着色模型

下面分别介绍每种着色模型特有的材质属性：

Unlit

Unlit 为无光照模型，该模型使得材质颜色完全不受光照影响，如果设置了自发光，则表现为自发光颜色，否则表现为漫反射颜色和本体颜色的混合。可通过以下代码直接将物体的着色模型改为 Unlit：

mesh.material.shading_model = None
# mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Unlit

Unlit 着色模型渲染效果如图 1 所示：

图 1. Unlit 着色模型效果

Unlit 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影。

这些属性均在材质 公共属性 介绍过。另外，Unlit 模型支持的纹理贴图包括：

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Flat

Flat 为平面光照模型，在几何着色器中计算出每个三角面的法向量随后直接着色，因此每个三角面具有同一个颜色，物体看起来就会棱角分明。Flat 模型只渲染漫反射颜色而不渲染高光，漫反射颜色算法采用 Lambert 模型。可通过下面代码直接将物体的着色模型改为 Flat：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Flat

Flat 着色模型渲染效果如图 2 所示：

图 2. Flat 着色模型效果

Flat 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

这些属性均在材质 公共属性 介绍过。另外，Flat 模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Gouraud

Gouraud 光照模型逐顶点的渲染光照颜色，随后将颜色在三角面内插值，得到的渲染效果比 Flat Gouraud 模型漫反射颜色计算方法采用 Lambert 模型，高光颜色计算方法采用 Phong 模型。可通过下面代码直接将物体的着色模型改为 Gouraud：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Gouraud

Gouraud 着色模型渲染效果如图 3 所示：

图 3. Gouraud 着色模型效果

Gouraud 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.specular : glm.vec3：镜面高光颜色；

• material.shininess_strength : float：镜面高光强度；

• material.shininess : float：闪耀度；

• material.glossiness : float：光泽度；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

这些属性均在材质 公共属性 介绍过。另外，Gouraud 模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.specular_map：镜面高光颜色贴图；

• material.shininess_map：闪耀度贴图；

• material.glossiness_map：光泽度贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Phong

Phong 光照模型逐像素的渲染光照颜色，因此得到的效果比 Gouraud 更平滑。Phong 光照模型在计算高光时，依据视线与反射向量的夹角的余弦值进行计算。其漫反射颜色计算方法采用 Lambert 模型。可通过以下代码直接将物体的着色模型改为 Phong：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Phong

Phong 着色模型效果如图 4 所示：

图 4. Phong 着色模型效果

为了与下面要介绍的 Phong-Blinn 模型进行对比，渲染一张采用 Phong 光照模型的地板：

from glass_engine import *
from glass_engine.Geometries import *
from glass_engine.Lights import *

scene, camera, dir_light, floor = SceneRoam()
scene.remove(dir_light)

camera.position.y = -20

point_light = PointLight()
point_light.generate_shadows = False
point_light.position.z = 5
scene.add(point_light)

sphere = Sphere(0.2)
sphere.color = 10*point_light.color
sphere.material.shading_model = Material.ShadingModel.Unlit
sphere.material.cast_shadows = False
sphere.material.recv_shadows = False
point_light.add_child(sphere)

floor.material.shading_model = Material.ShadingModel.Phong
# floor.material.shading_model = Material.ShadingModel.PhongBlinn

camera.screen.bloom = True
camera.screen.show()

效果如图 5 所示：

图 5. Phong 着色模型的地板

Phong 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.specular : glm.vec3：镜面高光颜色；

• material.shininess_strength : float：镜面高光强度；

• material.shininess : float：闪耀度；

• material.glossiness : float：光泽度；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

这些属性均在材质 公共属性 介绍过。另外，Phong 模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.specular_map：镜面高光颜色贴图；

• material.shininess_map：闪耀度贴图；

• material.glossiness_map：光泽度贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Phong-Blinn

Phong-Blinn 光照模型也是逐像素的渲染光照颜色，其在计算高光时，依据半程向量与表面法线夹角的余弦值进行计算。其漫反射颜色计算方法采用 Lambert 模型。可通过以下代码直接将物体的着色模型改为 Phong-Blinn：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.PhongBlinn

