US3S8L3——动态生成立方体纹理

本章代码关键字

camera.RenderToCubemap()    // 摄像机根据所在位置动态生成立方体纹理
Cubemap                        // 立方体纹理类
RenderTexture                // 渲染纹理类，可以作为立方体纹理

为什么要动态生成立方体纹理？

立方体纹理 中提到过，立方体纹理的其中一个最大的作用就是环境映射，
在实现反射、折射等等效果时，需要用到立方体纹理来制作对应效果，
而立方体纹理中最重要的就是组成它的 6 张 2D 纹理图片

对于之前学过的天空盒来说，6 张 2D 纹理图片可以根据想要的美术表现效果来进行自定义制作，
提前把纹理制作好，直接使用即可，这种立方体纹理往往是被提前做好的，是场景中物体们共用的，

但如果制作反射、折射等效果还是使用这样的立方体纹理，效果肯定不够理想，因为物体在场景上的位置不同，产生的对应效果也会是不同的

举例说明：以下图为例，假设我们希望立方体可以反射出周围光照，
如果只使用提前做好的立方体纹理（例如天空盒）做反射，那么周围球体等其他物体是不会被反射出来的

​​

因此，为了更好更真实的表现效果，对于场景中不同位置的物体，我们应该为它们在各自的位置上生成不同的立方体纹理（6 张 2D 纹理贴图）

如何动态生成立方体纹理？

我们将结合

1. Unity编辑器拓展

   具体知识详见：UED——Unity编辑器拓展

2. ​Camera​ 中的 RenderToCubemap()​ 方法

这两个知识点，在对应位置生成对应的立方体纹理贴图，对于一些场景展示类项目，我们不需要实时生成，只需要在编辑器模式下生成一次即可

主要要完成的功能为：

1. 自定义编辑器窗口，关联对象（通过对象来指定位置）和 Cubemap​ 变量
2. 自定义窗口中有一个生成按钮，点击后使用 Camera​ 中的 RenderToCubemap()​ 自动生成对应的6张2D纹理贴图

其中编辑器窗口相关功能使用 Unity 编辑器拓展相关知识
自动生成立方体纹理贴图功能使用 Camera​ 中的 RenderToCubemap()​ 方法
该方法可以将任意位置观察到的场景图像存储到 6 张图像中

动态生成立方体纹理

​camera.RenderToCubemap()​ 会基于 Camera​ 所依附的 GameObject​ 所在的位置生成立方体纹理（立方体纹理呈现的就是此位置周围的环境）

• 参数一：需要保存立方体纹理的 Cubemap​（也可以使用 RenderTexture​）

• 参数二：指示渲染到立方体贴图的哪个面，默认是同时渲染六个面，传入 CubemapFace​ 枚举即可（需要转换为 int​ 类型）

  ​CubemapFace​ 定义如下：

  public enum CubemapFace
  {
      Unknown = -1,
      PositiveX,
      NegativeX,
      PositiveY,
      NegativeY,
      PositiveZ,
      NegativeZ
  }

• 返回值：是否渲染成功的 bool​ 值

按照上文提到的制作思路来实现逻辑：

1. 新建一个脚本 RenderToCubemap​ 放在 Editor 文件夹中

   ​​

2. 让该类继承 EditorWindow​ 将其作为一个编辑器窗口类

3. 实现打开该窗口的静态函数

   创建编辑器窗口知识详见：UEDL2——自定义窗口拓展

   public class RenderToCubeMap : EditorWindow
   {
       [MenuItem("Tools/立方体纹理动态生成/打开生成窗口")]
       static void OpenWindow()
       {
           RenderToCubeMap window = EditorWindow.GetWindow<RenderToCubeMap>("立方体纹理生成窗口");
           window.Show();
       }
   }

