详解Cubemap、IBL与球谐光照

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Cubemap，又称立方体贴图，由六个面的2D贴图组合而成，用于模拟天空盒或在IBL中计算光照。在使用上，Cubemap的采样不再是uv坐标，而是使用一个三维向量，根据采样向量选择对应轴向的2D贴图进行采样。

在Cubemap的采样过程中，我们首先构建一个长宽都为2的正方体放在坐标原点，并将Cubemap贴上去。在立方体的某一面上移动时，主轴的值固定，剩余两个坐标在[-1, 1]间变动。将每个像素对应的采样向量转化为颜色，形成一个从左下角到右上角的UV坐标分布。

在IBL中，Cubemap上的每个像素视为一个方向光源，像素颜色作为入射的Radiance值，参与光照计算。漫反射计算时，根据公式与表面基础反射率Albedo和辐射照度Irradiance有关。Irradiance Map的每个像素点对应法线，像素颜色表示表面Irradiance。

Irradiance Map的计算有两种方法：黎曼和与蒙特卡洛积分。黎曼和方法将积分转化为离散的和，而蒙特卡洛积分通过随机采样逼近积分值。为了均匀分布随机采样点，可以使用逆变换采样方法。在Unity中，生成法线方向单位半球上的随机采样点并计算Irradiance Map。

为了简化Irradiance Map的存储和计算，可以使用球谐函数替代。球谐函数能将Irradiance Map表示的数据拟合为一系列系数，从而在使用时计算Irradiance的近似值。实践证明，使用L=2阶的球谐函数即可达到良好的拟合效果。

颜色空间的选择对于IBL至关重要。输入的Skybox Cubemap可以是线性空间或Gamma空间，但整个工作流程最好在线性空间下进行，以避免混淆。使用Cubemap时，确保颜色空间的一致性是关键。