【光照】Unity如何在Cubemap中采样反射信息？

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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

else

if (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：

```c
hlsl
#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)：

hlsl
float3 viewDir = GetWorldSpaceViewDir(positionWS);

• 计算反射向量：

hlsl
float3 reflectDir = reflect(-viewDir, normalWS);

• 采样Cubemap：

hlsl
float4 cubemapColor = PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE(_Cubemap, sampler_Cubemap, reflectDir);

• 解码HDR颜色(如果需要)：

hlsl
float3 reflection = DecodeHDREnvironment(cubemapColor, _Cubemap_HDR);

• 混合反射颜色与表面颜色：

hlsl
float3 finalColor = lerp(diffuseColor, reflection, _ReflectAmount);

不同图形API的实现差异

Direct3D

• 面顺序：+X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z
• UV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, -Z
• UV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：
  • z=0.8 > 0 → +Z面
• 计算UV坐标：
  • u = 0.5 * (1 + (x/|z|)) = 0.5 * (1 + (0.5/0.8)) ≈ 0.8125
  • v = 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Mipmap

  float 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.shader

  Shader "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 { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
  
          HLSLINCLUDE
          #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
          #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
  
          struct 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_END
  
          TEXTURECUBE(_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Cubemap
              half 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
• 确保Cubemap勾选Readable选项以便脚本读取

Cubemap技术为Unity中的环境反射和高级材质效果提供了强大的支持，通过合理使用可以显著提升场景的真实感和视觉质量

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