【TA-霜狼_may-《百人计划》】2.2 模型与材质空间

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渲染管线与模型基础

模型的实现原理

点连接成线，线围成面，进而组成多边形，至此一个模型空间下的模型就形成了。

UV

UV如同一个矿泉水瓶，将它划开。平铺在一个二维的坐标系中。
瓶子的每个位置（模型的每个顶点），在三维空间和二维空间中都能一一对应。在二维坐标系中的顶点对应的位置就是顶点的纹理坐标。

因此，每个顶点都能利用纹理坐标获取到贴图所存储的信息。

模型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（以OBJ文件为例）

V 顶点坐标数据（模型空间中单个顶点的XYZ坐标）
VT 贴图坐标 （水平方向为U，垂直方向为V，范围为0-1之间）
VN 顶点法线 （当前顶点Z轴的朝向，这个Z轴就是顶点自身在模型空间中的朝向。并且顶点法线最终会决定面的朝向）
顶点色 （单个顶点的RGBA通道颜色信息）

OBJ与FBX格式的对比

fbx格式支持顶点Color，多象限UV以及LOD（细节层次模型）

材质基础

材质

有些物体反射光的时候不会有太多的散射（Scatter），因而产生一个较小的高光点；
而有些物体则会散射很多光，产生一个有着更大半径的高光点

漫反射

Lambertian法简易地认为光线均匀的反射出去；

镜面反射

镜面反射就是将入射光线根据表面法线进行反射，并且只有在反射方向有能量，其他方向能量均为0；（补充：Games101中有提到，镜面反射中，反射角不一定完全等于入射角，只要在镜面反射角的一定范围都能看到该高光区域，所以这里的最后一句其他方向能量均为0是一个笼统的说法）

折射

对于玻璃这种电介质，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之中，反射和折射能量的多少时根据菲尼尔定律决定。

粗糙镜面反射（补充上面的镜面反射）

磨砂质感的金属表面

粗糙镜面反射

各种毛玻璃

多层材质

除了物体本身的材质，外层还会附着其他材质如：透明油漆等

次表面散射

次表面散射的物体一般上都是半透明的物体，例如：玉石、蜡烛等；

多层皮肤模型

将皮肤看成三层，分别为：油脂层，表皮层，真皮层。
油脂层提供直接反射，在皮肤表面产生高光效果；
另外一部分光通过折射进入自表皮层，光进入这些层后部分被吸收（从而产生颜色）和散射，再从皮肤中入射点附近的出射点射出。这个过程就产生了次表面散射的效果。

改变材质表面

原因：

1. 现实世界中不存在完美光滑的平面；
2. 一个模型顶点携带的法线也有限。
   因此使用法线贴图能做到补充
   并且漫反射，高光，折射的计算都有法线参与，因此对法线做出调整，就能影响其光照计算的结果。

模型数据解析

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；
2. 纹理动画：在片段着色器中，修改魔性的UV信息，使得采样贴图时，发生位移而产生运动效果；
3. 顶点色：在渲染时，影响输出结果。控制颜色范围

纹理动画

原理 1

通过修改法线贴图，改变反射和折射的朝向。法线由1变2，反射光线也由1变2，如下图所示：

单纯修改法线，保持其他数据不变，就能改变物体的纹理外貌。

原理 2

改变UV采样点从而产生动画效果

顶点动画

在顶点着色器中对模型的顶点进行操作进而产生动画的效果。
顶点着色器应用于每一个顶点，每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，计算得出的结果也是不同的
在一些三维建模软件中，动画的K帧也可以理解为一种顶点动画；

顶点色

在顶点着色器环节对顶点色进行控制，应用：阴影，线条粗细等

重心坐标颜色插值

利用顶点坐标进行插值（不是很懂，之后再看看Games101有没有讲）

顶点法线与面法线

好理解，顶点法线牛逼。

扩展

在卡通渲染中，通常将模型背面沿着法线方向外扩，然后输出一个颜色，从而达描边的效果，在没有使用平滑着色的物体中，面的大小不变，再着色则会发生外轮廓的断裂，这正是因为法线不连续造成的。

总结

顶点色的其他用途还有哪些？

1. 可用于预先指定照明、阻光和其他视觉效果。
2. 作为遮罩对模型进行分开渲染，包括但不限于分别进行光照计算，分别处理动画等；
3. 利用顶点色着色；
   模型光滑组对法线的影响？
   使用平滑后，顶点根据平滑后模型重新插值法线，处在同一个平滑组下的面会出现平滑效果；如下图下半部分所示（来源）：