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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)。許多時(shí)候模型的渲染對(duì)與不對(duì)，往往只是一種視覺的感受。由于不是測(cè)試驅(qū)動(dòng)的，所以多數(shù)情況下，考驗(yàn)的不是你的邏輯，而是不斷調(diào)試到理想的效果。熟悉光照與材質(zhì)的著色方式，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(duì)幾何體的每個(gè)像素著色。
SceneKit 中，每個(gè)SCNMaterial有八個(gè)決定視覺感官的屬性（SCNMaterialProperty），其實(shí)就是3D建模時(shí)的光照貼圖，當(dāng)然每個(gè)屬性也可以設(shè)置成純色。SCNMaterial是可以復(fù)用的，但是要更改時(shí)，如果不想影響到其他模型，最好先復(fù)制一份。

Order of materials

有人對(duì) SceneKit 的每個(gè)幾何體都可以擁有一組材質(zhì)不理解。他們是用來對(duì)幾何體子元素著色的。如果幾何體的子元素與材質(zhì)數(shù)量對(duì)應(yīng)，那么二者的索引是一一對(duì)應(yīng)的。這里的子元素，一般就是引擎根據(jù)幾何體頂點(diǎn)算出的多邊形面。
例如有一個(gè)box,那么顯然它是由6個(gè)多邊形面，如果 box.materials 有6個(gè)材質(zhì)，那么每個(gè)面就應(yīng)用對(duì)應(yīng)的材質(zhì)。幾何體的子元素引用順序是固定的，對(duì)于這個(gè)box，多邊形引用順序是 front -> right -> back -> left -> top -> bottom。如果我們需要這個(gè)box只有頂面與底面顯示，其他面隱藏，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。

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

Appearance of Material

材質(zhì)的表現(xiàn)由它的視覺屬性決定，它們都是SCNMaterialProperty對(duì)象。SceneKit在渲染場(chǎng)景時(shí)，就是依據(jù)視覺屬性與光照來決定最終的像素顏色。

Material property

材質(zhì)所擁有的一組SCNMaterialProperty，被稱為視覺屬性，它們決定了材質(zhì)“長(zhǎng)什么樣”。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(shí)，SceneKit會(huì)采用紋理映射的方式采樣相應(yīng)的點(diǎn)作為材質(zhì)屬性。
紋理的讀取源有以下四種：

1. UIImage
2. 全景格式的圖像，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(shí)，如果是UIView.layer并且該UIView已經(jīng)添加到其他層級(jí)中，那么內(nèi)容設(shè)置會(huì)失效。

visual properties

當(dāng)渲染材質(zhì)時(shí)，由材質(zhì)的光照模型lightModel確定要用到的視覺屬性（diffuse/specular/normal），再配合場(chǎng)景中的光照，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的顏色。

• diffuse

diffuse 指定了材質(zhì)對(duì)光照的漫反射。人眼看到物體，實(shí)際上人眼接收到物體的漫反射光。所以diffuse實(shí)際上是物理的基本樣貌，任何光照模型都會(huì)用到diffuse這個(gè)最基本屬性。

diffuse

• ambient

ambient指定了材質(zhì)對(duì)環(huán)境光的漫反射。一般情況下，diffuse已經(jīng)包含環(huán)境光與方向光的漫反射，當(dāng)locksAmbientWithDiffuse為NO時(shí)，ambient才會(huì)生效。這個(gè)屬性只有在想突出環(huán)境光的情況下才會(huì)用到，一般diffuse已經(jīng)足夠，且效率更高。

ambient

• specular

specular指定了材質(zhì)的鏡面反射，，用來表現(xiàn)材質(zhì)的光滑程度。這個(gè)很好理解，漫反射是對(duì)各個(gè)方向的反射光，而鏡面反射的角度一般不超過90度，角度越小看著越光滑。不管是 phong 還是 blinn-phong 光照模型，鏡面反射都與材質(zhì)的shininess相關(guān), shinness越大，反射效果對(duì)比度越高，類似玻璃反射。
specular map 的亮度與材質(zhì)的光滑程度成正比，specualr默認(rèn)是純黑色，即全粗糙表面。

specular

• normal

normal指定了材質(zhì)表面每個(gè)點(diǎn)的法線方向，在處理光照時(shí)，會(huì)根據(jù)normal計(jì)算陰影。
在光滑的表面，normal提供了一種假的幾何凸起，而不用去增加幾何復(fù)雜度。在 normal map 時(shí)，normal紋理的 R, G, B, 就是材質(zhì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)法向量的X, Y, Z。當(dāng)normal是純色時(shí)，normal map 會(huì)自動(dòng)失效。

