orillusion入门系列四 | 材质

[oldguy]

如果说人类最难以满足的两个器官是舌头和眼睛，舌头费调料眼睛费显卡，你同意吗？今天继续学习如何愉悦我们视觉的技术，那就是材质(Material)。在上一期的示例已经可以创造几种规则的几何体了，但是看起来光秃秃的，这些几何体很难称之为物体，今天我们从认识材质开始，到使用材质使物体的外观丰富起来。

什么是材质(Material)

材质是由shader定义的一组特性集合，用来定义对光的处理。光对于材质来说起着决定的作用，当没有光时我们看不到任何物体，我们视觉看到的物体是由光来决定的，光照射到物体的表面会产生反射、折射，物体也会吸收一部分，当然这些反射又会照射到其它物体上又会产生反复的吸收以及折射，那么如何在计算性能和逼真度上做取舍呢，这里不做原理上的探究，只聊一聊感性上的体会。一个立方体看起来是一块砖头还是一块金锭，是由不同的材质定义的，材质可以使物体看起来更像什么，以及是否足够逼真。

材质、贴图、纹理的关系

如果只有材质还是比较好理解的，忽然面向三个相近的概念需要在理解上做个区分。
笼统的来说材质包含贴图，贴图包含纹理。材质是一个集合，内部包含了光学特性，贴图资源等等。贴图是物理的表面，可以对图片视频等效果的处理，例如拉伸，缩放，与物体的贴合参数等。纹理可以简单理解成图片视频等原材料。

材质类型

材质的类型是引擎给我们提供的又一有力工具，类同于前面引擎封装的几款几何体，引擎同样为实际应用中的几种典型材质做了封装。在使用引擎开发时选择与实际需要最贴近类型的材质组件就可以，材质类型是可以自定义的，我们先从熟悉引擎提供的材质开始。
还记得前文介绍的网格(Mesh)吗，每个网格至少由几何数据和材质数据组成，不同的类型对应不同的材质类，需要对应的材质类型直接实例化该类型的材质，赋值于网络的材质属性。

UnLitMaterial(无光材质)

这种材质可以简单称为无光材质，忽略所有的光照的计算，所以计算性能非常高，可以作为背景使用，由于没有光的影响也可以作为一些不受光影响的特殊效果。

支持的参数

这里试用几个参数，更多的参数还要看官方文档。

• baseColor（基础颜色）：对材质的基础颜色进行设置，设置后覆盖了该材质的物体看起来会叠加上基础颜色。

let color:Color = new Color();
let material:UnLitMaterial = new UnLitMaterial();
material.baseColor = color;

• baseMap（基础贴图）：对材质的基础贴图进行设置，设置后覆盖了该材质的物体会由该贴图覆盖

完成代码

前几次我们对一个立方体非常熟悉了，今天我们仍然创建一个立方体，但是使用UnLitMaterial材质，并覆盖一张贴图，同时可以动态的调整基础颜色。

import { Engine3D, Scene3D, Object3D, Camera3D, HoverCameraController, MeshRenderer, BoxGeometry, HDRLitMaterial, ForwardRenderJob, Stats, UnLitMaterial, Color } from "@orillusion/core";
import * as dat from 'dat.gui';

export default class Unlit {

    cameraObj: Object3D;

    camera: Camera3D;

    scene: Scene3D;

    boxObj: Object3D;

    material:UnLitMaterial;

    async run() {

        await this.init();

        await this.setup();

        await this.start();
    }

    /***
     * 配置并初始化引擎
     */
    private async init() {
        // 初始化引擎
        await Engine3D.init();
    }

    /**
     * 引擎功能代码
     */
    private async setup() {
        // 创建一个场景
        this.scene = new Scene3D();

        // 添加性能监控面板
        this.scene.addComponent(Stats);
        // 创建一个相机
        this.cameraObj = new Object3D();
        this.camera = this.cameraObj.addComponent(Camera3D);
        // 设置相机类型
        this.camera.perspective(60, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 5000.0);
        // 设置相机控制器
        let controller = this.cameraObj.addComponent(HoverCameraController);
        controller.setCamera(20, -20, 25);
        // 添加相机至场景
        this.scene.addChild(this.cameraObj);

        this.createBox();

        this.addGUI();

    }

    /**
     * 启动渲染
     */
    private async start() {
        // 创建前向渲染
        let renderJob: ForwardRenderJob = new ForwardRenderJob(this.scene);
        // 开始渲染
        Engine3D.startRender(renderJob);
    }

    /**
     * 创建立方体
     */
    private async createBox() {
        // 创建一个对象
        this.boxObj = new Object3D();
        // 挂载脚本
        // 创建渲染组件
        let mr: MeshRenderer = this.boxObj.addComponent(MeshRenderer);
        // 设置形状
        mr.geometry = new BoxGeometry(5, 5, 5);

        this.material = new UnLitMaterial();

