ARKit進階:材質(zhì)

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Scenekit lights and materials

光照與材質(zhì),是決定3D世界中的模型如何渲染的關(guān)鍵參數(shù)镜廉。許多時候模型的渲染對與不對捏雌,往往只是一種視覺的感受。由于不是測試驅(qū)動的捣郊,所以多數(shù)情況下痕囱,考驗的不是你的邏輯聂喇,而是不斷調(diào)試到理想的效果寻定。熟悉光照與材質(zhì)的著色方式儒洛,能夠快速定位與解決問題。

Materials

材質(zhì)指定了引擎如何在渲染階段對幾何體的每個像素著色狼速。
SceneKit 中琅锻,每個SCNMaterial有八個決定視覺感官的屬性(SCNMaterialProperty),其實就是3D建模時的光照貼圖向胡,當(dāng)然每個屬性也可以設(shè)置成純色恼蓬。SCNMaterial是可以復(fù)用的,但是要更改時僵芹,如果不想影響到其他模型处硬,最好先復(fù)制一份。

Order of materials

有人對 SceneKit 的每個幾何體都可以擁有一組材質(zhì)不理解拇派。他們是用來對幾何體子元素著色的郁油。如果幾何體的子元素與材質(zhì)數(shù)量對應(yīng),那么二者的索引是一一對應(yīng)的攀痊。這里的子元素桐腌,一般就是引擎根據(jù)幾何體頂點算出的多邊形面。
例如有一個box,那么顯然它是由6個多邊形面苟径,如果 box.materials 有6個材質(zhì)案站,那么每個面就應(yīng)用對應(yīng)的材質(zhì)。幾何體的子元素引用順序是固定的棘街,對于這個box蟆盐,多邊形引用順序是 front -> right -> back -> left -> top -> bottom。如果我們需要這個box只有頂面與底面顯示遭殉,其他面隱藏石挂,就可以這么設(shè)置:

self.boxGeometry.materials = @[transparentMaterial, transparentMaterial, 
transparentMaterial, transparentMaterial, topMaterial, bottomMaterial];

如果材質(zhì)與子元素的數(shù)量不匹配,那么按照求余的方式去映射险污。

elements[index] <-> materials[index % numOfMaterial]

Appearance of Material

材質(zhì)的表現(xiàn)由它的視覺屬性決定痹愚,它們都是SCNMaterialProperty對象。SceneKit在渲染場景時蛔糯,就是依據(jù)視覺屬性與光照來決定最終的像素顏色拯腮。

Material property

材質(zhì)所擁有的一組SCNMaterialProperty,被稱為視覺屬性蚁飒,它們決定了材質(zhì)“長什么樣”动壤。SCNMaterialProperty.content可以是純色(相當(dāng)于提供純色紋理)也可以是紋理, 或者數(shù)字(主要用于 roughness 等 physicallyBased 模式的屬性)。當(dāng)內(nèi)容是紋理時淮逻,SceneKit會采用紋理映射的方式采樣相應(yīng)的點作為材質(zhì)屬性琼懊。
紋理的讀取源有以下四種:

  1. UIImage
  2. 全景格式的圖像阁簸,如cube images(六張圖像)
  3. CALayer
  4. SpriteKit scene
  5. SKTexture, MDLTexture, MTLTexture, GLKTextureInfo

SceneKit cannot use a layer that is already being displayed elsewhere (for example, the backing layer of a UIView object).

在使用CALayer作為內(nèi)容時,如果是UIView.layer并且該UIView已經(jīng)添加到其他層級中哼丈,那么內(nèi)容設(shè)置會失效启妹。

visual properties

當(dāng)渲染材質(zhì)時,由材質(zhì)的光照模型lightModel確定要用到的視覺屬性(diffuse/specular/normal)削祈,再配合場景中的光照,計算出每個點的顏色脑漫。

  • diffuse

diffuse 指定了材質(zhì)對光照的漫反射髓抑。人眼看到物體,實際上人眼接收到物體的漫反射光优幸。所以diffuse實際上是物理的基本樣貌吨拍,任何光照模型都會用到diffuse這個最基本屬性。

diffuse

  • ambient

ambient指定了材質(zhì)對環(huán)境光的漫反射网杆。一般情況下羹饰,diffuse已經(jīng)包含環(huán)境光與方向光的漫反射,當(dāng)locksAmbientWithDiffuse為NO時碳却,ambient才會生效队秩。這個屬性只有在想突出環(huán)境光的情況下才會用到,一般diffuse已經(jīng)足夠昼浦,且效率更高馍资。

