Cubemap是游戲渲染中常用的技術，由6個2D紋理組成立方體，用于環境映射、反射和折射效果。其核心原理是利用方向向量進行紋理采樣，通過反射公式R=I-2*dot(N,I)*N計算反射向量。Unity URP通過PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE宏統一不同圖形API的采樣差異，簡化開發流程。實現時需考慮平臺特性（如Direct3D/OpenGL的坐標系差異）和性能優化（如粗糙度與Mipmap級別匹配）。示例Shader展示了如何將Cubemap反射與表面顏色混合，創建真實感材質效果。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

介紹與發展歷史

Cubemap(立方體貼圖)是一種由六個獨立的正方形紋理組成的集合，它將多個紋理組合起來映射到一個單一紋理。Cubemap包含6個2D紋理，每個2D紋理代表立方體的一個面，形成一個有貼圖的立方體。

Cubemap技術起源于早期的3D圖形學，最初用于實現天空盒效果。隨著硬件性能的提升和圖形API的發展，Cubemap逐漸被廣泛應用于環境映射、反射和折射等高級渲染效果中。

應用領域

Cubemap在Unity中主要有以下應用場景：

• ?環境反射?：用于模擬金屬、玻璃等具有反射屬性物體的反射效果
• ?天空盒?：創建環境背景，提供場景的全局光照信息
• ?折射效果?：模擬透明材質的折射現象
• ?全局光照?：作為間接光照的來源之一

采樣反射信息原理

基本原理

Cubemap采樣的核心原理是使用方向向量進行索引和采樣。想象一個1×1×1的單位立方體，中心位于原點。當從原點發出一個方向向量時，該向量會與立方體的某個面相交，交點處的紋理就是采樣結果。

反射計算原理

• 反射效果的計算過程如下：
• 計算相機指向物體表面點的向量(視線向量)
• 根據表面法線計算反射向量
• 使用反射向量在Cubemap中進行采樣(URP中使用宏SAMPLE_TEXTURECUBE實現采樣，這個宏實際調用PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE宏來處理不同圖形API的采樣方法,下面有詳細講原理講解。)
• 將采樣顏色與物體本身的顏色混合

數學上，反射向量R可以通過以下公式計算：

R = I - 2 * dot(N, I) * N

其中I是入射向量(視線向量取反)，N是表面法線。

PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE的實現原理

PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE是Unity URP中用于跨平臺Cubemap采樣的關鍵宏，它封裝了不同圖形API(Direct3D、OpenGL、Metal)下Cubemap采樣的實現差異，為開發者提供統一的采樣接口。

數學原理基礎

Cubemap是一個由6個2D紋理組成的立方體，每個面代表一個方向(±X, ±Y, ±Z)。使用反射向量作為方向索引，可以獲取立方體相應位置的紋理顏色

1. 方向向量確定采樣面

Cubemap采樣基于3D方向向量，通過以下步驟確定采樣面：

數學表達式：

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坐標轉換**

確定采樣面后，將3D方向向量轉換為2D UV坐標的數學過程：

對于+X面(右面)：

u = 0.5 * (1 - (z / |x|))
v = 0.5 * (1 - (y / |x|))

對于-Y面(下面)：

u = 0.5 * (1 - (x / |y|))
v = 0.5 * (1 + (z / |y|))

其他面的轉換類似，但需要考慮不同面的坐標系差異。

## **URP中的具體實現**

### **PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE宏定義**

在URP Core.hlsl中，該宏通常定義為：

```c
hlsl
#define PLATFORM_SAMPLE_TEXTURECUBE(textureName, samplerName, coord3) \
    SampleTexture(textureName, samplerName, coord3)

實際采樣函數會根據平臺不同而有所區別，但對外提供統一接口。

反射向量計算示例

在URP Shader中計算反射向量并采樣Cubemap的完整過程：

• 計算視線向量(從表面點到相機)：

hlsl
float3 viewDir = GetWorldSpaceViewDir(positionWS);

• 計算反射向量：

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

• 采樣Cubemap：

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

• 解碼HDR顏色(如果需要)：

hlsl
float3 reflection = DecodeHDREnvironment(cubemapColor, _Cubemap_HDR);

• 混合反射顏色與表面顏色：

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

不同圖形API的實現差異

Direct3D

• 面順序：+X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z
• UV坐標系：左上角為(0,0)，右下角為(1,1)
• 需要特別注意Y軸的朝向

OpenGL

• 面順序：+X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z
• UV坐標系：左下角為(0,0)，右上角為(1,1)
• 通常需要翻轉Y軸坐標

Metal

• 使用MTLTextureTypeCube類型
• 面順序與Direct3D類似
• 采樣時需要考慮坐標系轉換

數學示例：具體采樣過程

假設有一個方向向量(0.5, -0.3, 0.8)，計算其在Cubemap中的采樣位置：

• 確定主分量：
  • |x|=0.5, |y|=0.3, |z|=0.8 → 主分量為z
• 確定采樣面：
  • z=0.8 > 0 → +Z面
• 計算UV坐標：
  • 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面紋理上采樣(0.8125, 0.6875)處的顏色

性能優化考慮

• ?粗糙度與Mipmap?：根據表面粗糙度選擇適當的Mipmap級別，粗糙表面使用更高層級的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宏通過統一這些復雜操作，使開發者能夠專注于材質效果本身，而無需關心底層平臺差異

實現示例

以下是一個簡單的反射Cubemap的Shader實現：

• 定義Shader屬性，包括顏色、反射顏色、反射強度和Cubemap紋理

• 頂點著色器計算世界空間的位置、法線、視線方向和反射方向

• 片元著色器計算環境光、漫反射和反射顏色

• 使用lerp函數混合漫反射和反射顏色，控制反射強度

• 最終輸出混合后的顏色

• 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;
  
              // 頂點變換
              OUT.positionHCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
              OUT.positionWS = TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz);
              OUT.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);
  
              // 計算視線方向(從表面點到相機)
              OUT.viewDirWS = GetWorldSpaceViewDir(OUT.positionWS);
  
              // 計算反射方向
              float3 viewDir = normalize(OUT.viewDirWS);
              OUT.reflectDir = reflect(-viewDir, normalize(OUT.normalWS));
  
              return OUT;
          }
  
          half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
          {
              // 標準化法線和反射方向
              float3 normalWS = normalize(IN.normalWS);
              float3 reflectDir = normalize(IN.reflectDir);
  
              // 計算漫反射光照
              Light light = GetMainLight();
              float3 lightDir = normalize(light.direction);
              float NdotL = saturate(dot(normalWS, lightDir));
              half3 diffuse = _BaseColor.rgb * light.color * NdotL;
  
              // 采樣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中可以通過以下步驟生成Cubemap：

• 創建空物體作為觀察位置
• 在Project視圖右鍵創建Legacy/Cubemap
• 使用腳本調用Camera.RenderToCubemap方法生成
• 確保Cubemap勾選Readable選項以便腳本讀取

Cubemap技術為Unity中的環境反射和高級材質效果提供了強大的支持，通過合理使用可以顯著提升場景的真實感和視覺質量

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【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達
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