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计算机图形学编程(使用OpenGL和C++)(第2版)学习笔记 09.天空和背景

news 来源：原创 2025/7/17 0:49:57

天空和背景

对于 3D 场景，通常可以通过在远处的地平线附近创造一些逼真的效果，来增强其真实感。

我们可以采用天空盒、天空柱（Skydome）或天空穹（Skydome）等技术来模拟天空。

天空盒

天空盒（Skybox）是一种在3D图形渲染中用于模拟远处背景的技术。它通过将场景包裹在一个巨大的立方体（或球体）中，并在其内表面贴上纹理来实现。天空盒通常用于表示天空、云、山脉或其他远景背景。

工作原理：

立方体模型：天空盒通常是一个立方体，摄像机位于其中心。
纹理贴图：立方体的六个面分别贴上对应的纹理（前、后、左、右、上、下），这些纹理拼接在一起形成完整的背景。
固定位置：天空盒始终跟随摄像机移动，但不会旋转或缩放，从而给人一种背景无限远的错觉。
渲染顺序：天空盒通常在渲染场景之前绘制，并禁用深度测试，以确保它始终位于场景的最远处。

优点：

高效：天空盒的实现简单，性能开销低。
真实感：可以通过高质量纹理提供逼真的背景效果。
灵活性：适用于各种场景，如白天、夜晚、宇宙等。

缺点：

分辨率限制：纹理分辨率过低可能导致模糊或失真。
接缝问题：如果纹理拼接不当，可能会在立方体的边缘出现接缝。

天空盒广泛应用于游戏和虚拟现实中，用于增强场景的沉浸感和视觉效果。

对于天空盒，可以有两下两种实现方式：

采用6张图片，对应立方体的六个面，分别贴上图片，然后渲染。
采用一张图片，将图片贴在立方体的六个面，然后渲染。

我们先采用第二种方式，实现天空盒。
下面是将6张图片放到一张图片上形成的纹理

其与立方体六个面的关系如下：

实现思路

创建一个立方体模型，设置其纹理坐标，使其与天空盒纹理对应。
创建一个纹理对象，将天空盒纹理加载到该对象中。
在渲染循环中，将纹理对象绑定到着色器，并绘制立方体模型。
立方体的中心位置始终与摄像机的位置相同。在摄像机移动时，更新立方体的位置，使其始终跟随摄像机。
渲染时，不要启用深度测试，以确保天空盒始终位于场景的最远处。
由于摄像机是在内部，而我们定义立方体时，是从外部定义，外部立方体三角形是逆时针，当我们从内部看时，需要将三角形定义为顺时针

立方体的坐标

float cubeVertexPositions[108] ={	-1.0f,  1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f,1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f,  1.0f, -1.0f, -1.0f,  1.0f, -1.0f,1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,  1.0f, -1.0f,1.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,  1.0f,  1.0f, 1.0f,  1.0f, -1.0f,1.0f, -1.0f,  1.0f, -1.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,  1.0f,  1.0f,-1.0f, -1.0f,  1.0f, -1.0f,  1.0f,  1.0f, 1.0f,  1.0f,  1.0f,-1.0f, -1.0f,  1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f,  1.0f,  1.0f,-1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f,  1.0f, -1.0f, -1.0f,  1.0f,  1.0f,-1.0f, -1.0f,  1.0f,  1.0f, -1.0f,  1.0f,  1.0f, -1.0f, -1.0f,1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f,  1.0f,-1.0f,  1.0f, -1.0f, 1.0f,  1.0f, -1.0f, 1.0f,  1.0f,  1.0f,1.0f,  1.0f,  1.0f, -1.0f,  1.0f,  1.0f, -1.0f,  1.0f, -1.0f};float cubeTextureCoord[72] ={	1.00f, 0.6666666f, 1.00f, 0.3333333f, 0.75f, 0.3333333f,	// back face lower right0.75f, 0.3333333f, 0.75f, 0.6666666f, 1.00f, 0.6666666f,	// back face upper left0.75f, 0.3333333f, 0.50f, 0.3333333f, 0.75f, 0.6666666f,	// right face lower right0.50f, 0.3333333f, 0.50f, 0.6666666f, 0.75f, 0.6666666f,	// right face upper left0.50f, 0.3333333f, 0.25f, 0.3333333f, 0.50f, 0.6666666f,	// front face lower right0.25f, 0.3333333f, 0.25f, 0.6666666f, 0.50f, 0.6666666f,	// front face upper left0.25f, 0.3333333f, 0.00f, 0.3333333f, 0.25f, 0.6666666f,	// left face lower right0.00f, 0.3333333f, 0.00f, 0.6666666f, 0.25f, 0.6666666f,	// left face upper left0.25f, 0.3333333f, 0.50f, 0.3333333f, 0.50f, 0.0000000f,	// bottom face upper right0.50f, 0.0000000f, 0.25f, 0.0000000f, 0.25f, 0.3333333f,	// bottom face lower left0.25f, 1.0000000f, 0.50f, 1.0000000f, 0.50f, 0.6666666f,	// top face upper right0.50f, 0.6666666f, 0.25f, 0.6666666f, 0.25f, 1.0000000f		// top face lower left};

