4.3 纹理进阶：2D vs 立方体 vs PBR

4.3 纹理进阶：2D vs 立方体 vs PBR

本节摘要：二维纹理按 UV 采样，是表面细节的通货。立方体贴图按方向采样，用来做环境反射与天空。PBR 工作流把反照率、法线、金属度、粗糙度、环境光遮蔽拆成多张 2D，再加一张预滤波立方体做 IBL。通道越多，CPU 上传与 GPU 带宽越重。选型应按阶段：先一张固有色，再加法线，最后才是完整金属粗糙度，而不是第一天就开齐五个采样器。

上手前先明确

阅读完本节，你应当能够：

1. 对照 2D UV 采样与立方体方向采样的坐标含义
2. 说明法线贴图为何依赖切线空间，以及 CPU 是否要传切线 Attribute
3. 列出常见 PBR 贴图槽及其过滤、颜色空间差异
4. 解释环境贴图 mip 与粗糙度的对应
5. 给出移动端减槽策略：打包 ORM、降立方体尺寸、烘焙

坐标合同不同，不是“纹理更多”

2D 纹理的坐标是网格自带的 UV，CPU 组装进 Attribute。立方体的坐标是世界或观察空间的方向向量，常在 FS 用反射向量去采。把 UV 拿去采立方体，或把反射向量当 2D UV，会得到无法辨认的接缝。三维纹理用体积坐标，体数据可视化才需要，WebGL2 核心更完整。

天空盒是立方体的特例：用顶点位置当方向，关掉平移，深度放很远。环境反射是同一张或同一组立方体，在物体 FS 里按反射采。CPU 上传六张面或压缩的立方体；GPU 按三维方向滤波。过滤合同仍适用：无 mip 的环境在粗糙表面上会闪。

2D：     UV Attribute → 表面细节
立方体： 方向向量     → 环境、天空、IBL 镜面
3D：     体积坐标     → 雾、体数据
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从一张图到一组槽

切线空间法线贴图：FS 要把贴图里的法线转到世界。需要切线、副切、几何法线组成 TBN。切线常由 CPU 在导入时算，进 Attribute。没有切线就用法线贴图，方向会随 UV 扭曲乱转。引擎导入 glTF 时自动带 TBN；裸写自己解析时这是坑。

vec3 nTex = texture2D(uNormal, vUv).xyz * 2.0 - 1.0;
vec3 n = normalize(TBN * nTex);
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PBR 镜面项要用粗糙度选环境立方体的 mip 级别：光滑采高层细节，粗糙采模糊层。CPU 必须生成或加载预滤波 mip。只丢一张未滤波天空进镜面，金属会像贴了张高对比壁纸。这是资产管线合同，不是 FS 一行 pow 能代替。

图：三种纹理坐标与用途

减槽与打包

ORM 打包：遮蔽、粗糙、金属放进一张图的三个通道，一次采样。CPU 资产要约定通道顺序，引擎 glTF 有惯例。乱打包会让金属变粗糙。移动端这是减单元占用的首选，比“砍掉法线”更值得。

立方体尺寸 256 往往够环境，2048 是给天空背景。同一套资产两份分辨率。压缩格式按平台回退，第 2.6 节那张矩阵在立方体上同样成立，只是份数乘六或用专用立方体压缩。

⚠️ 常见坑：法线贴图当 sRGB 解码，凹凸发紫或方向错。数据贴图走线性。颜色空间跟槽走，不跟“是不是图片”走。

💡 关键直觉：每加一个采样器，先问屏幕上能否看出差异。看不出，就不要加。PBR 清单不是开学必买文具。

程序化纹理：CPU 画 canvas 再上传，或 GPU 用 FS 生成噪声。噪声每帧生成是 GPU 税；一次生成进纹理是缓存。木纹、棋盘教学可用程序化；产品材质仍以资产为准。不要在生产 FS 里用一长串 sin 冒充大理石还当 PBR。

问题：没有美术资源能不能做 PBR？

能做公式，看起来像塑料球。PBR 的观感一半在贴图。缺贴图时用程序化值加一张 IBL，比乱填噪声图更诚实。等有 glTF 再填槽。引擎的默认球就是这个阶段。把它当最终品质会失望，把它当着色器是否跑通的探针刚刚好。

切线空间翻车现场，以及环境预滤波谁来做

镜像 UV 的网格，切线场容易反，法线贴图的凹凸左右颠倒。导入时检测 UV 面积符号，翻转切线。运行时发现“凹凸是凹的”，先查切线再查法线贴图是否重复压缩成 sRGB。两次错误会互相抵消成“看起来还行”，第三次改资产又全坏。只修一层，把抵消拆开。调试输出 TBN 的三个轴当颜色，比盯最终光照快。

