CSharpGL(43)环境映射(Environment Mapping)-天空盒(Skybox)反射(Reflection)和折射(Refraction)

CSharpGL(43)环境映射(Environment Mapping)-天空盒(Skybox)反射(Reflection)和折射(Refraction)

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如图所示，本文围绕GLSL里的samplerCube记录天空盒(Skybox)、反射(reflection)、折射(refraction)的实现。

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CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

天空盒(Skybox)

samplerCube

想在三维场景里渲染出天空和大地，可以利用一个巨大的立方体，把6个连接的图片分别贴在立方体的6个面上。

 

这样的立方体就是所谓的天空盒(Skybox)。

OpenGL提供了一个GL_TEXTURE_CUBE_MAP类型的纹理，其本身就是一个立方体，自带6个纹理面。它对应的GLSL里的类型就是samplerCube。SamplerCube正适合做天空盒。

 

SkyboxNode

渲染天空盒，实际上就是渲染一个巨大的立方体，并且用samplerCube为其上色。

其vertex shader如下：

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 inPosition;// 顶点位置

uniform mat4 mvpMatrix;

out vec3 texCoord;// 立方体纹理在此顶点处的坐标值

void main()
{
    vec4 position = mvpMatrix * vec4(inPosition, 1.0); 
    gl_Position = position.xyww;// 保证天空盒的深度始终为最深
    texCoord = inPosition;// 立方体纹理的特殊情况
}

注意，这里的gl_Position = position.xyww;，是为了保证天空盒的深度始终为最深。这样就不会遮挡住场景里的其他物体。再注意，texCoord = inPosition;这句，就要求我们的天空盒模型必须是中心在坐标原点的立方体，这样才能保证inPosition在数值上等于此顶点的纹理坐标值。

其fragment shader如下：

#version 330 core

uniform samplerCube skybox;

in vec3 texCoord;

out vec4 color;

void main()
{
    color = texture(skybox, texCoord);
}

极其简单，就是从skybox纹理中取出对应位置的颜色，写入Framebuffer。

如果把镜头拉远，你会看到所谓的天空盒是这样的：一个剔除了正面的立方体 

反射(Reflection)

利用samplerCube，可以实现一个反射效果——根据反射原理，把天空盒的纹理贴到模型上，看上去的感觉是，模型像镜子一样反射了周围的东西。此即为环境映射的一种。

 

GLSL自带了反射函数reflect(,);

实现反射的vertex shader如下：

#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 inPosition;
layout (location = 1) in vec3 inNormal;

uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;
uniform mat4 model;

out vec3 passNormal;
out vec3 passPosition;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(inPosition, 1.0);

    passNormal = mat3(transpose(inverse(model))) * inNormal;
    passPosition = vec3(model * vec4(inPosition, 1.0));
}

此vertex shader做了3件事：1.给gl_Position赋值。2.传递world space里的法线passNormal。3.传递world space里的位置passPosition。

下面根据反射原理为模型上色（fragment shader）：

#version 330 core

uniform vec3 cameraPos;
uniform samplerCube skybox;

in vec3 passNormal;
in vec3 passPosition;

out vec4 FragColor;

void main()
{             
    vec3 I = normalize(passPosition - cameraPos);
    vec3 R = reflect(I, normalize(passNormal));
    FragColor = vec4(texture(skybox, R).rgb, 1.0);
}

这里利用reflect函数找到反射方向（即纹理坐标），从而找到目标颜色。

折射(Refraction)

 

折射与反射类似，也是一种环境映射方式。其vertex shader与反射相同，fragment shader也只有一点点不同：利用GLSL内置的refract()函数找到折射方向。

#version 330 core

uniform vec3 cameraPos;
uniform samplerCube skybox;

in vec3 passNormal;
in vec3 passPosition;

out vec4 FragColor;

void main()
{             
    float ratio = 1.00 / 1.52;
    vec3 I = normalize(passPosition - cameraPos);
    vec3 R = refract(I, normalize(passNormal), ratio);
    FragColor = vec4(texture(skybox, R).rgb, 1);
}

注意，这里有个ratio是指两种透明物体的折射率。1.52是玻璃对空气的折射率。再注意，这里我们只计算了一个面的折射，然而本文的模型有光线的进入和穿出两次折射。不过一般这样也没关系，最终效果还是不错的。

总结

没什么可总结的。