基于 1.21.11 核心着色器的天空盒技术实现

MC作死狼王

摘要：本文记录一种仅使用原版资源包，利用太阳和月亮纹理，把太阳贴图扩展为全屏、六面无缝的天空盒的完整技术路线。全文以着色器为核心，逐项推导顶点/片元两阶段的数学原理，包括投影逆推、插值恒等式、正交求逆、立方体贴图映射、线性滤波权重等。同时探讨了本技术的一个固有缺陷：使用/time命令更改时间时会产生固定的相位偏差，给出该问题验证方法、影响范围与规避方案。

1. 背景与目标

为了达到渲染天空盒的目的，太阳和月亮纹理可以帮到我们。思路是：

把太阳始终固定在玩家视线方向（屏幕中央），月亮保持在原位置
太阳贴图放大为全屏，作为载体渲染一个六面无缝的自定义天空盒

并以此实现三种模式：

原版一致
固定的天空盒
随时间滚动的天空盒

且还需要适配任意的分辨率、FOV、和纹理尺寸。

注意

在开始阅读前，请下载成品资源包（备用载点），打开放到一边
为了简洁，文章内将不再完整贴出着色器的源代码

2. 原版日月渲染

先来研究一下原版日月渲染流程。

(1) 管线与着色器：pipeline/celestial

其定义为复用core/position_tex着色器。游戏中，该着色器程序仅此一个使用者，因此覆盖core/position_tex只影响日月和末地闪光。

(2) 顶点数据与变换模型：太阳和月亮（包括所有月相）共用同一几何：

顶点：(−1,0,−1) (1,0,−1) (1,0,1) (−1,0,1)      // 单位四边形，X-Z 平面
UV  ：celestials atlas 中对应精灵的边界 (u0,v0,u1,v1)

绘制时对 ModelViewStack（JOML Matrix4fStack，后进先出的矩阵栈）执行：

操作	栈顶内容	说明
pushMatrix	V（相机视图旋转，栈基座）	压栈备份当前矩阵
mul(SkyRot)	$V × SkyRot$	天球旋转（含时间旋转）
translate(0,100,0)	$V × SkyRot × T$	太阳距离 100
scale(S,1,S)	$V × SkyRot × T × S$	太阳尺寸 S（见下表）
上传 DynamicTransforms	ModelViewMat $=$ 栈顶	即着色器收到的 MVM
popMatrix	$V$	弹栈还原，供月亮/末地/世界继续使用

对象	缩放 S	四边形
太阳	30	单位四边形 ×1
月亮（8 相位）	20	单位四边形 ×8（索引偏移 = 相位×4）
末地闪光	60	单位四边形 ×1

(3) 混合模式：BlendFunction.OVERLAY = (SRC_ALPHA, ONE, ONE, ZERO)，即

$最终像素 = 贴图.rgb × α + 背景.rgb$

2.1 有关双时钟

我们需要关注相关的两个时间

daytime：/time set 修改的对象，doDaylightCycle 冻结的对象。太阳的角度根据这个时间变化，即 $θ = f(daytime)$ 。
gametime：自世界创建持续累加的游戏刻计数，/time query gametime的查询目标

着色器中，Globals.GameTime uniform 的取值为(gametime % 24000L) + gez.a(false)) / 24000f。它的范围为0..1，和daytime无关。

3. 总体设计：数据流与中间变量

现在，来关注一下我们的着色器。

游戏会先渲染出天空背景（pipeline/sky），之后是星星，再然后是日月。我们可以通过资源包覆盖着色器，在渲染星星之后介入这个过程：

修改sky.fsh，将天空背景更改为纯黑。
修改position_tex.vsh，按 |MVM 列| 特判太阳，在需要时将太阳的纹理铺满整个天空。
修改position_tex.fsh，月亮可以直接原样采样。太阳则可以根据我们想要的效果任意调整，制作天空盒。

顶点着色器 → 片元着色器的中间变量：

变量	类型	含义	传递性质
`texCoord0`	`vec2`	原始 atlas UV	逐三角形透视校正插值
`oPosition`	`vec3`	单位四边形坐标	屏幕归一化参数 t/s 的唯一来源
`isSunV`	`float`	1=太阳，0=月亮或末地闪光	常量传递
`sunRayView`	`vec3`	视空间未归一化视线方向	恒定深度平面上的屏幕线性场
`uPair` 和 `vPair`	`vec2`	精灵图边界拆分	`(u0(1−t), u1 t)` / `(v0(1−s), v1 s)`

