【Chrono Engine学习总结】6-创建自定义场景-6.2-chrono中的光线设置

news2024/9/23 23:32:47

由于Chrono的官方教程在一些细节方面解释的并不清楚，自己做了一些尝试，做学习总结。

上一篇文章中，自己【用sketchup重建了三维场景】，但导入chrono中颜色很不正确，几乎都是白色的，但也不是完全白色。经过了一系列的测试，找到了问题。

在这里插入图片描述

说明：由于本人不专门搞三维重建，因此可能有表述用词不严谨，本文仅供说明含义，没有去究用词。

1、obj格式文件的存储

从Sketchup导出带纹理信息的obj文件后，会生成三个文件：xxx.obj, xxx.mtl，和xxx文件夹。在这里插入图片描述

其中，xxx.obj是三维模型，不带有任何贴图，没有颜色的。mtl文件为material的缩写，表示模型的材质，xxx文件夹是具体的贴图图片。

进一步解释，就是在（chrono/meshlab/cloudcompare）打开一个obj文件时，如果找到了obj文件对应的mtl文件，就会根据mtl文件中定义的每个mesh面的参数，加载贴图。

一个典型的mtl文件的内容如下：

## Alias OBJ Material File
# Exported from SketchUp, (c) 2000-2012 Trimble Navigation Limited

newmtl TGA2021_6_302
Ka 0.200000 0.000000 0.000000
Kd 0.349020 0.337255 0.313725
Ks 0.330000 0.330000 0.330000
map_Kd outdoor_simple/TGA2021_6_302.jpg

# 下一个面的参数

其中Ka, Kd, Ks为三个参数，下面会讲；最后的map_Kd就是贴图，对应的贴图在xxx文件夹当中。贴在TGA2021_6_302这个面上。

如果说找不到mtl文件，或者丢失了纹理文件夹，打开obj就是一个没颜色的，如下图。同时，meshlab或者cloudcompare都会警告你没有找到对应的纹理：

在这里插入图片描述

2、mtl文件参数说明

直接贴chatgpt给出的说明：

Ka (Ambient Reflectivity, 环境反射率)：
解释：Ka 用于定义材质的环境光反射率，也就是材质在环境光（ambient light）下的颜色。
格式：Ka R G B，其中 R、G、B 是红、绿、蓝三种颜色的反射率值，范围通常为 0.0 到 1.0。
作用：环境光是模拟从所有方向均匀照射到物体上的光，它的反射率决定了物体在环境光下的基本颜色。
示例：Ka 0.200000 0.200000 0.200000 表示材质在环境光下反射 20% 的红、绿、蓝光。

Kd (Diffuse Reflectivity, 漫反射率)：
解释：Kd 用于定义材质的漫反射光反射率，也就是材质在漫射光（diffuse light）下的颜色。
格式：Kd R G B，同样 R、G、B 的范围为 0.0 到 1.0。
作用：漫射光是从特定方向照射到物体上，并在表面均匀反射的光。它主要影响材质的颜色和亮度。
示例：Kd 1.000000 1.000000 1.000000 表示材质在漫射光下反射 100% 的红、绿、蓝光，即材质呈现白色。

Ks (Specular Reflectivity, 镜面反射率)：
解释：Ks 用于定义材质的镜面反射光反射率，也就是材质在镜面光（specular light）下的颜色。
格式：Ks R G B，同样 R、G、B 的范围为 0.0 到 1.0。
作用：镜面光是模拟光线在表面反射产生的高光（specular highlights），它的反射率决定了材质的光泽度和反射光的颜色。
示例：Ks 0.330000 0.330000 0.330000 表示材质在镜面光下反射 33% 的红、绿、蓝光。

也就是说，Ka是对“环境光/ambient light”的“显示”，Kd和Ks是对主动光的“显示”。

环境光：模拟从所有方向均匀照射到物体上的光，它的反射率决定了物体在环境光下的基本颜色。
特定光/主动光：不同于环境光的光线，物体受到主动光后，会“漫反射”和“镜面反射”

