立方体贴图、天空盒与环境映射边界

为什么要把周围环境「拍」成六个方向

想象你站在一个空旷的地方，举起相机朝六个方向各拍一张：前、后、左、右、上、下。把这六张照片贴在一个正方体盒子的六个内壁上，再把你自己放进盒子正中央——往任意方向看出去，看到的就是当初拍下来的那片环境。盒子很大很远，你怎么走都走不到盒壁，它就成了永远在最远处的「背景天空」。

这正是这一章要做的第一件事：用六张图拼出一整圈环境当背景。更妙的是，有了这一整圈环境，还能让场景里的物体「照」到它——一个金属球可以像镜子一样把四周环境映在表面，一个玻璃球可以让背后的环境透过来、还被弯折一下。

这一章解决的就是：怎么用六张图表示「物体周围一整圈的环境」，再拿这圈环境当背景、或让物体反射 / 折射它。没有它，你的场景只有一个纯色背景，物体表面也照不出周遭的世界，金属和玻璃都会显得很假。

立方体贴图：6 张图，用方向向量去采样

把那六张环境照片打包成一个整体，就是一张 立方体贴图（cubemap）。它和普通 2D 纹理不同：普通纹理用二维 uv 坐标 (u, v) 取色，立方体贴图用带符号的三维方向选择面和面内 texel。

立方体贴图最关键、也最容易让人愣住的一点是：它用一根 方向向量来采样，而不是 uv。你给它一个三维向量 (x, y, z)——想象从盒子正中心朝这个方向射一根激光，它会戳中六个面里某一个面上的某一点，那一点的颜色就是采样结果。向量多长不重要，只看它指向哪。下面这张图把「6 张面图」和「方向向量怎么戳中某一点」一起画清楚：

六个 API 目标有固定顺序：POSITIVE_X、NEGATIVE_X、POSITIVE_Y、NEGATIVE_Y、POSITIVE_Z、NEGATIVE_Z。它们的枚举值连续，所以可以从 POSITIVE_X + i 遍历；但“front.jpg 应该放 +Z 还是 −Z”取决于素材导出坐标系，不能从文件名猜。加载前建立显式表，并用六张写有 +X/-X/+Y/-Y/+Z/-Z 的测试图旋转相机验方向。

天空盒：把这圈环境当成最远的背景

有了立方体贴图，第一个用法就是 天空盒（skybox）。做法是：画一个立方体把相机罩在正中，立方体的六个内壁贴上立方体贴图。因为立方体的每个顶点本身就是一个从中心指向那个角的方向向量，所以顶点坐标直接拿来当采样方向就行——不需要另外准备 uv。

但天空盒有个非做不可的处理，否则立刻穿帮：天空盒去平移。想想前面那个比喻——你站在盒子正中，盒子应该永远以你为中心，你往哪走它就跟着挪，你永远走不到盒壁。可如果天空盒老老实实跟着相机的位移走位，你一移动就会「撞」到某面盒壁、糊一脸。解决办法是渲染天空盒时，把观察矩阵里管位移的那部分抹掉、只留旋转——也就是取它左上角的 3×3 部分 mat3(view)。下面这张图把「去 / 不去平移」的差别摆在一起：

还有一个让天空盒永远在最远处的小技巧：在天空盒的顶点着色器里把输出位置的 z 分量设成等于 w（gl_Position = pos.xyww），透视除法后深度恒为最大值 1.0；再把深度测试从默认的 GL_LESS 改成 GL_LEQUAL，天空盒就只会画在「场景里没有任何物体挡着」的地方——既当了背景，又不会盖住任何物体（细节见 §6）。

环境映射：让物体「照」到这圈环境

天空盒只是背景。立方体贴图更精彩的用法，是让场景里的物体表面也照出这圈环境——这类技术统称 环境映射（environment mapping）。原理很统一：物体的每个片段都算出一根方向向量，拿它去采样环境立方体贴图，采到的环境颜色就是这个片段的颜色。区别只在「这根方向向量怎么算」。

第一种是 反射（reflection）——像镜子。从相机看向物体某点的视线打到表面，按表面法线对称弹出一根反射方向，用它采样环境，物体表面就把环境原样映了出来，像一面铬镜。