4. 实现 OnGUI()​ 中的窗口布局，添加以下控件

   1. 关联位置对象的控件
   2. 关联立方体纹理贴图的空间
   3. 生成按钮 GUILayout.Button()​

   其中，要关联一个对象，需要使用 EditorGUILayout.ObjectField()​ 方法

   public class RenderToCubeMap : EditorWindow
   {
       private GameObject renderObj;
       private Cubemap cubemap;
       private void OnGUI()
       {
           GUILayout.Label("立方体纹理生成所在位置的对象");
           renderObj = (EditorGUILayout.ObjectField(renderObj, typeof(GameObject), true)) as GameObject;
           GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的Cubemap文件");
           cubemap = (EditorGUILayout.ObjectField(cubemap, typeof(Cubemap), true)) as Cubemap;
           if (GUILayout.Button("生成立方体纹理"))
           {
               if (renderObj == null || cubemap == null)
               {
                   EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的立方体贴图", "确认");
                   return;
               }
               // 动态生成立方体纹理
               // ...
           }
       }
   }

5. 实现具体逻辑

   注意点：

   1. 我们需要在指定位置（关联的对象上）动态创建一个空物体，并为它添加摄像机 Camera​，再通过此 Camera​ 生成立方体纹理贴图

      创建该对象为临时对象，使用完毕后直接删除即可

   2. ​cubemap​ 上需要勾选 Readable​

   3. Face size 分辨率决定了清晰度，但也决定了 Cubemap​ 的大小，因此需要根据项目的实际情况去选择

   ​​

   private GameObject renderObj;
   private Cubemap cubemap;
   
   private void OnGUI()
   {
       GUILayout.Label("立方体纹理生成所在位置的对象");
       renderObj = (EditorGUILayout.ObjectField(renderObj, typeof(GameObject), true)) as GameObject;
       GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的Cubemap文件");
       cubemap = (EditorGUILayout.ObjectField(cubemap, typeof(Cubemap), true)) as Cubemap;
       if (GUILayout.Button("生成立方体纹理"))
       {
           if (renderObj == null || cubemap == null)
           {
               EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的立方体贴图", "确认");
               return;
           }
           // 动态的生成立方体纹理
           GameObject tempObj = new GameObject("临时对象");
           tempObj.transform.position = renderObj.transform.position;
           Camera camera = tempObj.AddComponent<Camera>();
           // 使用 RenderToCubemap 方法生成6张2D纹理贴图，用于立方体纹理
           camera.RenderToCubemap(cubemap);
           DestroyImmediate(tempObj);
       }
   }

完整代码如下：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEditor;
using UnityEngine;

public class RenderToCubeMap : EditorWindow
{
    private GameObject renderObj;
    private Cubemap cubemap;

    [MenuItem("Tools/立方体纹理动态生成/打开生成窗口")]
    static void OpenWindow()
    {
        RenderToCubeMap window = EditorWindow.GetWindow<RenderToCubeMap>("立方体纹理生成窗口");
        window.Show();
    }

    private void OnGUI()
    {
        GUILayout.Label("立方体纹理生成所在位置的对象");
        renderObj = (EditorGUILayout.ObjectField(renderObj, typeof(GameObject), true)) as GameObject;
        GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的Cubemap文件");
        cubemap = (EditorGUILayout.ObjectField(cubemap, typeof(Cubemap), true)) as Cubemap;
        if (GUILayout.Button("生成立方体纹理"))
        {
            if (renderObj == null || cubemap == null)
            {
                EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的立方体贴图", "确认");
                return;
            }
            // 动态的生成立方体纹理
            GameObject tempObj = new GameObject("临时对象");
            tempObj.transform.position = renderObj.transform.position;
            Camera camera = tempObj.AddComponent<Camera>();
            // 使用 RenderToCubemap 方法生成6张2D纹理贴图，用于立方体纹理
            camera.RenderToCubemap(cubemap);
            DestroyImmediate(tempObj);
        }
    }
}

