自定义 SCNGeometry 节点上基于物理的照明

Question

问题

如何定义 custom geometry from vertex data 上的材质，使其呈现与“典型”SCNNode 相同的效果？

---

详情

在这个场景中有

• 定向灯
• 使用physicallybased 光照模型的红色球体
• 使用基于物理的照明模型的蓝色球体
• 使用顶点数据的自定义 SCNGeometry，使用基于物理的照明模型

红色和蓝色球体按照我的预期呈现。自定义几何体中的两个点/球体是黑色的。

为什么？

---

这里是游乐场代码：

场景设置

import UIKit
import SceneKit
import PlaygroundSupport


// create a scene view with an empty scene
var sceneView = SCNView(frame: CGRect(x: 0, y: 0, width: 600, height: 600))
var scene = SCNScene()
sceneView.scene = scene
sceneView.backgroundColor = UIColor(white: 0.75, alpha: 1.0)
sceneView.allowsCameraControl = true
PlaygroundPage.current.liveView = sceneView

let directionalLightNode: SCNNode = {
    let n = SCNNode()
    n.light = SCNLight()
    n.light!.type = SCNLight.LightType.directional
    n.light!.color = UIColor(white: 0.75, alpha: 1.0)
    return n
}()

directionalLightNode.simdPosition = simd_float3(0,5,0) // Above the scene
directionalLightNode.simdOrientation = simd_quatf(angle: -90 * Float.pi / 180.0, axis: simd_float3(1,0,0)) // pointing down

scene.rootNode.addChildNode(directionalLightNode)

// a camera
var cameraNode = SCNNode()
cameraNode.camera = SCNCamera()
cameraNode.simdPosition = simd_float3(0,0,5)
scene.rootNode.addChildNode(cameraNode)

添加蓝色和红色球体

// ----------------------------------------------------
// Example creating SCNSphere Nodes directly

// Sphere 1
let sphere1 = SCNSphere(radius: 0.3)
let sphere1Material = SCNMaterial()
sphere1Material.diffuse.contents = UIColor.red
sphere1Material.lightingModel = .physicallyBased
sphere1.materials = [sphere1Material]

let sphere1Node = SCNNode(geometry: sphere1)
sphere1Node.simdPosition = simd_float3(-2,0,0)

// Sphere2
let sphere2 = SCNSphere(radius: 0.3)
let sphere2Material = SCNMaterial()
sphere2Material.diffuse.contents = UIColor.blue
sphere2Material.lightingModel = .physicallyBased
sphere2.materials = [sphere2Material]

let sphere2Node = SCNNode(geometry: sphere2)
sphere2Node.simdPosition = simd_float3(-1,0,0)

scene.rootNode.addChildNode(sphere1Node)
scene.rootNode.addChildNode(sphere2Node)

添加自定义 SCNGeometry

// ----------------------------------------------------
// Example creating SCNGeometry using vertex data
struct Vertex {
    let x: Float
    let y: Float
    let z: Float
    let r: Float
    let g: Float
    let b: Float
}

let vertices: [Vertex] = [
    Vertex(x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 1.0, g: 0.0, b: 0.0),
    Vertex(x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 0.0, g: 0.0, b: 1.0)
]

let vertexData = Data(
    bytes: vertices,
    count: MemoryLayout<Vertex>.size * vertices.count
)

let positionSource = SCNGeometrySource(
    data: vertexData,
    semantic: SCNGeometrySource.Semantic.vertex,
    vectorCount: vertices.count,
    usesFloatComponents: true,
    componentsPerVector: 3,
    bytesPerComponent: MemoryLayout<Float>.size,
    dataOffset: 0,
    dataStride: MemoryLayout<Vertex>.size
)
let colorSource = SCNGeometrySource(
    data: vertexData,
    semantic: SCNGeometrySource.Semantic.color,
    vectorCount: vertices.count,
    usesFloatComponents: true,
    componentsPerVector: 3,
    bytesPerComponent: MemoryLayout<Float>.size,
    dataOffset: MemoryLayout<Float>.size * 3,
    dataStride: MemoryLayout<Vertex>.size
)

