「iOS學習」學習SceneKit之材質

前言

前面我們介紹了幾何體的相關知識，這篇我將為大家介紹材質，那什麼是材質呢？簡單來說，就是你的幾何體的外觀，比如是什麼顏色，反光強度等等。那麼在SceneKit中我們可以改變幾何體的哪些外觀呢？接下來我將一一介紹。

光照模型

提到材質就不得不提到光照模型。在現實生活中，我們有太陽，日光燈，蠟燭等可以產生光的光源，光照射在物體上，不同的物體呈現出不同的質感，這些都是很平常的事情。但是在計算機里，想要使用光源照射3D模型，產生出想要的質感就不是那麼平常了。在OpenGL中，我們需要使用Shader根據提供的材質參數和光照來計算每個像素的顏色，從而產生物體被光照射的感覺。想要了解Shader中是如何實現光照模型的可以看我的兩篇文章基本光照和高級光照。其中有涉及到lambert和blinn兩種光照模型。下面我將結合SceneKit簡單的介紹這兩種光照模型。

Lambert

在SceneKit中，使用SCNMaterial來表示材質。SCNMaterial的一個屬性lightingModel表示的就是使用何種光照模型。如果我們選擇Lambert光照模型，並且設置如下屬性，並且把material賦給球形幾何體geometry。

那麼渲染出來的球體將會如下所示。

我們使用的燈光在(0,6,3)處，所以球體上面是照射到燈光的，下面是灰色的。這裡涉及到了兩個光照分量，diffuse和ambient。diffuse表示幾何體的本色，所以燈光照射到的部分就是本色紅色，注意我用的燈光是白色的，如果燈光是其他顏色，則會和幾何體的本色混合，也就是兩個顏色進行3維向量乘法。那燈光照射不到的地方呢？就是ambient環境光。環境光的出現是為了讓燈光照射不到的地方不會是全黑，你可以試試把環境光改成其他顏色，看看渲染結果如何。由於PBR光照模型中ambient和diffuse是鎖定的，所以需要把locksAmbientWithDiffuse設置為false，否則ambient只能和diffuse取相同的值。關於PBR光照模型我會在後面的文章單獨介紹。最後將material賦值給幾何體，這裡material是被放在一個數組裡賦值的，如果你的幾何體有多個element，系統會根據順序為每個element提供不同的材質。第n個element會得到第n%材質個數個材質。

diffuse還和法線相關，法線和光線的夾腳越小，則越亮。法線就是上一篇代碼里的normals。

總的來說，Lambert模型就是最終顏色=光線和法線夾腳係數*光照顏色*本色diffuse + 環境色ambient。

Blinn

Blinn光照模型其實就是在lambert基礎上加上高光，我們將光照模型修改為.blinn，再設置高光的屬性。

material.lightingModel = .blinn

當光線被反射后和我們視線的夾腳比較小的時候，在金屬或者玻璃等反光材質下，會看到非常亮的區域，我們稱之為高光。越是光滑的物體，高光區域會越小。我們用shininess來表示物體的表面有多閃（光滑），它的值從0到1。值越大，越光滑。下面是值為0.2和1的效果圖。material.specular表示高光的顏色，不過最終呈現的高光顏色受material.specular和燈光的顏色共同影響，是它們顏色值的三維向量相乘。

shininess = 0.2

shininess = 1.0

材質參數的取值

上面我只給材質的參數賦予了顏色值，除了顏色，還可以賦予貼圖，或者說是圖片。diffuse和specular都是可以接受圖片對象的。比如給diffuse賦值一張地球的貼圖。

從google淘來的地球貼圖

效果如下。

specular接受的貼圖就比較特殊，是一張黑白兩色的圖。圖中黑色對應的地方將沒有高光。

下面兩張圖分別是使用了和沒使用specular貼圖的效果圖。第一張圖中明顯大海部分沒有高光。

使用了specular貼圖

沒有使用specular貼圖

不管是什麼貼圖，都是需要幾何體提供UV數據的，也就是所謂的貼圖坐標，在上一篇的代碼中有涉及到。

系統提供的球形幾何體已經有了UV數據，所以才可以輕鬆的進行貼圖，關於貼圖的更多信息，會在後面的文章中介紹，或者你也可以去看我寫的基於OpenGL的貼圖文章。

反射貼圖

SceneKit還提供了反射貼圖功能，可以使用CubeMap或者SphereMap來當作環境貼圖。這裡我只為大家演示一下，更深入的介紹會在後面的文章中進行。下面是設置反射貼圖的代碼。cube-X.jpg等圖片都在demo項目中。

效果圖如下。是不是有一種被玻璃包裹的感覺。反射貼圖主要就是通過對CubeMap或者SphereMap的反射，模擬物體反射周圍環境的一種技術。

法線貼圖

我們上面有說過我們會給幾何體提供法線數據，但是這些數據是每個頂點才有一個，頂點之間區域的法線就只能通過線性插值來計算了。法線貼圖則是通過貼圖的方式來彌補這一缺陷，更多原理性質的介紹就不在這展開了，下面是例子用的法線貼圖。

通過CrazyBump生成

代碼設置也很簡單。

效果如下。是不是瞬間有了凹凸感。

總結

這篇文章主要介紹了材質的一些基本功能，還有很多其他的功能是沒有提到的。東西其實很多，要在一篇文章中全部鋪開不現實，看完這一篇讀者心中對光照模型和材質有個基本了解就可以了。後面的文章會針對材質中比較複雜的特性逐一進行深入介紹。