三种模式（SUN_MODE）统一在 skybox_config.glsl 中定义：

0 = 原版一致
1 = 天空盒随时间滚动
2 = 天空盒时间定格

4. 着色器实现详解

4.1 顶点着色器 `position_tex.vsh`

4.1.1 绘制目标的识别

glsl

float celestialScale = length(ModelViewMat[0].xyz);

MVM 的 X 轴列 $= MVM \cdot \begin{bmatrix}1\\0\\0\\0\end{bmatrix} = V \cdot SkyRot \cdot \begin{bmatrix}S\\0\\0\\0\end{bmatrix}$

旋转与平移保持长度，故 |MVM[0]| = S（30/20/60）。同时我们知道目标的几何特征是一个单位四边形且其 $Position.y≈0$ ，所以在着色器内即可完成绘制对象的分类。

4.1.2 全屏四边形（投影矩阵逆推）

x_{ndc} = \operatorname{ProjMat}[0][0] · x_{\text{view}} / −z_{\text{view}}\\ y_{ndc} = \operatorname{ProjMat}[1][1] · y_{\text{view}} / −z_{\text{view}}

取与原版中日月的视空间距离 $z_{\text{view}view} = −D$ （D=100）：

glsl

float halfW = D / ProjMat[0][0];
float halfH = D / ProjMat[1][1];
viewPos = vec3(Position.x * halfW, Position.z * halfH, −D);

FOV,分辨率，和宽高比的适配都能完全由ProjMat负责。

4.1.3 视线射线的精确插值（透视校正）

未归一化视线方向 ${\text{ray}} = (x_{\text{view}}, y_{\text{view}}, −D)$ 在恒定深度平面上是屏幕坐标的仿射函数；三角形顶点属性插值对常量深度平面即为屏幕线性（透视校正因子w = D）。故：

glsl

sunRayView = vec3(Position.x * halfW, Position.z * halfH, -D);

$\operatorname{normalize}(\operatorname{sunRayView})$ 即为穿越该像素精确的视线方向。

4.1.4 精灵边界拆分（插值恒等式）

四角 UV 与坐标的对应关系，按角点拆分输出：

glsl

uPair = (Position.x < 0.0) ? vec2(UV0.x, 0.0) : vec2(0.0, UV0.x);
vPair = (Position.z < 0.0) ? vec2(UV0.y, 0.0) : vec2(0.0, UV0.y);

插值后（仍为屏幕线性）：uPair.x = u0(1−t)、uPair.y = u1·t。两个恒等式只与 t/s 有关，任意像素成立，从而精确反解边界；贴图尺寸/内容可任意更换。

4.2 片元着色器 `position_tex.fsh`

4.2.1 边界反解（t/s 重建与数值稳定性）

glsl

float t = clamp(0.5 * (oPosition.x + 1.0), 0.0, 1.0);   // oPosition.x 插值 = 2t−1
float s = clamp(0.5 * (oPosition.z + 1.0), 0.0, 1.0);
float u0 = uPair.x / max(1.0 - t, 1e-4);   // 0/0 可去型：分子同阶趋于 0
…

除法在t接近1的边界时可能出现奇点，max(1.0 - t, 1e-4)仅作除零保护。

4.2.2 模式 0：与原版一致

顶点着色器恢复原版变换（MVM·Position），片元恢复原版采样：

glsl

fragColor = color * ColorModulator;   // 且 alpha==0 → discard（与原版 position_tex.fsh 一致）

4.2.3 模式 1/2：天空盒

(a) 视线方向：见 4.1.3，normalize(sunRayView)。

(b) 天球坐标系变换（正交求逆）：

glsl

mat3 m = mat3(ModelViewMat);
vec3 c0 = normalize(m[0]); vec3 c1 = normalize(m[1]); vec3 c2 = normalize(m[2]);
vec3 dir = normalize(transpose(mat3(c0, c1, c2)) * dirView);

mat3(MVM) 取旋转+缩放部分；列需要归一化消除非均匀缩放，否则方向会被斜切。
旋转矩阵正交 ⇒ R⁻¹ = Rᵀ，该运算直接完成“视空间 → 天球系”的转换。
得到的 dir 与日月共享同一天空坐标系。

c) 倾角校正（天球系滚转）：

glsl

dir = rot_x(radians(SKY_ROLL_FIX_DEG)) * dir;

