Filament介绍

摘要

Filament是一款Google开发的跨平台的实时渲染引擎，支持PBR材质，并且针对Android平台做了优化（毕竟Google亲儿子）。本文将针对Filament的特点，简单介绍Filament的一些特性，包括它的材质系统和光照系统。这些设计对于实现一款渲染器，特别是PBR渲染器具有一定的参考意义。至于具体的实现细节，因为跟PBR理论重合度比较高，就不再赘述。

如果对这款引擎很感兴趣，可以参考他们的文档。这个文档怎么说呢，详细的地方非常详细，简略的地方一律“TODO”过，很神奇。

平台特性

● 跨平台，支持Android，IOS，Linux，maxOS，Windows
● 提供C++，Java，JavaScript API
● 底层图形库支持OpenGL 4.1+，OpenGL ES 3.0+，Metal，Vulkan 1.0，WebGL 2.0

渲染特性

● 支持Clustered forward renderer
● 支持microfacet BRDF
● 支持HDR/linear 光照
● 支持各向异性材质
● 支持metallic，roughness，ao，normal mapping，texture mapping
● 支持布料渲染
● （弱）支持半透明材质
● 支持IBL
● 支持物理相机模拟（快门，光圈等）
● 支持shadows
● 支持全局雾模拟
● 支持色彩系统（color grading）
● 支持FXAA，MSAA
● 支持动态分辨率

材质系统

材质模型

Filament定义了以下几种材质模型：
● Lit（standard）
● Subsurface
● Cloth
● Unlit
其中，第一种也是用的最多的一种，在别的渲染器可能称为standard model/material。Cloth用于模拟布料。Unlit严格来说不算一种材质，可以理解为在屏幕上显示一些调试信息用的材质。

Lit model

Lit model是Filament支持最全面的也是最基础的材质模型，它是基于PBR模型的材质，包含以下几种属性：
● baseColor，表示non-metallic表面的漫反射albedo，或者metallic表面的高光颜色
● metallic，表示材质的金属性，0代表dielectric，1.0代表conductor

metallic从0（左）到1（右）。
● roughness，表示材质的粗糙度，1.0代表光滑，0代表粗糙

非金属的roughness从0（左）到1（右）。

金属的roughness从0（左）到1（右）。
● reflectance，表示Fresnel反射系数

reflectance从0（左）到1（右）。
● normal，表示材质表面的局部法向偏移
● ambientOcclusion，表示环境光照强度
● emissive，表示材质表面的发光程度
● anisotropy和anisotropyDirection，描述各向异性程度
● clearCoat，clearCoatRoughness和clearChatNormal，表示clear coat layer的参数
● bentNormal，用于提升间接光的效果
● postLightingColor，用于跟光照计算结果混合，描述特殊光照效果
● ior，表示物体的折射率

ior从1（左）到1.5（右）。
● transmission，表示物体的透明度

transmission从0（左）到1（右）。
● absorption，表示材质对不同透射光线的吸收系数

absorption从 (0.0, 0.02, 0.14) (左)到 (0.0, 0.36, 2.3) (右)
● microThickness和thickness，材质的厚度参数
其中，baseColor、metallic、roughness、reflectance、normal、ambientOcclusion、emissive都是PBR材质中常用的参数，用法也基本一致。
有些物体表面会覆盖一层薄薄的半透明材质，类似于手机表面的贴膜。但是这层薄膜也是有一定的颜色和朝向的，clear coat参数（clearCoat，clearCoatRoughness和clearChatNormal）就是用于描述这一层表面材质，默认它是各向同性、非金属的。其中clearCoat应当被视为布尔变量，描述的是是否存在此表面材质。

clearCoat从0（左）到1（右）。

clearCoatRoughness从0（左）到1（右）。
除此之外，有些物体表面是各向异性的，例如朝单一方向磨砂的金属。anisotropy参数可以用于描述这种材质。

anisotropy从0（左）到1（右）。

Subsurface model

TODO
这个模型文档里没有介绍，我也没有用过，因此这里先略过。后面慢慢看代码吧。

Cloth model

Cloth模型用于描述类似于纺织物的布料材质，这类布料的一个特点是其表面由纤维堆叠而成，会吸收和散射一定的入射光线。
Cloth model包含前面Lit model的各种参数，删除了metallic和reflectance，额外添加两个cloth相关的参数：
● sheenColor，描述高光反射的颜色

蓝色纤维有（右）与没有（左）sheenColor
● subsurfaceColor，描述次表面散射的颜色

白色布料（左）与带棕色subsurface scatting的白色布料（右）

Unlit model

如前所述，Unlit model不算是一个材质模型，它用于渲染天空盒，或场景中以外的物体，比如用户界面的图形和文字，或者用于调试。如下图所示。该模型只有三个参数：
● baseColor
● emissive
● postLightingColor
用法跟Lit model一致。

光照系统

Filament支持的光照可以分为直接光（direct lighting）和间接光（indirect lighting），前者包括：
● 方向光（directional lights）

● 精确光源（punctual lights），包括point lights和spot lights，二者的区别是point light是超各个方向均匀发光的，而spot light有一个朝向，朝向以外的区域光照强度逐渐减少，直至为零：


● Photometric lights，用配置文件描述光源发出的光线在各个方向上的强度，可以还原真实世界中的光源情况。这一套描述是通用的光源描述，Filament的用法是将描述文件处理为纹理，然后在渲染的时候取出来判断计算光照。我理解这个光源其实是对spot light的拓展。下图展示了一些不同的光源描述文件。

● 面光源（Area lights）：仅支持正方形和圆形的面光源。
间接光包括：
● Image-based lighting

光照参数

对于直接光来说，Filament用以下参数来描述一个光源：
● Type，定义光源类型，包括directional，point，spot，area
● Direction，描述光线朝向，或者面光源的法向
● Color，描述光源发出的光线的颜色
● Intensity，描述光线强度
● Falloff radius，光源所能影响到的最大半径
● Inner angle和Outer angle，描述spot light的内外圆锥的角度
● Length和Radius，描述面光源的边长、半径
● Photometric profile，Masked profile和Photometric multiplier，描述puctual lights的属性

Imaging pipeline

Imaging pipeline用于对片元着色器输出的颜色做进一步处理，使其色彩更加真实。包含以下几个步骤：
● 白平衡
● 色彩分级
● 色调映射
● OETF（opto-electronic transfer function）
流程图如下：

Physically based camera

基于物理的相机可以设置相关的相机参数，对成像效果进行调整。应用到的相机参数包括光圈（aperture）、快门（shutter speed）、敏感度（ISO）。由于采用三个量表示曝光效果过于繁琐，因此Filament将其简化为exposure value，简称EV。

总结

总的来说，Filament是一款还在开发中的渲染器，主要特点是PBR材质系统，对Android的支持，色彩后处理系统，其次是半成熟的光照系统。作为渲染领域的学习材料还是不错的。