Phong-Blinn 着色模型效果如图 6 所示：

图 6. Phong-Blinn 着色模型效果

为了与上面介绍的 Phong 模型进行对比，同样渲染一张采用 Phong-Blinn 光照模型的地板，如图 7 所示：

图 7. Phong-Blinn 着色模型的地板

可以看出 Phong-Blinn 模型渲染的地板效果比 Phong 模型更加真实。

Phong-Blinn 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.specular : glm.vec3：镜面高光颜色；

• material.shininess_strength : float：镜面高光强度；

• material.shininess : float：闪耀度；

• material.glossiness : float：光泽度；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

这些属性均在材质 公共属性 介绍过。另外，Phong-Blinn 模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.specular_map：镜面高光颜色贴图；

• material.shininess_map：闪耀度贴图；

• material.glossiness_map：光泽度贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Oren-Nayar

Oren-Nayar 光照模型[1] 是一种纯漫反射模型，对漫反射现象采取了更接近物理的近似，其将粗糙度考虑进来。Michael Oren 和 Shree K. Nayar 在 1994 年提出的 Oren-Nayar 光照模型对 Lambert 漫反射进行了很好地扩展并被广泛应用在计算机图形学中。该模型仅含有漫反射而没有高光。可通过以下代码直接将物体的着色模型改为 Oren-Nayar：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.OrenNayar

Oren-Nayar 着色模型效果如图 8 所示：

图 8. Oren-Nayar 着色模型效果

Oren-Nayar 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.roughness : float：粗糙度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

除了 roughness 外，其他属性均在材质 公共属性 介绍过。roughness 取值范围为 0 到 1，默认为 0。不同 roughness 对 Oren-Nayar 模型的渲染效果影响如图 9 所示。

图 9. 不同粗糙度下 Oren-Nayar 模型渲染效果

另外，Oren-Nayar 着色模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.roughness_map：粗糙度贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Minnaert

Minnaert 光照模型[2] 是一种纯漫反射模型，最初被设计用于还原月亮的阴影，因此通常称为月亮着色模型。Minnaert 擅长模拟多孔或纤维表面，例如月亮或天鹅绒。这些表面会导致大量光反向散射。在纤维主要垂直于天鹅绒、丝绒甚至地毯等表面的地方，这一点尤其明显。可通过以下代码直接将物体的着色模型改为 Minnaert：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Minnaert

Minnaert 着色模型渲染效果如图 10 所示：

图 10. Minnaert 着色模型效果

Minnaert 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.roughness : float：粗糙度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

除了 roughness 外，其他属性均在材质 公共属性 介绍过。roughness 取值范围为 0 到正无穷，默认为 0。不同 roughness 对 Minnaert 模型的渲染效果影响如图 11 所示。

图 11. 不同粗糙度下 Minnaert 模型渲染效果

另外，Minnaert 着色模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.roughness_map：粗糙度贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Toon

Toon 着色模型为卡通模式渲染，基于 Phong 光照模型，但任何颜色不再渐变而是突变，能够产生卡通效果。可通过以下代码直接将物体的着色模型改为 Toon：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Toon

Toon 着色模型效果如图 12 所示：

图 12. Toon 着色模型效果

Toon 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.specular : glm.vec3：镜面高光颜色；

• material.shininess_strength : float：镜面高光强度；

• material.shininess : float：闪耀度；

• material.glossiness : float：光泽度；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.diffuse_bands : int：漫反射条带数；

• material.specular_bands : int：镜面高光条带数；

• material.diffuse_softness : float 漫反射条带过度软度；

• material.specular_softness : float 镜面高光条带过度软度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