第二种是 折射（refraction）。视线在当前界面按两种介质的 折射率比弯折，所得方向用来查询环境。这里是原章的单界面近似：它像玻璃，但没有模拟光离开物体时的第二次折射、厚度和内部吸收。

反射与折射的数学：reflect 和 refract 在算什么

这一节把 reflect 和 refract 两个内置函数背后的几何讲清楚。先约定符号（都用单位向量，矩阵/向量与 GLSL 一致）：

反射：关于法线对称弹出

反射方向 $R$ 由内置函数 reflect(I, N) 给出，公式是：

这个式子在说：把入射方向 $I$ 沿法线方向的那一份分量（大小是 $N \cdot I$）减掉两倍，就得到反射方向。直觉上，$N \cdot I$ 是 $I$ 在法线上的投影；减去一倍只是把 $I$「拍平」到表面上，减去两倍则是让它越过表面、对称地弹到另一侧——结果就是「入射角 = 反射角」的镜面反射。下面左半张图正是这个对称弹出：

折射：按折射率比弯折

折射方向由 refract(I, N, ratio) 给出，它背后是物理里的 斯涅尔定律（Snell 定律）：

这个式子在说：入射角 $\theta_1$ 和折射角 $\theta_2$ 的正弦之比，等于两种介质折射率的反比。直观结论只有一句话——光进入更「密」的介质（折射率更大，如从空气进玻璃）时，会弯向法线（折射角更小）；进入更「稀」的介质则弯离法线。refract 内部就按这条定律算出折射方向 $R$，你只要把折射率比 $\eta = n_1/n_2$ 喂给它。上面右半张图就是「进玻璃弯向法线」的情形。

举个具体的：空气折射率 $n_1 = 1.00$、玻璃 $n_2 = 1.52$，那么

这个 $\eta$ 喂给 refract，就得到「从空气进玻璃」的单界面折射方向。注意 $\eta$、法线朝向和介质两侧要一起判断：写成 $1.52/1.00$ 表示另一种传播方向，不能只换比值而沿用原来的外向法线。从高折射率射向低折射率且入射角过大时会发生全反射，GLSL refract 返回零向量，应回退到 reflect。

能力边界：静态环境、动态 probe 与单界面折射

静态 cubemap 只包含拍摄或预渲染进六张图里的内容。场景中新出现的角色、车辆和特效不会自动进入镜面；中央物体看起来在“反射环境”，其实只是按方向查询那六张旧图。

要让反射包含当前场景，可在物体位置放一个 90° 视野相机，分别朝 ±X/±Y/±Z 渲染到 cubemap 六面，再把结果作为环境 probe。一次更新至少多画六遍场景，通常还要排除反射物自身，并降低分辨率或更新频率控制成本。单界面 refract 同样是教学近似；真实厚玻璃还要处理出射界面、Fresnel 反射、粗糙度和吸收。

动手：切换材质，看同一个球反射 / 折射环境

猜一猜：下面这块画布里，四周是一个程序化的「黄昏天空盒」（六个面各写了方位字 RIGHT / LEFT / TOP …），正中是一个球。现在它是反射模式，球面像镜子一样映着四周环境。如果你把材质切到**「折射」，球面会变成什么样？是依旧像镜子映出环境，还是变成玻璃**、能看到背后被弯折着透过来的环境？先切一下看看，再读解释。

这块画布严格对应本章三件事：四周的天空盒是一张程序化生成的立方体贴图（六面用代码画，没有任何外部贴图），它被设为场景背景、自动做了去平移（你拖动转视角，天空盒只跟着转、永远在最远处）；正中的球按你选的材质，用反射或折射方向去采样这张环境贴图。拖动画布转视角，分别切三种材质对比：

切到反射，球是一面完美的镜子，四周天空盒原样映在球面上，你甚至能在球面上读到反过来的方位字；切到折射，球变成一颗玻璃珠，看到的不再是表面映像，而是背后的环境透过玻璃、被弯折着挤进来；切到漫反射，球立刻「失去周遭感」——变成一个普通的哑光灰球，环境一点都照不上去。同一个球、同一圈环境，差别全在「片段着色器用哪根方向向量去采样」。

单步走一遍：方向向量是怎么贯穿全章的

猜一猜：天空盒、反射、折射，看起来是三件不同的事，但它们其实共用同一个核心动作。是哪一个动作？想一想上面 Demo 里「球面映出环境」和「天空盒当背景」有什么共同点，再单步走一遍。