渲染代码（部分）绘制立方体

void display()
{//...//立方体的位置始终同摄像机位置相同mMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(cameraX, cameraY, cameraZ))glDisable(GL_DEPTH_TEST); // 关闭深度测试glEnable(GL_CULL_FACE); // 开启面剔除glFrontFace(GL_CCW); // 设置正面为顺时针glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36); // 绘制三角形}

顶点着色器代码

顶点着色器相对简单，只是将顶点位置和纹理坐标传递给片段着色器。

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30layout (location=0) in vec3 position;
layout (location=1) in vec2 texCoord; // 输入变量，表示顶点的颜色，绑定到 location = 1uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，表示模型-视图矩阵，用于将顶点从模型空间变换到视图空间uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，表示投影矩阵，用于将顶点从视图空间变换到裁剪空间out vec2 tc;
// 输出变量，表示顶点的颜色，绑定到 location = 0
void main(void)
// 主函数，计算顶点的最终位置
{gl_Position = proj_matrix * mv_matrix * vec4(position,1.0);// 将顶点位置从模型空间依次变换到视图空间和裁剪空间// 最终结果存储在内置变量 gl_Position 中，用于后续的光栅化阶段tc = texCoord;}

片段着色器代码

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30in vec2 tc;out vec4 color;
// 输出变量，表示片段的最终颜色uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，模型-视图矩阵（未使用）uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，投影矩阵（未使用）
layout (binding=0) uniform sampler2D tex0;
//uniform sampler2D tex0;void main(void)
// 主函数，计算片段的最终颜色
{color = texture(tex0, tc);
}

下图上方能看到立方体的接缝

使用 OpenGL 立方体贴图

用 OpenGL 立方体贴图有自己的优点，例如可以减少接缝以及支持环境贴图
OpenGL 纹理立方体贴图类似于稍后将要研究的3D 纹理，它们都使用带有3 个变量的纹理坐标访问——通常标记为**(s, t, r)**，而不是我们目前为止用到的带有两个变量的纹理坐标。OpenGL立方体贴图的另一个特性是，其中的图像以纹理图像的左上角而不是通常的左下角）作为纹理坐标(0, 0, 0)

实现思路

创建一个立方体模型，无需额外立方体纹理坐标，立方体顶点坐标就是纹理坐标。
创建一个纹理对象（片段着色器中 samplerCube），将6张天空盒图片加载到该对象中。
在渲染循环中，将纹理对象绑定到着色器，并绘制立方体模型。
立方体的中心位置始终与摄像机的位置相同。在摄像机移动时，更新立方体的位置，使其始终跟随摄像机。
渲染时，不要启用深度测试，以确保天空盒始终位于场景的最远处。
由于摄像机是在内部，而我们定义立方体时，是从外部定义，外部立方体三角形是逆时针，当我们从内部看时，需要将三角形定义为顺时针