环境预滤波：离线工具把立方体生成 mip，每层对应粗糙度。运行时按粗糙度选 lod。没有离线工具时，可在加载期用离屏对立方体做几次模糊写入 mip，那是 CPU 调度多次 GPU pass，启动更慢。查看器可接受三秒预热；游戏关卡加载条要算进去。不要每帧预滤波。预滤波是资产，不是效果开关。

视差遮挡、清漆层、各向异性高光，都是在 PBR 槽齐了之后的加料。加料前问屏幕占比。鞋子在商品页占 400 像素宽，视差可能值；缩略图 64 像素，视差等于噪声。效果路线按屏幕覆盖裁剪，与 2.6 的 4K 贴图问题同一把尺。

立方体动态更新：要反射周围动态物体，得每帧或每几帧从六个方向离屏画到立方体。六次场景绘制，CPU/GPU 税巨大。产品查看器通常用静态工作室环境。游戏里只给近处重要物体低频更新，或用屏幕空间反射代替。动态立方体不是“反射开关”，是六份视口。

图集与 PBR 冲突，以及流式 mip

PBR 多槽若打进同一图集，WRAP 与 mip 渗色会让金属度在边缘闪。ORM 可以打包，但不要和反照率图集混同一张重复平铺的砖。平铺砖单独 REPEAT。流式 mip：先上传低层尽快显示，高层后台补。CPU 管理层索引。引擎有时支持；裸写要注意 generateMipmap 会覆盖你手工层。手工流式就不要 generate。合同一次只选一种生成者。

对照问答：法线反、环境闪、槽位爆

凹凸左右反了？

切线场与镜像 UV。导入修切线。法线贴图绿通道约定也要与引擎一致。直接在 FS 里翻转切线可以应急。资产规范写明，避免每套模型现场翻。调试输出切线轴颜色。

金属反射像贴了张贴纸？

环境没有按粗糙度预滤波，或 lod 没连上。光滑应看到清晰环境，粗糙应糊。全是同一清晰度就是 mip 合同没建。加载期滤波或离线打链。不要用 pow 冒充滤波。

采样器不够用？

ORM 打包、减槽、合并。移动上限比桌面紧。PBR 全槽加阴影加 IBL 加后处理输入，单元会超。超了绑定静默错乱，材质串味。串味先数单元，再怀疑着色器。

工程备忘：槽位表与预滤波缓存

材质槽位表：反照率、法线、ORM、发光、环境。每槽颜色空间、缺省值、是否可选。加载按表填，缺可选槽用缺省。缺必选槽用粉占位。预滤波立方体构建期生成，运行时当资产。加载期滤波只给编辑器。动态立方体默认关，开了要限频率与物体白名单。切线导入失败拒绝网格，不要静默用法线贴图。拒绝信息写进加载日志。槽位超了优先 ORM 打包，再减发光，再减 IBL 分辨率。减的顺序写进表，避免现场吵架。

PBR 槽位按阶段开。第一周只有反照率的查看器是合格的。加法线要有切线，切线失败拒绝。加 ORM 要线性。加 IBL 要预滤波链。四步每步可停。停在第三步的产品仍然成立。动态立方体默认关，白名单空。打开要有频率，例如每十帧更新近处一个探针。没有频率等于六倍场景绘制。图集不放平铺砖。单元超限测试用最低端档位机。超了按表减槽：发光先走，IBL 降尺寸，再 ORM 已打包则减法线。减法线比黑屏好。串味时数 activeTexture，不要先改 GGX。GGX 不负责绑错单元。

阶段开槽写成加载器策略：缺切线则拒绝法线槽；缺预滤波则拒绝镜面 IBL，退回半球。拒绝要日志。静默用错槽比拒绝更糟，因为画面“还能看”，债会堆。堆到单元超限才爆串味。串味时已经难拆。策略把爆点提前到加载，加载失败比运行串味好修。

现场对照时只改一个变量。同时改版本、封装、通道，归因会消失。消失之后只能靠感觉，感觉正是本书要拆掉的东西。把改动写成一条，测完再写下一条。一条一条，四组对照才用得上。用不上的对照表只是装饰。装饰填不满格子，格子空着就不要标完工。纹理槽这一格改完，确认切线与预滤波，不要一次开齐五槽。

温故知新

• 坐标分家：2D 用 UV，立方体用方向，不能混。
• 法线要 TBN：切线是 CPU 导入责任。
• PBR 是多槽：颜色空间与过滤按槽不同。
• 粗糙对 mip：环境必须预滤波，公式才能对应。
• 打包减槽：ORM 是移动端常规，不是炫技。
• 阶段加槽：反照率 → 法线 → 金属粗糙环境，可停在任何一级。

下一节对照动画：物体级运动改矩阵，皮肤级变形把账交给 GPU 还是每帧改 VBO。