        // 设置基础贴图
        this.material.baseMap = await Engine3D.res.loadTexture('textures/diffuse.jpg');
        // 设置材质
        mr.material = this.material;
        // 添加到场景
        this.scene.addChild(this.boxObj);

    }

    private async addGUI(){
        // 创建 dat 实例
        const gui = new dat.GUI();
        // 创建保存属性值对象
        const materialInfo = {
            baseColor:'#fff',
        };

        // 设置材质颜色
        gui.addColor(materialInfo, "baseColor").onChange((v) => {
            console.log('baseColor:', v);
            let color:Color = new Color();
            color.setHex(v);
            this.material.baseColor = color;
        });
    }

}

运行效果如下：

调整颜色会看到颜色会叠加到物体上。

LambertMaterial（兰伯特材质）

材质是与光分不开的，Lambert材质是与Lambert光照模型对应的，简单说一句Lambert是一种经验性质的简化的光照模型，据说只处理漫反射，其它类型全忽略，因此Lambert只能模拟粗糙的物体表面，像镜面类的完全不适合，如果是衣料，石头之类的表面粗糙的非常适用。

支持的参数

与Unlit类同。

完成代码

代码与Unlit也是类同的，只是把材质的类型由UnlitMaterial换成LambertMaterial，这里就不占用篇幅了。
看一下基础的运行效果：

HDRLitMaterial（物理材质）

能看到Lmabert比Unlit更进了一步，尽管只考虑了一种光，至少有光的参与了，可见材质也是不断的丰富起来，计算的因素多了起来，与实际效果更接近了。看到各大引擎都是主推物理材质，所以除非计算机性能实在拉垮，否则还是多熟悉使用物理材质吧，大势所趋。过去我们的例子默认也是用的这种材质。

支持参数

物理材质支持的参数比较多，这里我们只验证个别几个属性，更多的属性可以对着文档一一验证。

• baseColor（基础颜色）：材质本身的颜色，可以使用一个Color类型的变量设置
• roughness（粗糙度）：模拟物体表面粗糙的程度，随着数值变大物体会看起来更粗糙
• metallic（金属度）：模拟物体表面金属的程度，随着数值的变化物体会看起来更光滑

运行效果

使用这三个参数调节显示效果如下：

综合示例

不同的材质主要还是对光的处理不同，这里我们写一个综合的实例，将三种材质放到一个场景下，在一个聚光灯照射下观察效果，这里我们提前借用一下光源的组件，可以暂时不必在意，后续会专门介绍。

示例代码

import { Engine3D, Scene3D, Object3D, Camera3D, HoverCameraController, MeshRenderer, BoxGeometry, HDRLitMaterial, ForwardRenderJob, Stats, Color, LambertMaterial, UnLitMaterial, Vector3, MaterialBase, SpotLight, SphereGeometry, defaultTexture } from "@orillusion/core";
import * as dat from 'dat.gui';

export default class Materials {

    spotLight: SpotLight;

    cameraObj: Object3D;

    camera: Camera3D;

    scene: Scene3D;

    boxObj: Object3D;

    hdrMaterial: HDRLitMaterial;
    lambertMaterial: LambertMaterial;
    unlitMaterial: UnLitMaterial;

    async run() {

        await this.init();
        await this.setup();

        await this.start();
    }

    /***
     * 配置并初始化引擎
     */
    private async init() {
        // 初始化引擎
        await Engine3D.init();
    }

    /**
     * 引擎功能代码
     */
    private async setup() {
        // 创建一个场景
        this.scene = new Scene3D();

        // 添加性能监控面板
        this.scene.addComponent(Stats);
        // 创建一个相机
        this.cameraObj = new Object3D();
        this.camera = this.cameraObj.addComponent(Camera3D);
        // 设置相机类型
        this.camera.perspective(60, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 5000.0);
        // 设置相机控制器
        let controller = this.cameraObj.addComponent(HoverCameraController);
        controller.setCamera(20, -20, 25);
        // 添加相机至场景
        this.scene.addChild(this.cameraObj);

        this.hdrMaterial = new HDRLitMaterial();
        this.lambertMaterial = new LambertMaterial();
        this.unlitMaterial = new UnLitMaterial();

        this.createBox(new Vector3(-10, 0, 0), this.unlitMaterial);
        this.createBox(new Vector3(0, 0, 0), this.lambertMaterial);
        this.createBox(new Vector3(10, 0, 0), this.hdrMaterial);

        this.createLight();
        this.createFloor();

        this.addGUI();

    }

    /**
     * 启动渲染
     */
    private async start() {
        // 创建前向渲染
        let renderJob: ForwardRenderJob = new ForwardRenderJob(this.scene);
        // 开始渲染
        Engine3D.startRender(renderJob);
    }

    private async createLight() {
        let sp = new SphereGeometry(0.5, 10, 10);

        let spotLightObj = new Object3D();
        let mr = spotLightObj.addComponent(MeshRenderer);
        mr.geometry = sp;
        mr.material = new HDRLitMaterial();

        this.spotLight = spotLightObj.addComponent(SpotLight);
        this.scene.addChild(spotLightObj);
        spotLightObj.y = 10;