采样器类型

采样器类型	维度	主要用途	特点
sampler2D	2D	普通2D纹理采样	• 用于常规2D纹理映射 • 返回(r,g,b,a)四个分量 • 最常用的纹理采样器类型
samplerCube	3D	立方体贴图采样	• 用于环境映射、天空盒等 • 使用3D向量作为采样坐标 • 六个面的纹理组合成立方体
sampler2DShadow	2D	阴影贴图采样	• 专门用于阴影映射 • 返回单个深度值(0.0到1.0) • 自动进行深度值比较 • 通常与深度纹理配合使用

代码实现

以下是运行效果

加载6张天空盒图片

GLuint Utils::loadCubeMap(const char* mapDir) {GLuint textureRef;string xp = mapDir; xp = xp + "/xp.jpg";string xn = mapDir; xn = xn + "/xn.jpg";string yp = mapDir; yp = yp + "/yp.jpg";string yn = mapDir; yn = yn + "/yn.jpg";string zp = mapDir; zp = zp + "/zp.jpg";string zn = mapDir; zn = zn + "/zn.jpg";textureRef = SOIL_load_OGL_cubemap(xp.c_str(), xn.c_str(), yp.c_str(), yn.c_str(), zp.c_str(), zn.c_str(),SOIL_LOAD_AUTO, SOIL_CREATE_NEW_ID, SOIL_FLAG_MIPMAPS);if (textureRef == 0) cout << "didnt find cube map image file" << endl;//	glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, textureRef);// reduce seams//	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);return textureRef;
}

渲染立方体

此部份与之前代码基本相同，只是绑定 GL_TEXTURE_CUBE_MAP

    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);                    // 激活纹理单元 glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, cubeTexture); // 绑定纹理对象glDisable(GL_DEPTH_TEST);          // 关闭深度测试glEnable(GL_CULL_FACE);            // 开启面剔除glFrontFace(GL_CCW);               // 设置正面为顺时针

顶点着色器

此处采用 mat4(mat3(mv_matrix)) 来将模型-视图矩阵转换为模型-视图矩阵，去除平移部分，这样确保天空盒与摄像机始终处于同一位置


#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30
layout (location=0) in vec3 position; // 输入变量，表示顶点的三维位置，绑定到 location = 0out vec3 texCoord; // 输出变量uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，表示模型-视图矩阵，用于将顶点从模型空间变换到视图空间
uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，表示投影矩阵，用于将顶点从视图空间变换到裁剪空间
void main(void)
// 主函数，计算顶点的最终位置
{mat4 vrot_matrix=mat4(mat3(mv_matrix)); //remove the translation partgl_Position = proj_matrix * vrot_matrix * vec4(position,1.0);// 将顶点位置从模型空间依次变换到视图空间和裁剪空间// 最终结果存储在内置变量 gl_Position 中，用于后续的光栅化阶段texCoord = position;
}

片段着色器

片段着色器中只是进行纹理采样

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30in vec3 texCoord; // 输入变量，表示顶点对应的纹理坐标
out vec4 fragColor; // 输出变量，表示片元最终的颜色
uniform samplerCube texCube; // 纹理采样器，表示立方体贴图
void main(void)
{fragColor = texture(texCube, texCoord); // 采样立方体贴图，得到片元的颜色
}

