Filament 實時渲染引擎介紹~~

作者：_子寬

來源：

https://blog.csdn.net/u010281174/article/details/107847966

摘要

Filament是一款Google開發(fā)的跨平臺的實時渲染引擎，支持PBR材質(zhì)，并且針對Android平臺做了優(yōu)化（畢竟Google親兒子）。本文將針對Filament的特點，簡單介紹Filament的一些特性，包括它的材質(zhì)系統(tǒng)和光照系統(tǒng)。

這些設(shè)計對于實現(xiàn)一款渲染器，特別是PBR渲染器具有一定的參考意義。至于具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，因為跟PBR理論重合度比較高，就不再贅述。

如果對這款引擎很感興趣，可以參考他們的文檔。這個文檔怎么說呢，詳細(xì)的地方非常詳細(xì)，簡略的地方一律“TODO”過，很神奇。

平臺特性

• 跨平臺，支持Android，IOS，Linux，maxOS，Windows
• 提供C++，Java，JavaScript API
• 底層圖形庫支持OpenGL 4.1+，OpenGL ES 3.0+，Metal，Vulkan 1.0，WebGL 2.0

渲染特性

• 支持Clustered forward renderer
• 支持microfacet BRDF
• 支持HDR/linear 光照
• 支持各向異性材質(zhì)
• 支持metallic，roughness，ao，normal mapping，texture mapping
• 支持布料渲染
• （弱）支持半透明材質(zhì)
• 支持IBL
• 支持物理相機(jī)模擬（快門，光圈等）
• 支持shadows
• 支持全局霧模擬
• 支持色彩系統(tǒng)（color grading）
• 支持FXAA，MSAA
• 支持動態(tài)分辨率

材質(zhì)系統(tǒng)

材質(zhì)模型

Filament定義了以下幾種材質(zhì)模型：

• Lit（standard）
• Subsurface
• Cloth
• Unlit

其中，第一種也是用的最多的一種，在別的渲染器可能稱為standard model/material。

Cloth用于模擬布料。

Unlit嚴(yán)格來說不算一種材質(zhì)，可以理解為在屏幕上顯示一些調(diào)試信息用的材質(zhì)。

Lit Model

Lit model是Filament支持最全面的也是最基礎(chǔ)的材質(zhì)模型，它是基于PBR模型的材質(zhì)，包含以下幾種屬性：

• baseColor，表示non-metallic表面的漫反射albedo，或者metallic表面的高光顏色
• metallic，表示材質(zhì)的金屬性，0代表dielectric，1.0代表conductor

metallic從0（左）到1（右）。

• roughness，表示材質(zhì)的粗糙度，1.0代表光滑，0代表粗糙

非金屬的roughness從0（左）到1（右）。

金屬的roughness從0（左）到1（右）。

• reflectance，表示Fresnel反射系數(shù)

reflectance從0（左）到1（右）。

• normal，表示材質(zhì)表面的局部法向偏移
• ambientOcclusion，表示環(huán)境光照強(qiáng)度
• emissive，表示材質(zhì)表面的發(fā)光程度
• anisotropy和anisotropyDirection，描述各向異性程度
• clearCoat，clearCoatRoughness和clearChatNormal，表示clear coat layer的參數(shù)
• bentNormal，用于提升間接光的效果
• postLightingColor，用于跟光照計算結(jié)果混合，描述特殊光照效果
• ior，表示物體的折射率

ior從1（左）到1.5（右）。

• transmission，表示物體的透明度

transmission從0（左）到1（右）。

• absorption，表示材質(zhì)對不同透射光線的吸收系數(shù)

absorption從 (0.0, 0.02, 0.14) (左)到 (0.0, 0.36, 2.3) (右)

• microThickness和thickness，材質(zhì)的厚度參數(shù)

其中，baseColor、metallic、roughness、reflectance、normal、ambientOcclusion、emissive都是PBR材質(zhì)中常用的參數(shù)，用法也基本一致。

有些物體表面會覆蓋一層薄薄的半透明材質(zhì)，類似于手機(jī)表面的貼膜。

但是這層薄膜也是有一定的顏色和朝向的，clear coat參數(shù)（clearCoat，clearCoatRoughness和clearChatNormal）就是用于描述這一層表面材質(zhì)，默認(rèn)它是各向同性、非金屬的。