下面把贯穿全章的那条主线拆成三步。每一步都配一张图，盯着「那根方向向量这一刻指向哪、采到环境的哪一点」：

走完这遍就清楚了：天空盒、反射、折射看着是三件事，骨子里都是「算一根方向向量、去采样同一张立方体贴图」。变的只是方向向量的来历，不变的是采样动作。

代码逐段拆解

立方体贴图的代码分三块：创建立方体贴图 + 加载 6 面、天空盒着色器（去平移 + 深度技巧）、反射 / 折射片段着色器。三块对照看，C++/OpenGL 与 WebGL2/TS 互为镜像。

第一块：创建立方体贴图、加载 6 个面

绑定到 GL_TEXTURE_CUBE_MAP，然后用一个循环把六张面图依次塞进六个面——靠 GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i 这组连续枚举遍历。

unsigned int loadCubemap(std::vector<std::string> faces) {
  if (faces.size() != 6) throw std::runtime_error("cubemap needs 6 faces");
  unsigned int texID;
  glGenTextures(1, &texID);
  glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, texID);
  int w, h, n;
  for (unsigned int i = 0; i < 6; i++) {
    unsigned char *data = stbi_load(faces[i].c_str(), &w, &h, &n, 3);
    if (!data) throw std::runtime_error("cubemap face load failed");
    // faces 必须显式按 +X,-X,+Y,-Y,+Z,-Z 排列。
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0, GL_RGB,
                 w, h, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
    stbi_image_free(data);
  }
  return texID;
}

function loadCubemap(faces: TexImageSource[]): WebGLTexture {
  if (faces.length !== 6) throw new Error("cubemap needs 6 faces");
  const texID = gl.createTexture()!;
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, texID);
  for (let i = 0; i < faces.length; i++) {
    // faces 必须显式按 +X,-X,+Y,-Y,+Z,-Z 排列。
    gl.texImage2D(
      gl.TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i,
      0,
      gl.RGB,
      gl.RGB,
      gl.UNSIGNED_BYTE,
      faces[i],
    );
  }
  return texID;
}

六张图必须具有兼容的尺寸、格式和 mip 层，才能形成完整 cubemap。随后设置过滤和三个维度的 CLAMP_TO_EDGE，避免边界外重复采样把另一侧图像带进接缝；它不能修复素材本身颜色或朝向对不齐的问题：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
// 三个维度都钳到边缘，避免 wrap 造成额外接缝
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);

gl.texParameteri(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
// 三个维度都钳到边缘，避免 wrap 造成额外接缝
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, gl.TEXTURE_WRAP_R, gl.CLAMP_TO_EDGE);

两端逻辑一一对应，但有几处 API 差异要留神：

第二块：天空盒着色器——去平移 + 深度技巧

天空盒的顶点着色器做两件本章核心的事：把局部坐标直接当方向向量传给片段着色器（立方体顶点本身就是方向），以及用 pos.xyww 把深度顶到最远。去平移则在 CPU 端把 view 取 mat3 再补回 mat4：

// 顶点着色器
#version 300 es
layout(location = 0) in vec3 aPos;
out vec3 TexCoords;
uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;        // 已在 CPU 端去平移：mat4(mat3(view))
void main() {
  TexCoords = aPos;       // 局部坐标 = 采样方向（立方体顶点本身就是方向）
  vec4 pos = projection * view * vec4(aPos, 1.0);
  gl_Position = pos.xyww; // z=w，透视除法后深度恒为 1.0（最远）
}

#version 300 es
precision highp float;
in vec3 TexCoords;
out vec4 FragColor;
uniform samplerCube skybox;   // 注意是 samplerCube，不是 sampler2D
void main() {
  // 用方向向量 TexCoords 采样，而不是 2D 的 uv
  FragColor = texture(skybox, TexCoords);
}

CPU 端配合两件事：把观察矩阵去平移后再传给天空盒着色器，以及把深度函数改成 GL_LEQUAL（因为天空盒深度恒为 1.0，默认的 GL_LESS 会让它一个像素都画不出来）。天空盒通常最后画：