环境贴图

环境贴图概述

环境贴图是一种模拟物体表面反射周围环境的渲染技术，主要用于实现镜面反射、金属材质等效果。

工作原理

反射原理

通过采集物体周围环境的图像信息
根据视角和表面法线计算反射向量
使用反射向量从立方体贴图中采样颜色

主要应用场景

镜面物体
- 镜子
- 金属表面
- 光滑水面
金属材质
- 车身漆面
- 金属器皿
- 珠宝首饰

优缺点

优点

渲染效率高
可以实现逼真的反射效果
适合实时渲染

缺点

无法实现真实的反射折射
环境贴图分辨率限制细节表现
难以实现动态场景的实时反射

常见变体

球形环境贴图
- 使用单张球形投影的图像
- 实现简单但有畸变
立方体环境贴图
- 使用六张图构成立方体
- 质量更好，无畸变问题
动态环境贴图
- 实时渲染场景到环境贴图
- 可实现动态反射效果

相应实现原理

顶点着色器

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30layout (location=0) in vec3 position;
layout (location=1) in vec2 texCoord; // 输入变量，表示顶点的颜色，绑定到 location = 1
layout (location=2) in vec3 normal; // 输入变量，表示顶点的法线，绑定到 location = 2
// 输入变量，表示顶点的三维位置，绑定到 location = 0uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，表示模型-视图矩阵，用于将顶点从模型空间变换到视图空间uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，表示投影矩阵，用于将顶点从视图空间变换到裁剪空间uniform mat4 normal_matrix;
out vec2 tc;out vec3 fragNormal;out vec3 vertPos; 
void main(void)
// 主函数，计算顶点的最终位置
{vertPos=(mv_matrix*vec4(position,1.0)).xyz;gl_Position = proj_matrix * mv_matrix * vec4(position,1.0);// 将顶点位置从模型空间依次变换到视图空间和裁剪空间// 最终结果存储在内置变量 gl_Position 中，用于后续的光栅化阶段tc = texCoord;fragNormal = mat3(normal_matrix) * normal;// 将法线从模型空间变换到视图空间}

片段着色器

核心代码为 vec3 R = -reflect(V, N); 其中 reflect 函数的第一个参数为入射向量，第二个参数为法线向量，返回值为反射向量。

#version 430
// 指定 GLSL 的版本为 4.30in vec2 tc;in vec3 fragNormal;
in vec3 vertPos;
out vec4 color;
// 输出变量，表示片段的最终颜色uniform mat4 mv_matrix;
// uniform 变量，模型-视图矩阵（未使用）uniform mat4 proj_matrix;
// uniform 变量，投影矩阵（未使用）
layout (binding=0) uniform samplerCube tex0;void main(void)
// 主函数，计算片段的最终颜色
{vec3 N = normalize(fragNormal);vec3 V = normalize(-vertPos); // 视线方向vec3 R = -reflect(V, N); // 反射方向color = texture(tex0, R);// 采样环境贴图，获取反射颜色//color=vec4(R,1.0); // 仅用于调试，显示反射方向
}

参考

学习笔记完整代码下载
OpenGL shader开发实战学习笔记：第十一章立方体贴图和天空盒_opengl 天空盒-CSDN博客

计算机图形学编程(使用OpenGL和C++)(第2版)学习笔记 09.天空和背景

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01 安装CANoe

文章目录 0、Introduction1、Install CANoe1.1、Unlock Package1.2、Kick autorun1.3、Install CANoe1.4、Wait Download1.5、Restart application1.6、Vector CANoe Installation1.7、Installation Successfully1.8、Open CANoe 2、Install Drivers2.1、Unlock Package2.2、Ki…...

编程日记 2025/7/10 17:01:26

AutoDL租用服务器教程

在跑ai模型的时候，容易遇到算力不够的情况。此时便需要租用服务器。autodl是个较为便宜的服务器租用平台，h20仅需七点几元每小时。下面是简单的介绍。打开网站AutoDL算力云 | 弹性、好用、省钱。租GPU就上AutoDL，并登录账号登录后&#xff…...

编程日记 2025/6/29 2:02:17

【人工智能-agent】--Dify中MCP工具存数据到MySQL

本文记录的工作如下： 自定义MCP工具，爬取我的钢铁网数据爬取的数据插值处理自定义MCP工具，把爬取到的数据（str）存入本地excel表格中自定义MCP工具，把爬取到的数据（str）存入本地MySQ…...