3、问题分析

从sketchup导出的文件可以看出，所有物体的Ka都是0，仅存在Kd和Ks。所以，这个帖图受环境光影响，只受主动光照的影响。

在这里插入图片描述
那么，既然场景中都是白色，是不是因为太亮了？
代码中的实现如下：

vis->AddLight(ChVector<>(-50, -50, 200), 300, ChColor(0.7f, 0.7f, 0.7f))
vis->AddLight(ChVector<>(+50, +50, 200), 300, ChColor(0.7f, 0.7f, 0.7f));
vis->AddLight(ChVector<>(-50, +50, 200), 300, ChColor(0.7f, 0.7f, 0.7f));
vis->AddLight(ChVector<>(+50, -50, 200), 300, ChColor(0.7f, 0.7f, 0.7f));

可以看出，之前照抄的这段代码，打了4束主动光，强度都是0.7。那么再综合Kd这个漫反射参数，可以发现，4个0.7作用下，乘以漫反射系数，仍然超过了1，因此显示出了白色。所以，如果把0.7改小，是不是会有所好转？

改成0.2f后，确实山的颜色正常了，但问题是阴影区域颜色太暗了，看不清。
在这里插入图片描述
那么再回到Ka参数，既然都是0，那么修改Ka是不是能解决？于是将Ka的0全部修改为1试了下，没有任何效果。

什么原因呢？那就是环境中并没有“环境光”，chrono中AddLight添加的是主动光，而不是环境光。于是搜了半天，果然chrono中可以添加环境光，代码如下（添加“满”环境光，即255）：

vis->GetSceneManager()->setAmbientLight(irr::video::SColor(0, 255, 255, 255));

注意：这个函数在chrono不同版本中的定义不同，请自行查找自己版本的代码对应的定义。四个参数可能是alpha, r, g, b，也可能是r,g,b,alpha；可能是u32类型，也可能是float类型。

这样，就可以看到物体“本身”的颜色了。只不过这样主动光再一叠加，主动光直射部分还是容易泛白，因此我们可以把主动光全部关掉，只留环境光。

在这里插入图片描述

但是此时又发现了一个问题，那就是“纯色”区域显示的是灰色的，例如右侧的山峰。这是因为纯色区域在mtl文件中并没有“贴图”，只是通过Kd和Ks参数控制了颜色，因此主动光是0时环境光的Ka参数都是1，所以就会是灰色的。比如，下面这个xtl中stone1是贴图，而Vegetatin_Blur7是纯色（没有贴图文件）：
在这里插入图片描述

因此，再把纯色区域的Ka不要设置成全1，而是用Kd参数即可。下图中“山”的颜色正常了。但改起来比较麻烦，可以写个脚本自动实现。

在这里插入图片描述

4、总结

啰嗦半天，更多的展示了试凑过程。总结如下：

obj文件的颜色来自mtl文件定义，有两种颜色：贴图或者是纯色
obj中的每个面有三个参数决定颜色，Ka，Kd和Ks；Ka是“环境光”的“响应”，Kd是“主动光”的散射，Ks是“主动光”的反射，大概是一个：“颜色=(环境光 x Ka) + (主动光 x Kd) + (主动光 x 观看角度 x Ks)” 这么一个关系（不是严格表达式，仅供理解）
chrono的光照有两种，主动光由代码AddLight添加，或者环境光由setAmbientLight添加；
chrono中最终显示的mesh颜色，由主动光和Kd/Ks参数作用，加上环境光和Ka作用最终实现。区域白色说明主动光+环境光过高了，黑色区域为主动光少/遮挡/环境光太暗，对应上述公式调整；
调整思路，就是直接改变主动光或环境光，如果物体本身的材质差距比较大，再去编辑mtl文件修改对应参数