// 场景里别的物体都画完后，最后画天空盒
glDepthFunc(GL_LEQUAL);              // 深度恒为 1.0，需 LEQUAL 才过测试
glDepthMask(GL_FALSE);               // 背景无需改写深度
skyboxShader.use();
// 去平移：取 view 的 3×3（只留旋转），再补成 4×4
glm::mat4 view = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix()));
skyboxShader.setMat4("view", view);
skyboxShader.setMat4("projection", projection);
glBindVertexArray(skyboxVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, cubemapTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glDepthMask(GL_TRUE);
glDepthFunc(GL_LESS);                // 画完恢复默认

// 场景里别的物体都画完后，最后画天空盒
gl.depthFunc(gl.LEQUAL); // 深度恒为 1.0，需 LEQUAL 才过测试
gl.depthMask(false);     // 背景无需改写深度
gl.useProgram(skyboxProgram);
// 去平移：把 view 的位移列清零，只留左上 3×3 的旋转（等价 mat4(mat3(view))）
const viewNoTrans = mat3ToMat4(mat3FromMat4(view));
gl.uniformMatrix4fv(uView, false, viewNoTrans);
gl.uniformMatrix4fv(uProjection, false, projection);
gl.bindVertexArray(skyboxVAO);
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, cubemapTexture);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 36);
gl.depthMask(true);
gl.depthFunc(gl.LESS); // 画完恢复默认

去平移那一句是本章的命门：mat3(view) 丢掉 view 的平移、只留旋转，再补成 mat4，天空盒在视觉上始终以相机为中心。少了它，盒子固定在世界中，相机移动就会接近盒壁。深度函数和写掩码都是全局状态，画完必须成对恢复，避免污染下一 pass。

第三块：反射 / 折射片段着色器

环境映射的物体（注意是普通物体、不是天空盒）需要世界空间的位置和法线，顶点着色器照常算并传出；片段着色器里算出 I，再分别用 reflect 或 refract 得到方向，拿它采样环境。最小教学版本只需替换内置函数，下面的稳健折射版还处理全反射：

#version 300 es
precision highp float;
in vec3 Normal;           // 世界空间法线
in vec3 Position;         // 世界空间位置
out vec4 FragColor;
uniform vec3 cameraPos;
uniform samplerCube skybox;
void main() {
  vec3 I = normalize(Position - cameraPos);   // 视线：相机 → 该点
  vec3 R = reflect(I, normalize(Normal));      // 反射：对称弹出
  FragColor = vec4(texture(skybox, R).rgb, 1.0);
}

#version 300 es
precision highp float;
in vec3 Normal;
in vec3 Position;
out vec4 FragColor;
uniform vec3 cameraPos;
uniform samplerCube skybox;
void main() {
  float ratio = 1.00 / 1.52;                   // 空气→玻璃的折射率比
  vec3 I = normalize(Position - cameraPos);
  vec3 N = normalize(Normal);
  vec3 T = refract(I, N, ratio);                 // 全反射时返回零向量
  vec3 R = dot(T, T) > 0.0 ? T : reflect(I, N); // 回退到反射
  FragColor = vec4(texture(skybox, R).rgb, 1.0);
}

核心改动是把 reflect(I, N) 换成 refract(I, N, ratio) 并传入折射率比；稳健版本还检查零向量并回退到反射。两个内置函数都应使用同一坐标空间的单位方向。这里 Position、Normal、cameraPos 全是世界空间；若法线仍在模型空间，球一旋转反射就会“粘”在表面错误位置。

非均匀缩放下，世界空间法线不能直接乘 mat3(model)，顶点着色器应使用法线矩阵：

Position = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;

完美 cubemap 反射只是材质的一部分。真实材质通常还会按 Fresnel、粗糙度和 reflection mask 混合基础颜色；否则整件物体都会像无粗糙度的铬镜。

容易踩的坑

小结

• cubemap 用三维方向采样；六面必须显式映射到 ±X/±Y/±Z，尺寸格式兼容，CLAMP_TO_EDGE 只能防 wrap 接缝
• 天空盒 view 去平移，xyww + LEQUAL 让它只填最远深度；depth func 和 depth mask 用后要恢复
• 环境映射的 Position、法线、相机位置必须在同一世界空间，非均匀缩放使用逆转置法线矩阵
• reflect 给镜面方向；refract(I,N,n1/n2) 是单界面近似，全反射时返回零向量，应回退到反射
• 静态 cubemap 不含动态场景；动态 probe 要从物体位置重绘六个方向，质量更高但成本显著