天球系内嵌 −90°X，会令“顶上”不在世界的天顶，需要SKY_ROLL_FIX_DEG（0/±90/180）校正。

c2) 时间定格（仅模式2）：

glsl

float dayFrac = GameTime;            // Globals.GameTime：0..1 日进度
float fixFrac = fract(SKY_FIXED_TIME / 24000.0);
float delta   = (fixFrac - dayFrac) * 6.28318530718 * SKY_TIME_RATE;
dir = rot_fix_axis(SKY_TIME_DIR * delta) * dir;

语义：盒体保持世界锚定，把当前时刻校正到 SKY_FIXED_TIME 的朝向；
GameTime 已是0..1的太阳进度，可以直接使用；
校正为绕 SKY_FIX_AXIS（0=X/1=Y/2=Z）指定轴的纯方位旋转；SKY_TIME_DIR 控制旋向，SKY_TIME_RATE 为速率倍率（正常 1.0）；
局限：上面说过，GameTime的数据来自游戏刻，而日月由daytime。驱动。连续漂移可完全抵消这一差别，但/time set造成的相位跳变不在补偿范围。详见下的缺陷部分。

d) 立方体贴图映射（主导轴 + 面内 UV）：

先按主导轴定面，再用其余两轴作面内 UV。公式采用公认约定，u向右方、v=0为块顶 = 天空朝上：

面	公式（ad = abs(dir) 的各分量）
+Y 顶	$u = 0.5+0.5\times x/\text{ad.y}$ ， $v = 0.5+0.5\times z/\text{ad.y}$
−Y 底	$u = 0.5+0.5\times x/\text{ad.y}$ ， $v = 0.5−0.5\times z/\text{ad.y}$
+Z 前	$u = 0.5+0.5\times x/\text{ad.z}$ ， $v = 0.5−0.5\times y/\text{ad.z}$
−Z 后	$u = 0.5−0.5\times x/\text{ad.z}$ ， $v = 0.5−0.5\times y/\text{ad.z}$
+X 右	$u = 0.5−0.5\times z/\text{ad.x}$ ， $v = 0.5−0.5\times y/\text{ad.x}$
−X 左	$u = 0.5+0.5\times z/\text{ad.x}$ ， $v = 0.5−0.5\times y/\text{ad.x}$

无缝性论证：任意相邻棱上 (u,v) 数值与变化率连续。
例：+Z 面右棱（x=z>0,u=1）与 +X 面左棱（z=x>0,u=0）对应同一组世界方向，且两面的 v 表达式同为 0.5−0.5*y/*。

e) 方向校准（烘焙固定值）：

glsl

faceUV.y = 1.0 - faceUV.y;    // 六面统一

推导：先水平镜像 (u,v)→(1−u,v) 再旋转 180° (1−u,v)→(u,1−v)，两步复合 = 垂直翻转，与成品贴图方向一致。

f) 采样、边界混合，与高透明度丢弃：

glsl

vec2 atlasUV = vec2(u0 + (u1-u0) * localUV.x, v0 + (v1-v0) * localUV.y);
vec4 sky = texture(Sampler0, atlasUV);
if (sky.a < ALPHA_DISCARD) discard;
fragColor = vec4(sky.xyz, 1.0);

localUV(精灵内 0~1) 经边界仿射映射到 atlas 绝对坐标；
atlas 为线性过滤：每块边界处结果 = 相邻纹素加权平均。邻块为透明空隙时，边界的透明度被稀释，会产生1像素的细缝。为了修复，贴图内为每个面加 1px 不透明边框（复制旁边的像素），配合 CELL_MARGIN=0 铺满整块采样。

5. 混合与“雾感”问题

上文提过，我们覆盖了 core/sky.fsh 使天空背景输出纯黑的颜色。若不这么做，白天天空盒会泛白发灰。
这是因为，BlendFunction.OVERLAY为加法混合最终色 = 贴图 × α + 背景。白天时，背景为亮色的雾天空（FogColor），整个背景都会被叠加进天空盒。