normal

• reflective

relective指定了材質(zhì)對(duì)周圍環(huán)境的反射。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，樹林的環(huán)境下材質(zhì)會(huì)泛綠。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。

reflective

• emission

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

emission

• transparent

transparent指定了材質(zhì)表面每個(gè)點(diǎn)的透明度。不同于transparency控制整個(gè)材質(zhì)的透明度，transparent精準(zhǔn)地控制每個(gè)點(diǎn)，其透明度等于 transparent 紋理的像素點(diǎn) alpha 值。

transparent

• multiply

multiply的內(nèi)容，會(huì)在材質(zhì)渲染完成之后，疊加在材質(zhì)之上。multiply默認(rèn)無效，內(nèi)容是純白色。

multiply

• ambientOcclusion

ambientOcclusion，環(huán)境光遮蔽是一項(xiàng)用于提高模型細(xì)節(jié)的技術(shù)。由于環(huán)境光是不產(chǎn)生陰影的，引擎只會(huì)渲染方向光的陰影，這使得細(xì)節(jié)比較復(fù)雜的模型表現(xiàn)是真。傳統(tǒng)的環(huán)境光是依靠射線追蹤實(shí)現(xiàn)的，由于要處理每一個(gè)點(diǎn)，這種技術(shù)非常耗時(shí)。對(duì)于靜態(tài)的模型，我們可以設(shè)置已經(jīng)計(jì)算好的環(huán)境光遮蔽圖，這樣既能夠有良好的細(xì)節(jié)，又不會(huì)造成大的性能損耗。

ambient occlusion

Physically based properties

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

• selfIllumination

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

• metalness

metalness 顧名思義，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，越亮越像金屬。在設(shè)置 SCNScene.lightingEnvironment 后，引擎會(huì)根據(jù)真實(shí)的反射、折射參數(shù)去模擬金屬表面的反光，效果很棒。

metalness

• roughness

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

Light model of material

材質(zhì)的光照模型，決定光照如何參與到材質(zhì)的著色計(jì)算中。對(duì)于沒有特殊需要的模型，SceneKit team 推薦使用 physicallyBased，它能根據(jù)實(shí)時(shí)的場(chǎng)景變化渲染出更加真實(shí)的效果。
SceneKit支持五種光照模型：

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

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

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

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，lambert 主要根據(jù)材質(zhì)的diffuse與ambient來計(jì)算著色。

4. phong
在計(jì)算Lambert漫反射的基礎(chǔ)上，加上了用phong算法計(jì)算的鏡面反射。

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

公式的最后一項(xiàng)就是phong算法計(jì)算的鏡面反射。phong 主要根據(jù)材質(zhì)的diffuse與ambient, specular, shininess來計(jì)算著色。

5. blinn
在計(jì)算Lambert漫反射的基礎(chǔ)上，加上了用blinn-phong算法計(jì)算的鏡面反射。blinn-phong 的鏡面反射光過渡更平滑，效果更真實(shí)，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，只有計(jì)算參數(shù)不同。

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(chǎng)景中的規(guī)則。比較常用的有以下幾個(gè)：

transparency & transparencyMode
transparencyMode 為 aOne 時(shí)，SceneKit 提取 transparent 紋理的alpha通道值作為透明信息。
為 rgbZero 時(shí)，提取transparent 紋理的亮度信息作為透明信息。
對(duì)于材質(zhì)上的每一個(gè)點(diǎn)，SceneKit通過將transparency與transparent紋理映射點(diǎn)的透明信息相乘，獲得最終的像素透明度。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。

blendMode
blendMode指定了材質(zhì)的像素點(diǎn)在渲染階段是如何與背景混合的。默認(rèn)
SCNBlendModeAlpha 模式依據(jù)各個(gè)混合像素點(diǎn)的alpha值，來確定最終顏色的透明度。比較有用的是SCNBlendModeAdd模式，它指定在混合時(shí)，將各個(gè)混合像素的顏色相加，這會(huì)造成材質(zhì)的一種半透明感。

writesToDepthBuffer & readsFromDepthBuffer
SceneKit 在渲染每個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，會(huì)比較像素的深度信息，若在同一位置有多個(gè)像素重合，那么只渲染離攝像機(jī)最近的那個(gè)。深度緩沖技術(shù)依靠深度緩沖寄存器，比傳統(tǒng)的畫家算法要高效很多。這篇文章介紹的很不錯(cuò)

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

最后

材質(zhì)是決定模型表現(xiàn)最關(guān)鍵的因素，同時(shí)也是設(shè)計(jì)師與程序員能夠直接對(duì)接的環(huán)節(jié)。熟練掌握3D渲染的材質(zhì)相關(guān)知識(shí)，不僅能溝通起來事半功倍，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(dòng)力參與。