ambient

  • specular

specular指定了材質(zhì)的鏡面反射,关噪,用來表現(xiàn)材質(zhì)的光滑程度鸟蟹。這個很好理解,漫反射是對各個方向的反射光使兔,而鏡面反射的角度一般不超過90度建钥,角度越小看著越光滑。不管是 phong 還是 blinn-phong 光照模型虐沥,鏡面反射都與材質(zhì)的shininess相關(guān), shinness越大熊经,反射效果對比度越高,類似玻璃反射欲险。
specular map 的亮度與材質(zhì)的光滑程度成正比奈搜,specualr默認(rèn)是純黑色,即全粗糙表面盯荤。

specular

  • normal

normal指定了材質(zhì)表面每個點的法線方向馋吗,在處理光照時,會根據(jù)normal計算陰影秋秤。
在光滑的表面宏粤,normal提供了一種假的幾何凸起脚翘,而不用去增加幾何復(fù)雜度。在 normal map 時绍哎,normal紋理的 R, G, B, 就是材質(zhì)對應(yīng)點法向量的X, Y, Z来农。當(dāng)normal是純色時,normal map 會自動失效崇堰。

normal

  • reflective

relective指定了材質(zhì)對周圍環(huán)境的反射沃于。例如在樹林里和在房間里,材質(zhì)表面的反射效果應(yīng)該是不同的海诲,樹林的環(huán)境下材質(zhì)會泛綠繁莹。relective就用來做這件事,只需要將relective.content賦值為周圍環(huán)境的圖像特幔。

reflective

  • emission

emission指定了材質(zhì)表面發(fā)光(亮度較高)的位置咨演。emission并不能讓材質(zhì)發(fā)光,只不過在計算光照是蚯斯,emission 紋理中較亮的點不會參與到光照計算中薄风,使這些點在陰暗的環(huán)境下顯得更亮一些。emission默認(rèn)是純黑色拍嵌,相當(dāng)于提供了純黑的紋理遭赂,emission無效。

emission

  • transparent

transparent指定了材質(zhì)表面每個點的透明度横辆。不同于transparency控制整個材質(zhì)的透明度嵌牺,transparent精準(zhǔn)地控制每個點,其透明度等于 transparent 紋理的像素點 alpha 值龄糊。

transparent

  • multiply

multiply的內(nèi)容逆粹,會在材質(zhì)渲染完成之后,疊加在材質(zhì)之上炫惩。multiply默認(rèn)無效僻弹,內(nèi)容是純白色。

multiply

  • ambientOcclusion

ambientOcclusion他嚷,環(huán)境光遮蔽是一項用于提高模型細(xì)節(jié)的技術(shù)蹋绽。由于環(huán)境光是不產(chǎn)生陰影的,引擎只會渲染方向光的陰影筋蓖,這使得細(xì)節(jié)比較復(fù)雜的模型表現(xiàn)是真卸耘。傳統(tǒng)的環(huán)境光是依靠射線追蹤實現(xiàn)的,由于要處理每一個點粘咖,這種技術(shù)非常耗時蚣抗。對于靜態(tài)的模型,我們可以設(shè)置已經(jīng)計算好的環(huán)境光遮蔽圖瓮下,這樣既能夠有良好的細(xì)節(jié)翰铡,又不會造成大的性能損耗钝域。

ambient occlusion

Physically based properties

以下幾個屬性,只有 physicallyBased 光照模型下的材質(zhì)才有用锭魔,它們的效果比傳統(tǒng)的光照模型更真實例证,值得多多嘗試。

  • selfIllumination

selfIllumination 能會覆蓋物體的亮度計算結(jié)果, 能讓材質(zhì)自己定義表面的亮度迷捧。在昏暗的環(huán)境下织咧,模型由于不在光照范圍可能會模糊不清,這時使用selfIllumination可以調(diào)節(jié)模型的亮度漠秋。

  • metalness

metalness 顧名思義笙蒙,用來模擬材質(zhì)表面的金屬感。metalness 紋理的亮度決定材質(zhì)的金屬感膛堤,越亮越像金屬手趣。在設(shè)置 SCNScene.lightingEnvironment 后晌该,引擎會根據(jù)真實的反射肥荔、折射參數(shù)去模擬金屬表面的反光,效果很棒朝群。

metalness

  • roughness

roughnessspecular 相似燕耿,用來表現(xiàn)模型表面的光滑程度。roughness 的計算規(guī)則是模擬真實世界的物理參數(shù)姜胖,與specular相比少了一些塑料感誉帅。roughness 紋理的亮度決定越粗糙,越亮越粗糙右莱。