    }

    /**
     * 创建立方体
     */
    private async createBox(location: Vector3, matrix: MaterialBase) {
        // 创建一个对象
        this.boxObj = new Object3D();
        this.boxObj.localPosition = location;
        // 创建渲染组件
        let mr: MeshRenderer = this.boxObj.addComponent(MeshRenderer);
        // 设置形状
        mr.geometry = new BoxGeometry(5, 5, 5);

        // 设置材质
        mr.material = matrix;
        // 添加到场景
        this.scene.addChild(this.boxObj);

    }

    private async createFloor(){
        let floor = new Object3D();
        floor.y = -2.5;
        let mat = new HDRLitMaterial();
        mat.baseMap = defaultTexture.grayTexture;
        let mr = floor.addComponent(MeshRenderer);
        mr.geometry = new BoxGeometry(40, 1, 30);
        mr.material = mat;
        this.scene.addChild(floor);
    }

    private async addGUI() {
        // 创建 dat 实例
        const gui = new dat.GUI();

        const lightInfo = {
            x:0,
            y:0,
            z:0,
            rotationX:0,
            rotationY:0,
            rotationZ:0,
            lightColor:'#fff',
        }

        let lightFolder = gui.addFolder("Light");
        lightFolder.add(lightInfo, "x", -10, 10).onChange((v) => {
            console.log('x:', v);
            this.spotLight.transform.x = v;
        });
        lightFolder.add(lightInfo, "y", -10, 10).onChange((v) => {
            console.log('y:', v);
            this.spotLight.transform.y = v;
        });
        lightFolder.add(lightInfo, "z", -10, 10).onChange((v) => {
            console.log('z:', v);
            this.spotLight.transform.z = v;
        });
        lightFolder.add(lightInfo, "rotationX", -360, 360).onChange((v) => {
            console.log('rotationX:', v);
            this.spotLight.transform.rotationX = v;
        });
        lightFolder.add(lightInfo, "rotationY", -360, 360).onChange((v) => {
            console.log('rotationY:', v);
            this.spotLight.transform.rotationY = v;
        });
        lightFolder.add(lightInfo, "rotationZ", -360, 360).onChange((v) => {
            console.log('rotationZ:', v);
            this.spotLight.transform.rotationZ = v;
        });
        lightFolder.addColor(lightInfo, "lightColor").onChange((v) => {
            console.log('lightColor:', v);
            let color: Color = new Color();
            color.setHex(v);
            this.spotLight.lightColor = color;
        });

        // 创建保存属性值对象
        const unlitInfo = {
            baseColor: '#fff'

        };

        let unlitFolder = gui.addFolder("UnlitMaterial");
        // 设置材质颜色
        unlitFolder.addColor(unlitInfo, "baseColor").onChange((v) => {
            console.log('baseColor:', v);
            let color: Color = new Color();
            color.setHex(v);
            this.unlitMaterial.baseColor = color;
        });

        // 创建保存属性值对象
        const lambertInfo = {
            baseColor: '#fff'

        };

        let lambertFolder = gui.addFolder("LambertMaterial");
        // 设置材质颜色
        lambertFolder.addColor(lambertInfo, "baseColor").onChange((v) => {
            console.log('baseColor:', v);
            let color: Color = new Color();
            color.setHex(v);
            this.lambertMaterial.baseColor = color;
        });

        // 创建保存属性值对象
        const pdrInfo = {
            baseColor: '#fff',
            roughness: 0.01,
            metallic: 0.01,

        };

        let hdrFolder = gui.addFolder("PDRMaterial");
        // 设置材质颜色
        hdrFolder.addColor(pdrInfo, "baseColor").onChange((v) => {
            console.log('baseColor:', v);
            let color: Color = new Color();
            color.setHex(v);
            this.hdrMaterial.baseColor = color;
        });

        // 材质粗糙程度
        hdrFolder.add(pdrInfo, "roughness", 0, 1).onChange((v) => {
            console.log('roughness:', v);
            this.hdrMaterial.roughness = v;
        });

        // 材质粗糙程度
        hdrFolder.add(pdrInfo, "metallic", 0, 1).onChange((v) => {
            console.log('metallic:', v);
            this.hdrMaterial.metallic = v;
        });

    }

}

运行效果

小结

继几何体后，引擎对常用材质做了封装，使用户可以不必自己编写shader，创建一个对应的类，设置参数就可以得到一个可用的材质，用来丰富物体。材质的种类还有一些，不过当前只发现了三种，期待后续会有更多的材质可以使用。
作为3D新手，后续会不断的记录学习过程，期待与你一起学习一起飞！