其中以下属性为 Toon 模型特有属性：

• material.diffuse_bands : int：漫反射条带数；

• material.specular_bands : int：镜面高光条带数；

• material.diffuse_softness : float 漫反射条带过度软度；

• material.specular_softness : float 镜面高光条带过度软度；

漫反射条带数 diffuse_bands 设置范围应该大于 2，它对渲染效果的影响如图 13 所示：

图 13. 漫反射条带数对 Toon 着色效果的影响

镜面高光条带数 specular_bands 设置范围应该大于 2，它对渲染效果的影响如图 14 所示：

图 14. 镜面高光条带数对 Toon 着色效果的影响

漫反射条带过度软度 diffuse_softness 设置范围应该在 0 到 1 之间，它对渲染效果的影响如图 15 所示：

图 15. 漫反射条带过度软度对 Toon 着色效果的影响

镜面高光条带过度软度 specular_softness 设置范围应该在 0 到 1 之间，它对渲染效果的影响不明显，在此不再给出对比图。

另外，Toon 着色模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.specular_map：镜面高光颜色贴图；

• material.shininess_map：闪耀度贴图；

• material.glossiness_map：光泽度贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

Fresnel

Fresnel 为菲涅尔着色模型，无论光照方向如何，仅显示边缘光。可通过以下代码将物体的着色模型改为 Fresnel：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.Fresnel

Fresnel 着色模型效果如图 16 所示：

图 16. Fresnel 着色模型效果

Fresnel 着色模型所支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.diffuse : glm.vec3：漫反射颜色；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.rim_power : float：边缘光强度；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

这些属性虽然都在材质 公共属性 介绍过，但此处还需强调，Fresnel 着色模型的主要参数为 rim_power，rim_power 对 Fresnel 着色模型渲染效果的影响如图 17 所示：

图 17. 不同 rim_power 对 Fresnel 着色模型渲染效果的影响

另外，Fresnel 着色模型支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光颜色贴图；

• material.diffuse_map：漫反射颜色贴图；

• material.emission_map：自发光颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图。

PBR

PBR 着色模型为基于物理的渲染 (Physical Based Rendering, PBR) 着色模型，在 Glass Engine 中，PBR 模型采用金属度/粗糙度工作流，尚不支持高光/光泽度工作流。其漫反射部分采用 Lambert 模型，镜面高光部分采用 Cook-Torrance 模型。我们知道基于图像的光照 (Image Based Lighting, IBL) 是 PBR 的重要组成部分，但目前 Glass Engine 的 PBR 只支持直接光照，还不支持 IBL，这在进一步的开发计划当中。你可以通过以下代码将物体的着色模型改为 PBR：

mesh.material.shading_model = Material.ShadingModel.PBR

PBR 着色模型效果如图 18 所示：

图 18. PBR 着色模型效果

PBR 着色模型支持的材质属性包括：

• material.ambient : glm.vec3：环境光颜色；

• material.emission : glm.vec3：自发光颜色；

• material.metallic : float：金属度，取值范围在 0 到 1 之间，默认为 0.5；

• material.roughness : float：粗糙度，取值范围在 0 到 1 之间，默认为 0；

• material.base_color : glm.vec3：基础颜色；

• material.reflection : glm.vec4：环境映射层颜色；

• material.refractive_index : float：折射率；

• material.env_mix_diffuse : bool：环境映射与漫反射颜色是否混合；

• material.dynamic_env_mapping : bool：是否开启动态环境映射；

• material.auto_update_env_map : bool：是否自动更新环境映射贴图；

• material.opacity : float：材质不透明度；

• material.height_scale : float：凹凸夸张系数；

• material.fog : bool：是否受雾影响；

• material.recv_shadows : bool：是否接收阴影；

• material.cast_shadows : bool：是否投射阴影；

除了 公共属性 介绍过属性之外，PBR 着色模型特有的属性为：

• material.metallic : float：金属度；

• material.roughness : float：粗糙度；

• material.base_color : glm.vec3：基础颜色；

其中基础颜色 base_color 是你想要表现的主颜色，而金属度和粗糙度对 PBR 着色模型的渲染效果影响如图 19 所示：

图 19. 金属度和粗糙度对 PRB 渲染效果的影响

另外，PBR 模型所支持的纹理贴图包括：

• material.ambient_map：环境光贴图；

• material.emission_map：自发光贴图；

• material.metallic_map：金属度贴图；

• material.roughness_map：粗糙度贴图；

• material.base_color：基础颜色贴图；

• material.reflection_map：环境映射层颜色贴图；

• material.opacity_map：材质不透明度贴图；