[MetalKit]Using MetalKit part 13使用MetalKit13

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让我们从第12部分 Part 12继续.使用上次我们工作的同一个playground,我们今天将学习光照和3D物体.记得前几周我们做出的日食吗?它又回来了! 好吧,这次我们将移除太阳,只关注行星.

首先,让我们清理内核,使其只包含下面的代码:

int width = output.get_width();
int height = output.get_height();
float2 uv = float2(gid) / float2(width, height);
uv = uv * 2.0 - 1.0;
float radius = 0.5;
float distance = length(uv) - radius;
output.write(distance < 0 ? float4(1) : float4(0), gid);

你一定认出几周前的这些代码了.我们惟一改变的是将圆外面的颜色替换为黑色,并将圆内部改为白色.输出的黑乎乎应该是这个样子:

chapter13_0.png

目前还不错.行星看起来相当扁平,光照分布的太均匀看起来不真实.让我接下来修复它.几何学告诉我们,为了找到球面上的点,我们需要球体公式:

chapter13_2.png

在我们的例子中,x0, y0和z0都是0因为我们的球体在屏幕中间.算出z值就可以得到planet行星颜色的值,所以让我们用下面这几行来替换内核中的最后一行:

float planet = float(sqrt(radius * radius - uv.x * uv.x - uv.y * uv.y));
planet /= radius;
output.write(distance < 0 ? float4(planet) : float4(0), gid);

输出图像应该像起来像这样:

chapter13_1.png

正如你期待的那样,颜色从中间的纯白色变为圆外面的纯黑色.为此,我们必须用颜色除以radius半径,来使z值规范化到[0,1]区间内,它能给我们全范围的光照效果.我们实际伪造了一个灯光源放在(0,0,1).让引出了新话题:lighting灯光.

lighting灯光让我们的颜色真正活起来.为了在我们的场景中有一个灯光,我们需要计算每个坐标的normal法线.法向量是垂直于表面,告诉我们表面"指向"哪个坐标.用下面几行替换最后两千:

float3 normal = normalize(float3(uv.x, uv.y, planet));
output.write(distance < 0 ? float4(float3(normal), 1) : float4(0), gid);

注意,我们在planet行星变量中已经有z值了.输出的图片看起来应该这样:

chapter13_5.png

这可能不是我们想要看到的,但至少我们知道在每个规格化坐标处计算颜色时法线看起来是什么样子了.下一步,让我们创建一个光源放置在我们左侧(负x),后面(正z)一点.用下面几行替换最后一行:

float3 source = normalize(float3(-1, 0, 1));
float light = dot(normal, source);
output.write(distance < 0 ? float4(float3(light), 1) : float4(0), gid); 

我们采用了一种基本的光照模型叫做朗伯特 Lambertian(漫反射)光照,其中我们将法线乘以规格化光源.我们将在以后的文章中学习更多光照知识,但是如果你对学习光照模型很有兴趣,可以参考这里 here的众多资源.输出的图片看起来应该这样:

chapter13_3.png

还记得上一次内核给我们了一个计时器uniform吗?让我们用起来玩玩!用这行替换source行:

float3 source = normalize(float3(cos(timer), sin(timer), 1));

通过使用cos和sin函数,我们给光源一个圆周运动.x和y都是按圆的参数方程从-1到1.输出的图片看起来应该这样:

chapter13_6.gif

我们来仔细看看,场景中的物体被照亮(天空中的行星),然而,物体仍然呈现出单一的表面.我们有两种方法可以让它看起来更真实:使用纹理,或者给plante颜色加上一些噪点.
源代码source code 已发布在Github上.
下次见!