let elements = SCNGeometryElement(
    data: nil,
    primitiveType: .point,
    primitiveCount: vertices.count,
    bytesPerIndex: MemoryLayout<Int>.size
)
        
elements.pointSize = 100
elements.minimumPointScreenSpaceRadius = 100
elements.maximumPointScreenSpaceRadius = 100

let spheres = SCNGeometry(sources: [positionSource, colorSource], elements: [elements])
let sphereNode = SCNNode(geometry: spheres)

let sphereMaterial = SCNMaterial()
sphereMaterial.lightingModel = .physicallyBased

spheres.materials = [sphereMaterial]

sphereNode.simdPosition = simd_float3(0,0,0)
scene.rootNode.addChildNode(sphereNode)

---

一些探索

添加 normals 现在会显示颜色，但会显示所有方向（即没有阴影）。

我添加了黑色SCNSphere() 和VertexData 的第三个点，两者都使用相同的RGB 值，但VertexData 对象中的黑色显得太“浅”

let vertices: [Vertex] = [
    Vertex(x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 1.0, g: 0.0, b: 0.0),
    Vertex(x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 0.0, g: 0.0, b: 1.0),
    Vertex(x: 0.0, y: 1.0, z: 0.0, r: 0.07, g: 0.11, b: 0.12)
]

let vertexData = Data(
    bytes: vertices,
    count: MemoryLayout<Vertex>.size * vertices.count
)

let normals = Array(repeating: SCNVector3(1,1,1), count: vertices.count)
let normalSource = SCNGeometrySource(normals: normals)

///
///

let spheres = SCNGeometry(
    sources: [
        positionSource,
        normalSource,
        colorSource
    ],
    elements: [elements]
)

Answer 1

根据documentation，制作自定义几何图形需要 3 个步骤。

1. 创建一个包含 3D 形状顶点的 SCNGeometrySource。
2. 创建一个包含索引数组的SCNGeometryElement，显示顶点如何连接。
3. 将SCNGeometrySource 源和SCNGeometryElement 组合成SCNGeometry。

让我们从第 1 步开始。您希望您的自定义几何图形成为 3D 形状，对吗？不过，您只有 2 个顶点。

let vertices: [Vertex] = [         /// what's `r`, `g`, `b` for btw? 
    Vertex(x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 1.0, g: 0.0, b: 0.0),
    Vertex(x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 0.0, g: 0.0, b: 1.0)
]

这将形成一条线......

制作 3D 形状的常用方法是使用三角形。让我们再添加 2 个顶点来制作金字塔。

let vertices: [Vertex] = [
    Vertex(x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 1.0, g: 0.0, b: 0.0), /// vertex 0
    Vertex(x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0, r: 0.0, g: 0.0, b: 1.0), /// vertex 1
    Vertex(x: 1.0, y: 0.0, z: -0.5, r: 0.0, g: 0.0, b: 1.0), /// vertex 2
    Vertex(x: 0.0, y: 1.0, z: 0.0, r: 0.0, g: 0.0, b: 1.0), /// vertex 3
]

现在，我们需要将顶点转换为 SceneKit 可以处理的东西。在您当前的代码中，您将vertices 转换为Data，然后使用init(data:semantic:vectorCount:usesFloatComponents:componentsPerVector:bytesPerComponent:dataOffset:dataStride:) 初始化程序。

let vertexData = Data(
    bytes: vertices,
    count: MemoryLayout<Vertex>.size * vertices.count
)
let positionSource = SCNGeometrySource(
    data: vertexData,
    semantic: SCNGeometrySource.Semantic.vertex,
    vectorCount: vertices.count,
    usesFloatComponents: true,
    componentsPerVector: 3,
    bytesPerComponent: MemoryLayout<Float>.size,
    dataOffset: 0,
    dataStride: MemoryLayout<Vertex>.size
)

这是非常先进和复杂的。使用init(vertices:) 会更容易。

let verticesConverted = vertices.map { SCNVector3($0.x, $0.y, $0.z) } /// convert to `[SCNVector3]`
let positionSource = SCNGeometrySource(vertices: verticesConverted)