编程日记 2025/6/29 1:36:48

ctfshow——web入门351~356

SSRF没有出网的部分 web入门351 $ch curl_init($url); 作用：初始化一个 cURL 会话，并设置目标 URL。解释： curl_init($url) 创建一个新的 cURL 资源，并将其与 $url 关联。这里的 $url 是用户提供的，因此目标地址完全…...

编程日记 2025/6/29 3:25:09

堆复习（C语言版）

目录 1.树的相关概念： 2.堆的实现 3.TopK问题 4.总结 1.树的相关概念： 1.结点的度：一个结点含有的子树（孩子）个数。 A的度为6 2.叶结点or终端结点：度为0的结点。 J、K、L、H、I 都是叶子结点 3.非终端结…...

编程日记 2025/6/29 1:36:51

解决LangChain4j报错HTTP/1.1 header parser received no bytes

问题描述当使用langchain4j-open-ai调用自己部署的大模型服务时报错： public static void main(String[] args) {OpenAiChatModel model OpenAiChatModel.builder().apiKey("none").modelName("qwen2.5-instruct").baseUrl("http://19…...

编程日记 2025/7/8 16:02:43

深入解析MySQL联合查询（UNION）：案例与实战技巧

在数据库操作中，查询是最常用的操作之一。MySQL提供了强大的查询功能，联合查询（UNION）是其中非常有用的一项操作。联合查询可以将多个查询结果合并成一个结果集，使得从不同来源的数据整合变得更加简单高效。本文将详细…...

编程日记 2025/6/29 1:36:46

[计算机科学#14]:数据结构

【核知坊】：释放青春想象，码动全新视野。我们希望使用精简的信息传达知识的骨架，启发创造者开启创造之路！！！ 内容摘要：数据结构是计算机科学中的核心概念，用于…...

编程日记 2025/6/29 1:37:22

【计算机网络】HTTP 协议

HTTP是什么？ HTTP 全称是“超文本传输协议”，是互联网上应用最广泛的应用层协议，用于客户端和服务器之间的通信。 HTTP 的实现在 HTTP 3.0之前都是基于传输层的 TCP 实现的， HTTP 3.0 改为了基于 UDP 实现，但是现在市…...

编程日记 2025/6/29 5:00:54

原生的 XMLHttpRequest 和基于 jQuery 的 $.ajax 方法的异同之处以及使用场景

近期参与一个项目的开发，发现项目中的ajax请求有两种不同的写法，查询了下两种写法的异同之处以及使用场景。下面将从以下两段简单代码进行异同之处的分析及使用场景的介绍： // 写法一： var xhr new XMLHttpRequest(); xhr.open…...

编程日记 2025/6/29 4:14:26

横向移动（上）

横向移动（上） 横向移动指的是攻击者在内网中获得初始访问权限之后，通过相关技术扩大敏感数据和高价值资产权限的行为常见的横向移动的方式 1.通过web漏洞 2.通过远程桌面 3.通过账号密码 4.通过不安全的配置 5.通过系统漏洞利用远控…...

编程日记 2025/6/29 3:57:18

关于 js：7. 模块化、构建与工具链

一、模块系统：CommonJS、ESM、UMD 模块系统的目标： 将代码拆分为独立的逻辑单元（模块），实现封装、复用、依赖管理。在 Web 前端/Node 中，因为 JavaScript 起初没有模块机制，因此出现了多个模…...

编程日记 2025/6/29 1:42:09

一次IPA被破解后的教训（附Ipa Guard等混淆工具实测）

一行代码的疏忽，一个默认的类名，一个未混淆的资源路径，都可能成为攻击者入侵的入口。背景：一次“不值一提”的上线，成了代价惨重的经验故事的起点很简单：我们给销售部门做了一款小型内部演示 App&#x…...