6. 参数总表

参数	当前值	说明
`SUN_MODE`	2	0=原版一致；1=天空盒随时间滚动；2=天空盒世界锚定+时间定格
`SKY_FIXED_TIME`	6000.0	模式 2 定格时刻（tick/天，0..24000；6000=正午，12000=日落，18000=午夜）
`SKY_TIME_DIR`	1.0	模式 2 定格旋向（±1）
`SKY_FIX_AXIS`	0	模式 2 时间旋转轴（0=X/1=Y/2=Z；实测锁定 X）
`SKY_TIME_RATE`	1.0	模式 2 速率倍率（正常 1.0）
`SKY_DEBUG_AXES`	0	1=方向轴可视化（R=X,G=Y,B=Z），诊断用
`SKY_ROLL_FIX_DEG`	180.0	模式 1/2 倾角校正（0/±90/180）
`CELL_MARGIN`	0.0	块内采样边距（0=铺满整块）
`ALPHA_DISCARD`	0.01	空隙 alpha 阈值
`SUN_SCALE`	30.0	太阳识别缩放（±1.5 容差）
`NEAR_PLANE`	100.0	天空盒视空间距离

7. 文件清单

SkyCubeShader/
├── pack.mcmeta
└── assets/minecraft/
    ├── shaders/
    │   ├── include/
    │   │   └── skybox_config.glsl     ← 配置文件
    │   └── core/
    │       ├── position_tex.vsh      ← 日月顶点着色器
    │       ├── position_tex.fsh      ← 日月片元着色器
    │       ├── sky.vsh               ← 天空背景顶点着色器：固定旋转替代 MVM
    │       └── sky.fsh               ← 天空背景改纯黑
    ├── textures/environment/celestial/   ← 六面天空盒贴图
    │   └── moon/*.png
    └── atlases/celestials.json   ← celestials atlas 定义

8. 已知限制与缺陷

8.1 双时间问题

模式 2 的补偿 delta = (SKY_FIXED_TIME − GameTime) 只能抵消固定的时间漂移。当使用/time set更改时间时，太阳的位置将产生跳变，但补偿量不变。这会导致天空盒出现一个固定角度的偏移。

着色器无法消除这种偏移，因此该模式只建议在时间固定的情境下使用。

8.2 其他限制

混合函数不可改：OVERLAY（加法）由 CPU 端管线定义，资源包无法修改。纯色方案依赖纯黑背景，这牺牲了原版的天空渐变。若需真正透明度混合，将不再是纯原版资源包可以实现的范围。
世界帧不可分解： $MVM_{rot} = V·R(θ)$ ， $V$ 的3自由度+ θ的 $1$ 自由度 $= 4$ 个未知，但我们只有三个方程。因此任意 $θ′$ 都可配一个 $V′$ 生成同一矩阵——因此“纯着色器提取世界帧/时间”不存在闭式解；
FOV 范围：ProjMat只适配常规投影，超广角或伪鱼眼不在设计内。

基于 1.21.11 核心着色器的天空盒技术实现

MC作死狼王

1. 背景与目标 ​

2. 原版日月渲染 ​

2.1 有关双时钟 ​

3. 总体设计：数据流与中间变量 ​

4. 着色器实现详解 ​

4.1 顶点着色器 position_tex.vsh ​

4.1.1 绘制目标的识别 ​

4.1.2 全屏四边形（投影矩阵逆推） ​

4.1.3 视线射线的精确插值（透视校正） ​

4.1.4 精灵边界拆分（插值恒等式） ​

4.2 片元着色器 position_tex.fsh ​

4.2.1 边界反解（t/s 重建与数值稳定性） ​

4.2.2 模式 0：与原版一致 ​

4.2.3 模式 1/2：天空盒 ​

5. 混合与“雾感”问题 ​

6. 参数总表 ​

7. 文件清单 ​

8. 已知限制与缺陷 ​

8.1 双时间问题 ​

8.2 其他限制 ​

1. 背景与目标

2. 原版日月渲染

2.1 有关双时钟

3. 总体设计：数据流与中间变量

4. 着色器实现详解

4.1 顶点着色器 `position_tex.vsh`

4.1.1 绘制目标的识别

4.1.2 全屏四边形（投影矩阵逆推）

4.1.3 视线射线的精确插值（透视校正）

4.1.4 精灵边界拆分（插值恒等式）

4.2 片元着色器 `position_tex.fsh`

4.2.1 边界反解（t/s 重建与数值稳定性）

4.2.2 模式 0：与原版一致

4.2.3 模式 1/2：天空盒

5. 混合与“雾感”问题

6. 参数总表

7. 文件清单

8. 已知限制与缺陷

8.1 双时间问题

8.2 其他限制