现在您已经获得了SCNGeometrySource，是时候进行第 2 步了——通过SCNGeometryElement 连接顶点。在您当前的代码中，您使用init(data:primitiveType:primitiveCount:bytesPerIndex:)，然后传入nil...

let elements = SCNGeometryElement(
    data: nil,
    primitiveType: .point,
    primitiveCount: vertices.count,
    bytesPerIndex: MemoryLayout<Int>.size
)

如果数据本身是nil，SceneKit 将如何知道如何连接您的顶点？但无论如何，还有一个更简单的初始化程序：init(indices:primitiveType:)。这需要FixedWidthInteger 的数组，每个代表positionSource 中的一个顶点。

那么FixedWidthInteger 是如何表示每个顶点的呢？好吧，还记得你是如何将verticesConverted（SCNVector3 的数组）传递给positionSource 的吗？ SceneKit 将每个FixedWidthInteger 视为一个索引，并使用它访问verticesConverted。

由于索引总是整数和正数，UInt16 应该没问题（它符合FixedWidthInteger）。

/// pairs of 3 indices, each representing a vertex
let indices: [UInt16] = [
   ​0, 1, 3, /// front triangle
   ​1, 2, 3, /// right triangle
   ​2, 0, 3, /// back triangle
   ​3, 0, 2, /// left triangle
   ​0, 2, 1 /// bottom triangle
]
let element = SCNGeometryElement(indices: indices, primitiveType: .triangles)

这里的顺序非常具体。默认情况下，SceneKit 只渲染三角形的正面，并且为了区分正面和背面，它依赖于您的排序。基本规则是：逆时针表示前面。

所以提到第一个三角形，你可以说：

• ​0, 1, 3
• 1、3、0
• 3、0、1

一切都很好。最后，步骤 3 超级简单。只需将SCNGeometrySource 和SCNGeometryElement 结合起来即可。

let geometry = SCNGeometry(sources: [positionSource], elements: [element])

就是这样！现在您的SCNGeometrySource 和SCNGeometryElement 都已正确设置，lightingModel 将正常工作。

/// add some color
let material = SCNMaterial()
material.diffuse.contents = UIColor.orange
material.lightingModel = .physicallyBased
geometry.materials = [material]

/// add the node
let node = SCNNode(geometry: geometry)
scene.rootNode.addChildNode(node)

---

注意事项：

• 我注意到您尝试使用 2 SCNGeometrySources。第二个是用SCNGeometrySource.Semantic.color添加颜色，对吧？我使用的更简单的初始化程序init(vertices:)，默认为.vertex。如果你想要每个顶点的颜色或其他东西，你可能需要返回init(data:semantic:vectorCount:usesFloatComponents:componentsPerVector:bytesPerComponent:dataOffset:dataStride:)。
• 尝试sceneView.autoenablesDefaultLighting = true 以获得更好的照明效果
• Full demo playground here

---

编辑：单顶点球体？

您不应该使用单个点来制作球体。如果你打算这样做......

elements.pointSize = 100
elements.minimumPointScreenSpaceRadius = 100
elements.maximumPointScreenSpaceRadius = 100

...那么 2D Circle 将是你能得到的最好的。

那是因为，根据pointSize documentation：

SceneKit 可以将每个点渲染为一个始终面向相机的小型 2D 表面。通过向该表面应用纹理或自定义着色器，您可以一次有效地渲染许多小对象。

由于渲染的内容实际上只是一个旋转以面对您的圆圈，.physicallyBased 照明将不起作用（.constant 将，但仅此而已）。最好用许多小三角形制作你的球体，比如上面答案中的金字塔。这也是 Apple 使用其内置几何体所做的事情，包括 SCNSphere。

let sphere = SCNSphere(radius: 1)
let sphereMaterial = SCNMaterial()
sphereMaterial.diffuse.contents = UIColor.purple
sphereMaterial.fillMode = .lines /// add this to see the triangles
sphereMaterial.lightingModel = .physicallyBased
sphere.materials = [sphereMaterial]

let sphereNode = SCNNode(geometry: sphere)
scene.rootNode.addChildNode(sphereNode)