编程日记 2025/6/29 4:02:46

麒麟系统安装.net core环境变量

本文主要记录在麒麟系统上安装.net core的运行环境，这里使用的是麒麟V10桌面版，后续测试服务器到了之后再使用服务器版进行安装测试。环境安装下载这里由于是桌面版，我直接使用浏览器下的包，下完之后在终端中安装。安装 1…...

编程日记 2025/6/29 1:36:47

如何使用 React Hooks 替代类组件的生命周期方法？

文章目录 1. 引言2. useEffect 概述3. 模拟类组件的生命周期方法3.1 模拟 componentDidMount3.2 模拟 componentDidUpdate3.3 模拟 componentWillUnmount 4. 多个 useEffect 的使用5. 注意事项6. 总结 1. 引言在 React 16.8 版本之前，开发者主要通过类组件&#x…...

编程日记 2025/6/29 4:36:00

windows 在安装 Ubuntu-20.04 显示操作超时解决办法

1. 问题概述与原因分析在我们用下面命令安装 Ubuntu-20.04 时系统显示操作超时： wsl --install -d Ubuntu-20.04大概率是没打开 Windows 虚拟机监控程序平台，可以在控制面板–>程序和功能里面打开 2. 解决办法与步骤解决方式如下： 我…...

编程日记 2025/6/29 1:39:09

Spring Boot中Redis序列化配置详解

精心整理了最新的面试资料和简历模板，有需要的可以自行获取点击前往百度网盘获取点击前往夸克网盘获取引言在使用Spring Boot集成Redis时，序列化方式的选择直接影响数据存储的效率和系统兼容性。默认的JDK序列化存在可读性差、存储空间大等问题&am…...

编程日记 2025/6/29 1:36:52

OpenCV进阶操作：光流估计

文章目录前言一、光流估计1、光流估计是什么？2、光流估计的前提？1）亮度恒定2）小运动3）空间一致 3、OpenCV中的经典光流算法1）Lucas-Kanade方法（稀疏光流）2） Farneback方…...

编程日记 2025/7/16 21:47:07

2025年渗透测试面试题总结-渗透测试红队面试八（题目+回答）

网络安全领域各种资源，学习文档，以及工具分享、前沿信息分享、POC、EXP分享。不定期分享各种好玩的项目及好用的工具，欢迎关注。目录渗透测试红队面试八二百一十一、常见中间件解析漏洞利用方式二百一十二、MySQL用户密码存储与加密 …...

编程日记 2025/6/29 5:00:03

前端面试高频50个问题，解答

以下是前端面试中常见的50个高频问题及其简要解答： HTML HTML5 有哪些新特性？ 语义化标签（如 <header>、<footer>）、多媒体支持（如 <audio>、<video>）、本地存储（如 l…...

编程日记 2025/6/29 3:22:50

Elasticsearch架构原理

1、Elasticsearch的节点类型 1.1 Master节点在Elasticsearch启动时，会选举出来一个Master节点。当某个节点启动后，然后使用Zen Discovery机制找到集群中的其他节点，并建立连接。 discovery.seed_hosts: ["192.168.21.130", &qu…...

编程日记 2025/7/15 22:47:13

前端面试宝典---webpack面试题

webpack 的 tree shaking 的原理 Webpack 的 Tree Shaking 过程主要包含以下步骤： 模块依赖分析：Webpack 首先构建一个完整的模块依赖图，确定每个模块之间的依赖关系。导出值分析：通过分析模块之间的 import 和 export&#xff…...

编程日记 2025/6/29 1:37:16

天空和背景

天空盒

工作原理：

优点：

缺点：

实现思路

立方体的坐标

渲染代码（部分） 绘制立方体

顶点着色器代码

片段着色器代码

使用 OpenGL 立方体贴图

实现思路

代码实现

加载6张天空盒图片

渲染立方体

顶点着色器

片段着色器

环境贴图

环境贴图概述

工作原理

主要应用场景

优缺点

优点

缺点

常见变体

顶点着色器

片段着色器

参考

相关文章：

渲染代码（部分）绘制立方体