现在就可以生成立方体纹理，假设要为场景内如下对象生成立方体纹理：

​​

首先创建两个用于存储立方体纹理数据的 Cubemap​ 文件（Project 窗口右键 — Create — Legacy — Cubemap）
然后分别将 要立方体纹理生成所在位置的 GameObject​ 和 Cubemap​ 文件 关联到实现的编辑器窗口上，点击 “生成立方体纹理”

​​

此时，关联的 Cubemap​ 文件就保存了立方体纹理数据，可以在预览窗口上看到：

​​

将立方体纹理生成到 Render Texture 上

​camera.RenderToCubemap()​ 除了将立方体纹理数据生成到 Cubemap 文件内，还可以生成到 Render Texture 文件上
其中 Render Texture 的 Dimension 属性需要设置为 Cube ，才能将数据生成到 Render Texture 内
而 Render Texture 的 size 属性决定了立方体纹理的清晰度和大小

注意！

虽然 RenderTexture​ 可以当作立方体纹理使用，但是 RenderTexture​ 的数据在默认情况下不会被保存中，
这意味着，在保存场景时，只生成一次的 RenderTexture​ 的立方体纹理数据会被直接丢弃，导致反射贴图变黑，
因此 ​RenderTexture​​ 不适用于持久化存储立方体纹理，而适用于运行时动态生成立方体纹理的场景

下文的例子，虽然还是在编辑器环境下为 RenderTexture​ 一次生成立方体纹理数据，
但是一旦在保存场景，贴图会直接变黑，因此，下文的编辑器生成例子仅供参考，不要用在实际运行环境内

它的生成方法和上文中使用的 Cubemap 差不多，这里不再阐述：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEditor;
using UnityEngine;

public class RenderToCubeMap : EditorWindow
{
    private GameObject renderObj;
    private Cubemap cubemap;
    private RenderTexture renderTexture;

    [MenuItem("Tools/立方体纹理动态生成/打开生成窗口")]
    static void OpenWindow()
    {
        RenderToCubeMap window = EditorWindow.GetWindow<RenderToCubeMap>("立方体纹理生成窗口");
        window.Show();
    }

    private void OnGUI()
    {
        GUILayout.Label("立方体纹理生成所在位置的对象");
        renderObj = (EditorGUILayout.ObjectField(renderObj, typeof(GameObject), true)) as GameObject;
    
        GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的Cubemap文件");
        cubemap = (EditorGUILayout.ObjectField(cubemap, typeof(Cubemap), true)) as Cubemap;
        if (GUILayout.Button("生成立方体纹理到Cubemap文件"))
        {
            if (renderObj == null || cubemap == null)
            {
                EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的Cubemap", "确认");
                return;
            }
            // 动态的生成立方体纹理
            GameObject tempObj = new GameObject("临时对象");
            tempObj.transform.position = renderObj.transform.position;
            Camera camera = tempObj.AddComponent<Camera>();
            // 使用 RenderToCubemap 方法生成6张2D纹理贴图，用于立方体纹理
            camera.RenderToCubemap(cubemap);
            DestroyImmediate(tempObj);
        }
    
        GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的RenderTexture文件");
        renderTexture = (EditorGUILayout.ObjectField(renderTexture, typeof(RenderTexture), true)) as RenderTexture;
        if (GUILayout.Button("生成立方体纹理到RenderTexture"))
        {
            if (renderObj == null || renderTexture == null)
            {
                EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的RenderTexture", "确认");
                return;
            }
            // 动态的生成立方体纹理
            GameObject tempObj = new GameObject("临时对象");
            tempObj.transform.position = renderObj.transform.position;
            Camera camera = tempObj.AddComponent<Camera>();
            // 使用 RenderToCubemap 方法生成6张2D纹理贴图，用于立方体纹理
            camera.RenderToCubemap(renderTexture);
            DestroyImmediate(tempObj);
        }
    }
}