Light model of material

材質(zhì)的光照模型蚜锨,決定光照如何參與到材質(zhì)的著色計算中。對于沒有特殊需要的模型慢蜓,SceneKit team 推薦使用 physicallyBased亚再,它能根據(jù)實時的場景變化渲染出更加真實的效果。
SceneKit支持五種光照模型:

1. constant
在計算模型表面的顏色時晨抡,只考慮環(huán)境光氛悬。在我們不需要模型的self-shadows時,可以將模型設(shè)置成constant model耘柱。相關(guān)問題

2. physicallyBased
根據(jù)真實世界的光照與材質(zhì)效果如捅,渲染模型表面。physicallyBased 的算法對于lighting environment的反射效果非常好调煎,尤其是金屬材質(zhì)能以假亂真镜遣。
physicallyBased 主要根據(jù)材質(zhì)的 diffuse ,roughness, metalness ,ambientOcclusion來計算著色。

3. lambert
根據(jù)lambert算法渲染模型表面士袄,只考慮環(huán)境光與方向光在模型表面產(chǎn)生的漫反射烈涮。

color = ambient * al + diffuse * max(0, dot(N, L))

算法的公式就是將兩種不同光的漫反射效果相加朴肺,lambert 主要根據(jù)材質(zhì)的diffuseambient來計算著色。

4. phong
在計算Lambert漫反射的基礎(chǔ)上坚洽,加上了用phong算法計算的鏡面反射戈稿。

color = ambient * al + diffuse * max(0, dot(N, L)) + specular * pow(max(0, dot(R, E)), shininess)

公式的最后一項就是phong算法計算的鏡面反射。phong 主要根據(jù)材質(zhì)的diffuseambient, specular, shininess來計算著色讶舰。

5. blinn
在計算Lambert漫反射的基礎(chǔ)上鞍盗,加上了用blinn-phong算法計算的鏡面反射。blinn-phong 的鏡面反射光過渡更平滑跳昼,效果更真實般甲,也是大多數(shù)渲染管線的默認(rèn)光照模型。

color = ambient * al + diffuse * max(0, dot(N, L)) + specular * pow(max(0, dot(H, N)), shininess)

blinn 依據(jù)的材質(zhì)與 phong 一樣鹅颊,只有計算參數(shù)不同敷存。

Configuration of materials

除了設(shè)置材質(zhì)的視覺屬性和光照模型,我們還需要確定材質(zhì)渲染到場景中的規(guī)則堪伍。比較常用的有以下幾個:

transparency & transparencyMode
transparencyMode 為 aOne 時锚烦,SceneKit 提取 transparent 紋理的alpha通道值作為透明信息。
為 rgbZero 時帝雇,提取transparent 紋理的亮度信息作為透明信息涮俄。
對于材質(zhì)上的每一個點,SceneKit通過將transparencytransparent紋理映射點的透明信息相乘尸闸,獲得最終的像素透明度彻亲。transparency控制材質(zhì)整體的透明度,類似的效果也可以通過控制SCNNode.opacity來獲得吮廉。

blendMode
blendMode指定了材質(zhì)的像素點在渲染階段是如何與背景混合的苞尝。默認(rèn)
SCNBlendModeAlpha 模式依據(jù)各個混合像素點的alpha值,來確定最終顏色的透明度宦芦。比較有用的是SCNBlendModeAdd模式宙址,它指定在混合時,將各個混合像素的顏色相加踪旷,這會造成材質(zhì)的一種半透明感曼氛。

writesToDepthBuffer & readsFromDepthBuffer
SceneKit 在渲染每個像素點時,會比較像素的深度信息令野,若在同一位置有多個像素重合舀患,那么只渲染離攝像機最近的那個。深度緩沖技術(shù)依靠深度緩沖寄存器气破,比傳統(tǒng)的畫家算法要高效很多聊浅。這篇文章介紹的很不錯

writesToDepthBufferreadsFromDepthBuffer,前者影響其他物體的繪制,后者影響自己的繪制低匙,相互配合能解決一些比較棘手的問題旷痕,如繪制玩家數(shù)據(jù)時,它應(yīng)該始終在最上層顽冶,所以不用讀取深度緩沖欺抗。
在某些情況下,也可以用來嘗試解決深度沖突問題强重。

最后

材質(zhì)是決定模型表現(xiàn)最關(guān)鍵的因素绞呈,同時也是設(shè)計師與程序員能夠直接對接的環(huán)節(jié)。熟練掌握3D渲染的材質(zhì)相關(guān)知識间景,不僅能溝通起來事半功倍佃声,也能輕度參與到模型的視覺調(diào)整中,畢竟看起來舒服的東西才讓人更有動力參與倘要。

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