什么是环境映射（Environment Mapping）

环境映射（Environment Mapping）概述

1. 基本定义
   环境映射是一种纹理技术，用来在光滑或金属等高光表面上快速模拟对周围环境的反射效果。它通过把整个场景的光照信息预先捕获成一张或多张纹理（环境图），在渲染物体时根据表面法线的反射方向在这些纹理中查找颜色，从而得到逼真的镜面反射。
2. 工作原理
   • 环境图的获取：在物体所在位置放置一个全反射的球体或立方体（“天空盒”），用相机从六个正交方向或 360° 鱼眼视角渲染得到环境贴图。
   • 反射向量计算：在顶点/像素着色器中，根据视线向量 V 与表面法线 N 计算镜面反射向量 R = reflect(-V, N)。
   • 纹理采样：将 R 作为查询向量，在环境图上查找对应的纹理颜色。球形映射需要把 R 投影到 2D UV（如 u = 0.5 + (R.x / (2*sqrt(R.x²+R.y²+R.z²+1)))），立方体映射则直接根据 R 与六个面相交得到 2D 坐标。
   • 合成：将采样得到的环境颜色与物体本身的漫反射、镜面高光等光照模型混合，得到最终像素颜色。
3. 常见映射类型
   • 球形环境映射（Spherical / Lat‑Long）‍：把 360° 环境压缩到一张球面纹理，计算相对简单，但在极点会出现失真。
   • 立方体环境映射（Cubemap）‍：使用六张正交的 2D 纹理组成一个立方体，失真最小，硬件直接支持，广泛用于实时渲染。
   • 等距矩形映射（Equi‑rectangular）‍：类似球形映射的经纬投影，常用于 HDR 环境光照（IBL）。
   • 抛物面映射（Parabolic）‍：利用两个纹理实现更均匀的采样，适合高质量离线渲染。
4. 实现步骤（以 OpenGL / DirectX 为例）‍
   1. 生成环境图：渲染场景到六个视角的 Render‑to‑Texture，或使用实拍全景图。
   2. 创建纹理对象：在 OpenGL 中调用 glTexImage2D 为每个面填充数据，或在 DirectX 中创建 IDirect3DCubeTexture9。
   3. 启用纹理坐标生成：GL_TEXTURE_GEN_MODE = GL_REFLECTION_MAP（OpenGL）或在像素着色器中手动计算反射向量。
   4. 在 Shader 中采样：samplerCube envMap; color = texture(envMap, R);（GLSL）或 SampleCube（HLSL）。
   5. 混合光照：将环境颜色与 Phong/Blinn‑Phong 的镜面项相加，或用于基于图像的光照（IBL）中的漫反射/镜面分量。
5. 优缺点
   • 优点
     • 计算量极低，只需一次纹理查找即可得到镜面反射，适合实时渲染（游戏、VR）。
     • 能在低多边形模型上实现高质量的光泽效果，提升视觉真实感。
   • 缺点
     • 假设环境无限远且不随物体移动，无法表现自反射或局部光源的动态变化。
     • 球形映射在极点会产生失真，立方体映射需要六张纹理且对硬件存储有一定要求。
6. 典型应用场景
   • 实时游戏与交互式渲染：金属、玻璃、汽车漆面、角色眼睛等高光材质的快速反射。
   • 天空盒与水面倒影：利用立方体映射实现天空的全景渲染或水面镜面反射。
   • 基于图像的光照（IBL）‍：在 PBR 流程中使用 HDR 环境图提供漫反射和镜面光照。
   • 特效与预渲染：在电影特效或离线渲染中，先生成高分辨率环境贴图，再用于后期合成。
7. 常用 API 与工具
   • OpenGL：GL_TEXTURE_CUBE_MAP、glGenerateMipmap、GLSL samplerCube。
   • DirectX：IDirect3DCubeTexture9/10、HLSL SampleCube。
   • 游戏引擎：Unity 的 Reflection Probe、Unreal Engine 的 Cubemap 组件均封装了上述流程。

小结
环境映射通过把整个场景的光照信息压缩成纹理，并在渲染时利用表面法线的反射向量快速查找该纹理，实现了在实时渲染中近似光线追踪的镜面反射效果。球形映射适合简单实现，立方体映射则在失真和质量上更优，是现代实时图形的主流选择。了解其原理、类型及实现细节，可帮助在游戏、VR、AR 等交互式应用中高效构建逼真的光照效果。