学习SceneKit之材质

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前言

前面我们介绍了几何体的相关知识，这篇我将为大家介绍材质，那什么是材质呢？简单来说，就是你的几何体的外观，比如是什么颜色，反光强度等等。那么在SceneKit中我们可以改变几何体的哪些外观呢？接下来我将一一介绍。

光照模型

提到材质就不得不提到光照模型。在现实生活中，我们有太阳，日光灯，蜡烛等可以产生光的光源，光照射在物体上，不同的物体呈现出不同的质感，这些都是很平常的事情。但是在计算机里，想要使用光源照射3D模型，产生出想要的质感就不是那么平常了。在OpenGL中，我们需要使用Shader根据提供的材质参数和光照来计算每个像素的颜色，从而产生物体被光照射的感觉。想要了解Shader中是如何实现光照模型的可以看我的两篇文章基本光照和高级光照。其中有涉及到lambert和blinn两种光照模型。下面我将结合SceneKit简单的介绍这两种光照模型。

Lambert

在SceneKit中，使用SCNMaterial来表示材质。SCNMaterial的一个属性lightingModel表示的就是使用何种光照模型。如果我们选择Lambert光照模型，并且设置如下属性，并且把material赋给球形几何体geometry。

let material = SCNMaterial()
material.lightingModel = .lambert
material.diffuse.contents = UIColor.red
material.ambient.contents = UIColor.init(white: 0.1, alpha: 1)
material.locksAmbientWithDiffuse = false
geometry.materials = [material]

那么渲染出来的球体将会如下所示。

我们使用的灯光在 (0,6,3)处，所以球体上面是照射到灯光的，下面是灰色的。这里涉及到了两个光照分量， diffuse和 ambient。 diffuse表示几何体的本色，所以灯光照射到的部分就是本色红色，注意我用的灯光是白色的，如果灯光是其他颜色，则会和几何体的本色混合，也就是两个颜色进行3维向量乘法。那灯光照射不到的地方呢？就是 ambient环境光。环境光的出现是为了让灯光照射不到的地方不会是全黑，你可以试试把环境光改成其他颜色，看看渲染结果如何。由于PBR光照模型中 ambient和 diffuse是锁定的，所以需要把 locksAmbientWithDiffuse设置为 false，否则 ambient只能和 diffuse取相同的值。关于PBR光照模型我会在后面的文章单独介绍。最后将 material赋值给几何体，这里 material是被放在一个数组里赋值的，如果你的几何体有多个element，系统会根据顺序为每个element提供不同的材质。第n个element会得到第 n%材质个数个材质。

diffuse还和法线相关，法线和光线的夹脚越小，则越亮。法线就是上一篇代码里的normals。

总的来说，Lambert模型就是最终颜色=光线和法线夹脚系数*光照颜色*本色diffuse + 环境色ambient。

Blinn

Blinn光照模型其实就是在lambert基础上加上高光，我们将光照模型修改为.blinn，再设置高光的属性。

material.lightingModel = .blinn
material.specular.contents = UIColor.white
material.shininess = 1.0

当光线被反射后和我们视线的夹脚比较小的时候，在金属或者玻璃等反光材质下，会看到非常亮的区域，我们称之为高光。越是光滑的物体，高光区域会越小。我们用shininess来表示物体的表面有多闪（光滑），它的值从0到1。值越大，越光滑。下面是值为0.2和1的效果图。material.specular表示高光的颜色，不过最终呈现的高光颜色受material.specular和灯光的颜色共同影响，是它们颜色值的三维向量相乘。

shininess = 0.2

shininess = 1.0

材质参数的取值

上面我只给材质的参数赋予了颜色值，除了颜色，还可以赋予贴图，或者说是图片。diffuse和specular都是可以接受图片对象的。比如给diffuse赋值一张地球的贴图。

material.diffuse.contents = UIImage.init(named: "earth.jpg")

从google淘来的地球贴图

效果如下。

specular接受的贴图就比较特殊，是一张黑白两色的图。图中黑色对应的地方将没有高光。

下面两张图分别是使用了和没使用specular贴图的效果图。第一张图中明显大海部分没有高光。

使用了specular贴图

没有使用specular贴图

不管是什么贴图，都是需要几何体提供UV数据的，也就是所谓的贴图坐标，在上一篇的代码中有涉及到。

let uvs: [CGPoint] = [
        CGPoint(x: 0, y: 1),
        CGPoint(x: 0, y: 0),
        CGPoint(x: 1, y: 0),
        CGPoint(x: 1, y: 1),
        ]
    let uvSource = SCNGeometrySource.init(textureCoordinates:
uvs)

系统提供的球形几何体已经有了UV数据，所以才可以轻松的进行贴图，关于贴图的更多信息，会在后面的文章中介绍，或者你也可以去看我写的基于OpenGL的贴图文章。

反射贴图

SceneKit还提供了反射贴图功能，可以使用CubeMap或者SphereMap来当作环境贴图。这里我只为大家演示一下，更深入的介绍会在后面的文章中进行。下面是设置反射贴图的代码。cube-X.jpg等图片都在demo项目中。

material.reflective.contents = [
    UIImage.init(named: "cube-1.jpg"),
    UIImage.init(named: "cube-2.jpg"),
    UIImage.init(named: "cube-3.jpg"),
    UIImage.init(named: "cube-4.jpg"),
    UIImage.init(named: "cube-5.jpg"),
    UIImage.init(named: "cube-6.jpg"),
]
material.fresnelExponent = 1.7

效果图如下。是不是有一种被玻璃包裹的感觉。反射贴图主要就是通过对CubeMap或者SphereMap的反射，模拟物体反射周围环境的一种技术。

法线贴图

我们上面有说过我们会给几何体提供法线数据，但是这些数据是每个顶点才有一个，顶点之间区域的法线就只能通过线性插值来计算了。法线贴图则是通过贴图的方式来弥补这一缺陷，更多原理性质的介绍就不在这展开了，下面是例子用的法线贴图。

通过CrazyBump生成

代码设置也很简单。

material.normal.contents = UIImage.init(named: "earth_NRM.png")

效果如下。是不是瞬间有了凹凸感。

总结

这篇文章主要介绍了材质的一些基本功能，还有很多其他的功能是没有提到的。东西其实很多，要在一篇文章中全部铺开不现实，看完这一篇读者心中对光照模型和材质有个基本了解就可以了。后面的文章会针对材质中比较复杂的特性逐一进行深入介绍。