2.2 模型与材质基础

 

一、渲染管线与模型基础
1. 渲染管线

可编程阶段（蓝色区域）：
1顶点着色器
2几何着色器
3片元着色器
2. 模型的实现原理
UV：在建模软件中，进行UV展开，UV会放在一个横向为U纵向为V，范围（0~1）的二维坐标系中。
展开后的UV在SP中绘制贴图（漫反射贴图、法线贴图、高度贴图、金属度贴图、AO贴图）

一个模型包含的信息（OBJ文件）

Vertex顶点

Vertex Normal顶点法线

Vertex Texcoord顶点纹理坐标
1V：顶点坐标数据（模型空间中单个顶点的XYZ坐标）
2VT：贴图坐标（水平方向是U，垂直方向是V，范围0~1之间）
3VN：顶点法线
4顶点色（FBX格式才有）：单个顶点的RGB颜色信息。一个顶点包含了法线，纹理坐标，顶点色等信息。
OBJ和FBX格式对比

总结下，FBX相较于OBJ多支持了骨骼动画相关的东西，同时也可以存储顶点色和LOD。
二、材质基础
1.漫反射

最容易模拟的模型。比如现实中的石头，水泥，砖块等。
光线均匀的反射出去。
Diffuse = baseColor * LightColor * dot(LightDir, Normal)；
2.（光滑）镜面反射

镜面反射就是将入射光线根据表面发现进行反射，入射角等于出射角。
Specular = Pow（saturate（dot（RefDir，ViewDir，32）））* LightColor；
3.粗糙镜面反射

法线偏移较小。反射依然集中在一个区域，形成磨砂的质感。
4.折射

对于玻璃这种介质，除了反射之外还有根据物体的折射率折射一部分光线进入物体中，反射和折射能量的多少是根据菲尼尔定律决定的。
R = refract（View，Normal，ration）；
ReflColor = tex2D（skybox，R）；
5.粗糙镜面折射

毛玻璃会有这种现象。
6.多层材质

涂了透明油漆的木地板，上层是油漆，下层是地板，同时油漆还会反射上部的物体。
7.次表面散射

半透明的物体，例如玉石、蜡烛、牛奶、皮肤等。
以皮肤为例：光进入皮肤后照亮了毛细血管，因此在明暗分界的位置，反射出的红光就更容易被看到。
8.改变材质表面
现实世界中不存在完美平滑的表面，因此需要对模型表面的发现进行扰动。其中一个方法是使用法线贴图。
漫反射，高光，折射都与法线有关，因此改变法线，就能改变其光照结果。
三、模型数据在渲染中的作用
1.顶点动画
在顶点着色器中，修改模型的顶点位置，进而达到模型运动的效果。
○顶点着色器计算的是模型的每一个顶点，每一个顶点的数据是不同的，因此同一个计算公式在不同的顶点上计算出来的结果也是不同的。
○需要一定数量的顶点，顶点动画的效果才会明显。
○在一些三维建模软件中，动画的k帧也是一种顶点动画
2.纹理动画
在片段着色器中，修改模型的UV信息，使得采样贴图时发生位置而产生的运动效果。
效果：

利用法线贴图，改变反射与折射的朝向。
原理1：
○修改前，使用1这个法线，反射出去的就是1。
○修改后，使用2这个法线，反射出去的就是2.
○修改的只是法线信息，因此其他数据还是保持修改前的样子。

对背部画面采样的部分
原理2：
○改变UV采样点的位置，产生动画效果

3.顶点色
在渲染时，影响输出结果。控制颜色范围。

因为四边面本质上还是三角面组合而成，所以在绘制时会出现三角形的分界。
FragColor = FinalColor * VertexColor；

●可以通过判断顶点色，来做一些操作
○例如，顶点色到达一定的值，就可以做阴影
●Maya中顶点色的绘制

4.重心坐标

●具体可以参考下GAMES101—L9部分
5.顶点与面法线

原理：
面法线
○未使用平滑时，三角形三个顶点公用一个法线，那么插值时，因为三个顶点的法线相同，所以插值的结果相同。

顶点法线
○使用平滑后，一个顶点一个法线。三角形三个顶点的法线就不相同，插值结果也就不同。

平滑/未使用平滑，在模型文件内部存储方式

扩展
在NPR渲染中
○通常在顶点着色器中，将顶点往法线方向偏移。然后再在片段着色器中直接输出一个颜色，达到描边的效果。
○BackFacing描边时，描边线条断开就是因为没有平滑顶点之间的法线导致的。

作业
1.顶点色的其他作用
1.作为一种存储的mask使用（这样可以少使用一张图）
●不想让连上有菲尼尔效应，就把脸涂黑，乘上顶点色
●不想让某些地方有描边，同上
●拿到顶点色后可以做一些其他操作，塞入顶点色的信息必须是线性变化的，如果不是，就要做好精度打折的准备
●可用于预先指定光照、阻光和其他视觉效果
●可以把颜色信息存在顶点里，但是在低模的情况下效果很差。
简单说顶点色相当于一个数据存储的地方，你可以将任何数据塞到此处，然后利用这些数据进行操作，考虑优化时更应注重顶点色的应用。
2.模型光滑组对法线有什么影响
在模型上没有真正的光滑面，也没有真正的四边形面，所有面都是三角形组成的。
平常说的布线合理，拓扑其实是保持两个三角形面的一致性（构成一个四边面的两个三角形面）

①光滑组的含义
下图标出了面的亮度，纯打比方不是确切数字。
光滑组处理面之间的光照信息，提高它们的亮度、饱和度，两面之间的过渡就是两面亮度和平均值。

②光滑组如何计算？
如果一个面的光滑组是1，一个是2，那么他们之间不存在计算。

如果它们光滑组都是1，就会进行光照计算，并且影响最终渲染，也就是说他们光滑组一样的话，就会进行光照计算，产生光滑效果。
下图为不同数值下的光滑效果，数值一致就会有平滑效果。

网格平滑和涡轮平滑：通过增加面，把面分的更细腻来表达曲度。
自动平滑默认所有面的夹角小于45°的进行光滑，默认创建的球面的夹角都小于45°所以都平滑了，下图为数值为10的时候。

③光滑组对法线的影响
法线
●烘焙发现的意义，就是把高模的法线方向，用一张图（RGB）来存储法线信息，存到低模的表面上。贴上法线贴图的低模，就会在视觉上产生凹凸不平、增加细节的渲染效果，从而看起来像高模一样。Normal Mapping法线贴图本质上就是一种图片，只是这样图片的用途比较特殊而已。
●没有光滑组的话，烘出来的法线贴图是一棱一棱的。一般情况华至少也要给一个光滑组。

光滑组（软硬边）和UV对法线的影响
●光滑组相连接的模型，法线贴图都存在打渐变色，导致魔性的法线效果会很奇怪（平面上有法案发凉的光影）。当你发现模型出现这种渐变时，一定是出现了光滑组的问题。
●中间的两个模型出现了不同程度的接缝（第三个模型的接缝非常明显，第二个模型则弱一些）。光滑组和UV统一相连或断开，是不会出现明显接缝的，当遇到解封问题，优先考虑模型的光滑组和UV是否统一。