// 取 view 的左上 3×3（只含旋转），再补成 4×4（位移列归零）
glm::mat4 viewNoTrans = glm::mat4(glm::mat3(camera.GetViewMatrix()));
skyboxShader.setMat4("view", viewNoTrans);

版本、来源与运行边界

本章以 Joey de Vries 的 LearnOpenGL 原章 为授权改编依据，教学运行基线是 OpenGL 3.3 Core Profile。Khronos 当前发布的规范参照是 OpenGL 4.6 Core Profile；这里用 4.6 规范核查术语和状态合同，但不把 4.6 API 偷偷倒填为原教程内容。GLFW、GLAD、Assimp 与驱动版本都属于运行环境，不能拿“编译通过”替代对 context、资源和 framebuffer 结果的验证。

正式概念与状态责任

• cubemap：在“立方体贴图、天空盒与环境映射边界”中由GL_TEXTURE_CUBE_MAP 对象、skybox VAO/program 与 camera view负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以六面 target/尺寸、采样方向、view 矩阵、depth func 与环境像素定位它的第一处变化。
• skybox：在“立方体贴图、天空盒与环境映射边界”中由GL_TEXTURE_CUBE_MAP 对象、skybox VAO/program 与 camera view负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以六面 target/尺寸、采样方向、view 矩阵、depth func 与环境像素定位它的第一处变化。
• reflection：在“立方体贴图、天空盒与环境映射边界”中由GL_TEXTURE_CUBE_MAP 对象、skybox VAO/program 与 camera view负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以六面 target/尺寸、采样方向、view 矩阵、depth func 与环境像素定位它的第一处变化。
• refraction：在“立方体贴图、天空盒与环境映射边界”中由GL_TEXTURE_CUBE_MAP 对象、skybox VAO/program 与 camera view负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以六面 target/尺寸、采样方向、view 矩阵、depth func 与环境像素定位它的第一处变化。

章专属 OpenGL 状态实验

先预测“上传六面，先/后画天空盒并以方向向量采样，再恢复 depth state”发生后，GL_TEXTURE_CUBE_MAP 对象、skybox VAO/program 与 camera view应怎样改变六面图像、方向向量、samplerCube、去平移 view、depth func 和绘制顺序；再操作三个实验。实验不生成变化率或正确率等虚构总分，只显示真实 GL 状态、资源、命令和可观察结果。

实验一：Context—资源—结果合同

选择任一正式概念与基线/单故障场景，核对它是否进入本章状态合同。正式概念只有同时出现在解释、可视状态和交付证据中才算覆盖。

实验二：CPU 命令到 GPU 结果的五段轨迹

逐段执行“上传六面，先/后画天空盒并以方向向量采样，再恢复 depth state”，在每一步记录资源身份、状态变化与第一个可观察结果，并持续核对“六面尺寸/格式一致；天空盒不继承相机平移且不会覆盖已绘制近景”。

实验三：单故障与同输入恢复

注入“天空盒使用完整 view 矩阵，摄像机平移时盒体边界像普通物体一样移动”，保存首个分岔；撤销后沿用完全相同的 context、资源内容、uniform 和 draw 输入重放。只有六面 target/尺寸、采样方向、view 矩阵、depth func 与环境像素一起恢复才算修复。

最小可重放检查

unit: logl-23
owner: GL_TEXTURE_CUBE_MAP 对象、skybox VAO/program 与 camera view
state_or_resource: 六面图像、方向向量、samplerCube、去平移 view、depth func 和绘制顺序
command: 上传六面，先/后画天空盒并以方向向量采样，再恢复 depth state
pass_invariant: 六面尺寸/格式一致；天空盒不继承相机平移且不会覆盖已绘制近景
single_fault: 天空盒使用完整 view 矩阵，摄像机平移时盒体边界像普通物体一样移动
required_evidence: 六面 target/尺寸、采样方向、view 矩阵、depth func 与环境像素

复核者先仅依据以上合同写出预期，再运行基线、单故障和清理后重放。若两次基线的资源身份、首个状态变化或 framebuffer 结果不同，必须保留差异，不能用最终截图相似掩盖中间状态错误。