显示效果：

​​

值得一提的是，生成到 Render Texture 上的运行时间要比生成到 Cubemap 上的时间要短得多，
以下为测试代码（使用 C# Stopwatch​ 测试，生成位置相同的 512*512 质量的 Cube 贴图）：

private void OnGUI()
{
    GUILayout.Label("立方体纹理生成所在位置的对象");
    renderObj = (EditorGUILayout.ObjectField(renderObj, typeof(GameObject), true)) as GameObject;
  
    GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的Cubemap文件");
    cubemap = (EditorGUILayout.ObjectField(cubemap, typeof(Cubemap), true)) as Cubemap;
    if (GUILayout.Button("生成立方体纹理到Cubemap文件"))
    {
        Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
        stopwatch.Start();
        if (renderObj == null || cubemap == null)
        {
            EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的Cubemap", "确认");
            return;
        }
        // 动态的生成立方体纹理
        GameObject tempObj = new GameObject("临时对象");
        tempObj.transform.position = renderObj.transform.position;
        Camera camera = tempObj.AddComponent<Camera>();
        // 使用 RenderToCubemap 方法生成6张2D纹理贴图，用于立方体纹理
        camera.RenderToCubemap(cubemap);
        DestroyImmediate(tempObj);
        stopwatch.Stop();
        UnityEngine.Debug.Log($"Cubemap 生成时间为：{stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms");
    }
  
    GUILayout.Label("保存立方体纹理数据的RenderTexture文件");
    renderTexture = (EditorGUILayout.ObjectField(renderTexture, typeof(RenderTexture), true)) as RenderTexture;
    if (GUILayout.Button("生成立方体纹理到RenderTexture"))
    {
        Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
        stopwatch.Start();
        if (renderObj == null || renderTexture == null)
        {
            EditorUtility.DisplayDialog("提醒", "在生成立方体纹理前，需要先关联需要生成立方体纹理的对象和保存纹理的RenderTexture", "确认");
            return;
        }
        // 动态的生成立方体纹理
        GameObject tempObj = new GameObject("临时对象");
        tempObj.transform.position = renderObj.transform.position;
        Camera camera = tempObj.AddComponent<Camera>();
        // 使用 RenderToCubemap 方法生成6张2D纹理贴图，用于立方体纹理
        camera.RenderToCubemap(renderTexture);
        DestroyImmediate(tempObj);
        stopwatch.Stop();
        UnityEngine.Debug.Log($"RenderTexture 生成时间为：{stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms");
    }
}

运行时间对比：

​​

在运行时动态生成立方体纹理

​Camera​ 中的 RenderToCubemap​ 也可以在运行时实时动态生成立方体纹理，但是要注意对性能的影响，
如果每帧都需要渲染立方体贴图的所有六个面，生成操作开销将会很大

1. 在 LateUpdate​ 中使用
2. 降低立方体纹理贴图的分辨率
3. 分帧渲染，RenderToCubemap()​ 有重载（使用第二个参数），可以一个面一个面的渲染
4. 降低更新频率，不要每帧执行
5. 改用 RenderTexture​ 来接收立方体纹理数据

等等

以下面的代码为例：

using UnityEngine;

public class RealTimeCubeRender : MonoBehaviour
{
    private Camera _camera;
    public RenderTexture _renderTexture;

    void Start()
    {
        _camera = gameObject.AddComponent<Camera>();
        _camera.enabled = false;
    }

    private void LateUpdate()
    {
        // 每帧为外部关联的 RenderTexture 生成立方体纹理数据，以实现实时反射效果
        _camera.RenderToCubemap(_renderTexture);
    }
}

将该脚本依附某个 GameObject​ 上，再关联一个 RenderTexture​，这个对象就可以实时的在 GameObject​ 位置上生成立方体纹理
假设，GameObject​ 使用了基于此 RenderTexture​ 的立方体纹理实现反射的 Shader，
那么这个 GameObject​ 就可以实时的反射周围的对象了，而不需要再手动重新生成立方体纹理

反射效果相关内容详见：US3S8L4——反射效果

​​