 * (1 (z / |y|))其他面的转换类似但需要考虑不同面的坐标系差异。## **URP中的具体实现**### **PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE宏定义**在URP Core.hlsl中该宏通常定义为chlsl#define PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE(textureName, samplerName, coord3) \SampleTexture(textureName, samplerName, coord3)实际采样函数会根据平台不同而有所区别但对外提供统一接口。反射向量计算示例在URP Shader中计算反射向量并采样Cubemap的完整过程计算视线向量(从表面点到相机)hlslfloat3 viewDir GetWorldSpaceViewDir(positionWS);计算反射向量hlslfloat3 reflectDir reflect(-viewDir, normalWS);采样Cubemaphlslfloat4 cubemapColor PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE(_Cubemap, sampler_Cubemap, reflectDir);解码HDR颜色(如果需要)hlslfloat3 reflection DecodeHDREnvironment(cubemapColor, _Cubemap_HDR);混合反射颜色与表面颜色hlslfloat3 finalColor lerp(diffuseColor, reflection, _ReflectAmount);不同图形API的实现差异Direct3D面顺序X, -X, Y, -Y, Z, -ZUV坐标系左上角为(0,0)右下角为(1,1)需要特别注意Y轴的朝向OpenGL面顺序X, -X, Y, -Y, Z, -ZUV坐标系左下角为(0,0)右上角为(1,1)通常需要翻转Y轴坐标Metal使用MTLTextureTypeCube类型面顺序与Direct3D类似采样时需要考虑坐标系转换数学示例具体采样过程假设有一个方向向量(0.5, -0.3, 0.8)计算其在Cubemap中的采样位置确定主分量|x|0.5, |y|0.3, |z|0.8 → 主分量为z确定采样面z0.8 0 → Z面计算UV坐标u 0.5 * (1 (x/|z|)) 0.5 * (1 (0.5/0.8)) ≈ 0.8125v 0.5 * (1 - (y/|z|)) 0.5 * (1 - (-0.3/0.8)) ≈ 0.6875在Z面纹理上采样(0.8125, 0.6875)处的颜色性能优化考虑‌粗糙度与Mipmap‌根据表面粗糙度选择适当的Mipmap级别粗糙表面使用更高层级的Mipmapfloat perceptualRoughness 1.0 - _Smoothness;float mip PerceptualRoughnessToMipmapLevel(perceptualRoughness);float4 envColor SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(_Cubemap, sampler_Cubemap, reflectDir, mip);URP中的PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE宏通过统一这些复杂操作使开发者能够专注于材质效果本身而无需关心底层平台差异实现示例以下是一个简单的反射Cubemap的Shader实现定义Shader属性包括颜色、反射颜色、反射强度和Cubemap纹理顶点着色器计算世界空间的位置、法线、视线方向和反射方向片元着色器计算环境光、漫反射和反射颜色使用lerp函数混合漫反射和反射颜色控制反射强度最终输出混合后的颜色URPReflection.shaderShader Custom/URPReflection{Properties{_BaseColor(Base Color, Color) (1,1,1,1)_ReflectColor(Reflection Color, Color) (1,1,1,1)_ReflectAmount(Reflect Amount, Range(0,1)) 0.5_Cubemap(Reflection Cubemap, Cube) _Skybox {}_Smoothness(Smoothness, Range(0,1)) 0.5}SubShader{Tags { RenderTypeOpaque RenderPipelineUniversalPipeline }HLSLINCLUDE#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlslstruct Attributes{float4 positionOS : POSITION;float3 normalOS : NORMAL;};struct Varyings{float4 positionHCS : SV_POSITION;float3 positionWS : TEXCOORD0;float3 normalWS : TEXCOORD1;float3 viewDirWS : TEXCOORD2;float3 reflectDir : TEXCOORD3;};CBUFFER_START(UnityPerMaterial)half4 _BaseColor;half4 _ReflectColor;half _ReflectAmount;half _Smoothness;CBUFFER_ENDTEXTURECUBE(_Cubemap);SAMPLER(sampler_Cubemap);Varyings vert(Attributes IN){Varyings OUT;// 顶点变换OUT.positionHCS TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);OUT.positionWS TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz);OUT.normalWS TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);// 计算视线方向(从表面点到相机)OUT.viewDirWS GetWorldSpaceViewDir(OUT.positionWS);// 计算反射方向float3 viewDir normalize(OUT.viewDirWS);OUT.reflectDir reflect(-viewDir, normalize(OUT.normalWS));return OUT;}half4 frag(Varyings IN) : SV_Target{// 标准化法线和反射方向float3 normalWS normalize(IN.normalWS);float3 reflectDir normalize(IN.reflectDir);// 计算漫反射光照Light light GetMainLight();float3 lightDir normalize(light.direction);float NdotL saturate(dot(normalWS, lightDir));half3 diffuse _BaseColor.rgb * light.color * NdotL;// 采样Cubemaphalf perceptualRoughness 1.0 - _Smoothness;half mip PerceptualRoughnessToMipmapLevel(perceptualRoughness);half4 cubemapColor SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(_Cubemap, sampler_Cubemap, reflectDir, mip);half3 reflection DecodeHDREnvironment(cubemapColor, unity_SpecCube0_HDR) * _ReflectColor.rgb;// 混合漫反射和反射half3 color lerp(diffuse, reflection, _ReflectAmount);return half4(color, 1.0);}ENDHLSL}}Cubemap生成方法在Unity中可以通过以下步骤生成Cubemap创建空物体作为观察位置在Project视图右键创建Legacy/Cubemap使用脚本调用Camera.RenderToCubemap方法生成