CesiumJS中基于八面体投影的环境贴图采样问题分析

概述

在CesiumJS 3D引擎中，基于图像的光照(IBL)系统使用了一种称为八面体投影立方体贴图(OctahedralProjectedCubeMap)的技术来实现环境光照。然而，开发者在实现过程中发现了一个重要的技术问题：当从较高编号(即较低分辨率)的mip级别采样环境贴图时，会出现明显的视觉伪影。

问题现象

在渲染金属粗糙度球体测试模型时，可以观察到反射光中出现了锐利的边界线。这些伪影特别在以下情况下更为明显：

1. 当使用修正后的粗糙度值进行mip级别选择时
2. 当移除了对6个mip级别的限制后，允许采样更高编号的mip级别时

在限制mip级别的情况下，虽然伪影不可见，但这导致了在所有粗糙度值下选择了错误的mip级别，使得低至中等粗糙度值的镜面反射看起来过于锐利。

技术背景

八面体投影是一种将立方体贴图转换为二维表示的技术，相比传统的球面投影或经纬度投影，它能够提供更均匀的采样分布和更小的变形。在CesiumJS中，这一技术被用于实现高效的环境光照计算。

问题根源分析

经过深入调查，发现问题的根源在于两个技术实现细节：

1. 纹理填充不足：当前实现的扁平八面体纹理没有为双线性插值提供足够的填充区域。虽然顶点设置基于相关论文中的图示，但没有正确实现论文中展示的用于渲染填充的特殊包装条件。

2. 硬编码的mip级别：在着色器代码中，实际渲染的mip级别数量是硬编码的，没有根据输入环境贴图的大小进行自适应调整。

解决方案方向

要解决这个问题，需要从以下两个方面进行改进：

1. 完善纹理填充：需要按照论文中的正确图示实现纹理填充，包括处理特殊的包装条件，确保在双线性插值时不会出现边界伪影。

2. 动态mip级别计算：修改着色器代码，使其能够根据输入环境贴图的实际尺寸动态计算可用的mip级别数量，而不是使用硬编码的值。

技术影响

这个问题的解决将直接影响CesiumJS中基于物理的渲染(PBR)质量，特别是：

• 提高高粗糙度材质反射的真实性
• 消除视觉伪影，提升整体渲染质量
• 使mip级别选择更加精确，符合物理正确的光照计算

结论

八面体投影立方体贴图是实时渲染中常用的高效技术，但在实现细节上需要特别注意纹理填充和mip级别处理。CesiumJS团队已经识别出了问题的根源，并提出了明确的改进方向。这一改进将显著提升引擎的渲染质量，特别是在处理复杂光照环境下的材质表现。