其中clearCoat應(yīng)當(dāng)被視為布爾變量，描述的是是否存在此表面材質(zhì)。

clearCoat從0（左）到1（右）。

clearCoatRoughness從0（左）到1（右）。

除此之外，有些物體表面是各向異性的，例如朝單一方向磨砂的金屬。anisotropy參數(shù)可以用于描述這種材質(zhì)。

anisotropy從0（左）到1（右）。

Subsurface model

TODO

這個模型文檔里沒有介紹，我也沒有用過，因此這里先略過。后面慢慢看代碼吧。

Cloth model

Cloth模型用于描述類似于紡織物的布料材質(zhì)，這類布料的一個特點是其表面由纖維堆疊而成，會吸收和散射一定的入射光線。

Cloth model包含前面Lit model的各種參數(shù)，刪除了metallic和reflectance，額外添加兩個cloth相關(guān)的參數(shù)：

• sheenColor，描述高光反射的顏色

藍(lán)色纖維有（右）與沒有（左）sheenColor

• subsurfaceColor，描述次表面散射的顏色

白色布料（左）與帶棕色subsurface scatting的白色布料（右）

Unlit model

如前所述，Unlit model不算是一個材質(zhì)模型，它用于渲染天空盒，或場景中以外的物體，比如用戶界面的圖形和文字，或者用于調(diào)試。

如下圖所示。該模型只有三個參數(shù)：

• baseColor
• emissive
• postLightingColor

用法跟Lit model一致。

光照系統(tǒng)

Filament支持的光照可以分為直接光（direct lighting）和間接光（indirect lighting），前者包括：

• 方向光（directional lights）

• 精確光源（punctual lights），包括point lights和spot lights，二者的區(qū)別是point light是超各個方向均勻發(fā)光的，而spot light有一個朝向，朝向以外的區(qū)域光照強(qiáng)度逐漸減少，直至為零：

• Photometric lights，用配置文件描述光源發(fā)出的光線在各個方向上的強(qiáng)度，可以還原真實世界中的光源情況。

這一套描述是通用的光源描述，F(xiàn)ilament的用法是將描述文件處理為紋理，然后在渲染的時候取出來判斷計算光照。我理解這個光源其實是對spot light的拓展。

下圖展示了一些不同的光源描述文件。

• 光源（Area lights）：僅支持正方形和圓形的面光源。

間接光包括：

• Image-based lighting

光照參數(shù)

對于直接光來說，F(xiàn)ilament用以下參數(shù)來描述一個光源：

• Type，定義光源類型，包括directional，point，spot，area
• Direction，描述光線朝向，或者面光源的法向
• Color，描述光源發(fā)出的光線的顏色
• Intensity，描述光線強(qiáng)度
• Falloff radius，光源所能影響到的最大半徑
• Inner angle和Outer angle，描述spot light的內(nèi)外圓錐的角度
• Length和Radius，描述面光源的邊長、半徑
• Photometric profile，Masked profile和Photometric multiplier，描述puctual lights的屬性

Imaging Pipeline

Imaging pipeline用于對片元著色器輸出的顏色做進(jìn)一步處理，使其色彩更加真實。

包含以下幾個步驟：

• 白平衡
• 色彩分級
• 色調(diào)映射
• OETF（opto-electronic transfer function）

流程圖如下：

Physically based camera

基于物理的相機(jī)可以設(shè)置相關(guān)的相機(jī)參數(shù)，對成像效果進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用到的相機(jī)參數(shù)包括光圈（aperture）、快門（shutter speed）、敏感度（ISO）。

由于采用三個量表示曝光效果過于繁瑣，因此Filament將其簡化為exposure value，簡稱EV。

總結(jié)

總的來說，F(xiàn)ilament是一款還在開發(fā)中的渲染器，主要特點是PBR材質(zhì)系統(tǒng)，對Android的支持，色彩后處理系統(tǒng)，其次是半成熟的光照系統(tǒng)。

作為渲染領(lǐng)域的學(xué)習(xí)材料還是不錯的。