iOS ARKit 光照效果之光源

• 光照

     在现实世界中，光扮演了极其重要的角色，没有光万物将失去色彩，没有光世界将一片漆黑。在3D数字世界中亦是如此，3D数字世界本质上是一个使用数学精确描述的真实世界复本，光照计算是影响这个数字世界可信度的极其重要的因素。

• 光源

     顾名思义，光源即是光的来源，常见的光源有阳光、月光、星光、灯光等。光的本质其实很复杂，它是一种电磁辐射但却有波粒二象性（我们不会深入研究光学，那将是一件非常复杂且枯燥的工作，在计算机图形学中，只需要了解一些简单的光学属性并应用）。在实时渲染时，通常把光源当成一个没有体积的点，用工表示由其发射光线的方向，使用辐照度（Irradiance）量化光照强度。对平行光而言，它的辐照度可以通过计算在垂直于L 的单位面积上单位时间内穿过的能量衡量。在图形学中考虑光照，我们只要想象光源会向空间中发射带有能量的光子，然后这些光子会与物体表面发生作用（反射、折射和吸收），最后的结果是我们看到物体的颜色和各种纹理。

•  RealityKit 中的光源

    iOS Reality Kit 支持3种光源类型：平行光（DirectionalLight）、点光（PointLigbt）、聚光（SpotLight），分别同于模拟太阳光、普通灯泡类灯光、手电筒类灯光，组合使用这3种光源类型可以实现绝大部分光照效果道染需求。实际上，RealityRit还支持环境光，但 RealityKit 中的环境光照并不直接来自光源，而是使用IBL（Image Based Lighting，基于图像的光照）技术从背景图像中提取。

      RealityKit 采用IBL 技术的初衷是增强3D虚拟元素的真实感，使用该技术可以从提供的环境资源貼因中提取环境信息及光照信息。环境资源贴图定义了AR环境中的大概颜色及明暗信息，利用这些信息，RealityKit 可以将其用于环境反射以增强虚拟元素的真实感和可信。

    使用环境资源贴图首先需要新建一个以.skybox为后辍的文件夹，并在该文件夹中放置使用的环境资源文件。环净资源贴图文件需为等距杜状投影环境图（经纬投影图）。將该文件实拖入 Xeode 工程文年写藏窗口中，在弹出的“选项”对 框中选择文件实引用（不要使用组），这样在工程编译译时 Xcode会自动打包该文件夹中所有的资源。

     Reality Kit 环境资源贴图类型支持常见图像格式，如.png 和.jpg 格式图像文件，但获得表现力更丰富：颜色更饱满的照明和反射效果，建议使用.exr或，bdr 格式图像，这两种格式支持高动态范围，用于环境反射效果更出色。

    在 RealityKit 中使用环境资源贴图只需要将贴图文件赋给 ARView. environment. background 属性，由干环境资源贴图放在特定的文件夹中，RealityKit 也提供了简洁的贴图加载方式，大大地简化了开发者的工作，典型代码如代码如下所示。

arView.environment.background = .skybox(try! EnvironmentResource.load(named: "Space"))

    平行光用于模拟在远处发射的光照效果，在Reality Kit中，使用平行光的代码如下：

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//  DirectionalLightView.swift
//  ARKitDeamo
//
//  Created by Zhaoquan on 2023/1/7.
//

import SwiftUI
import RealityKit
import ARKit

struct DirectionalLightView : View {
    var body: some View {
        return ARViewContainer11().edgesIgnoringSafeArea(.all)
    }
}

struct ARViewContainer11: UIViewRepresentable {
    
    func makeUIView(context: Context) -> ARView {
        
        let arView = ARView(frame: .zero)
        let config = ARWorldTrackingConfiguration()
        config.planeDetection = .horizontal
        config.worldAlignment = .gravity
        arView.session.run(config, options:[ ])
        arView.session.delegate = arView
        arView.createPlane11()
        
        return arView
        
    }
    
    func updateUIView(_ uiView: ARView, context: Context) {
    }
}

var boxMesh = MeshResource.generateBox(size: 0.1)
var boxMaterial = SimpleMaterial(color:.white,isMetallic: false)
var boxEntity11 = ModelEntity(mesh:boxMesh,materials:[boxMaterial])

var planeMesh11 = MeshResource.generatePlane(width: 0.3,depth: 0.3)
var planeMaterial11 = SimpleMaterial(color:.white,isMetallic: false)
var planeEntity11 = ModelEntity(mesh:planeMesh11,materials:[planeMaterial11])

extension ARView {
    func createPlane11(){
        let planeAnchor = AnchorEntity(plane:.horizontal,classification: .any,minimumBounds: [0.3,0.3])
        planeAnchor.addChild(boxEntity11)
        var tf = boxEntity11.transform
        tf.translation = SIMD3(tf.translation.x,tf.translation.y + 0.06,tf.translation.z)
        boxEntity11.move(to: tf, relativeTo: nil)
        planeAnchor.addChild(planeEntity11)
        
        //添加平行光源
        let directionalLight = DirectionalLight()
        //光照强度
        directionalLight.light.intensity = 50000
        //光照颜色
        directionalLight.light.color = UIColor.red
        directionalLight.light.isRealWorldProxy = false
        
        directionalLight.look(at: [0, 0, 0], from: [0.01, 1, 0.01], relativeTo: nil)
        planeAnchor.addChild(directionalLight)
        self.scene.addAnchor(planeAnchor)
    }
}


#if DEBUG
struct DirectionalLightView_Previews : PreviewProvider {
    static var previews: some View {
        ARViewContainer11()
    }
}
#endif

    对平行光而言，光源位置并不重要，重要的是光照方向，在实际开发中，经常使用平行光的look（）方法设置光照方向。

   点光从光源位置向所有方向发射光线，当光线沿各方向传播时会出现衰减，在RealityKit 中使用 attenuationRadius 参数表示光线最大有效距离，即超出该距离后的物体无法被光源照射。使用点光时，不仅要指定光源位置，还需要指定衰减半径，典型的点光使用代码如代码如下。

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//  PointLightView.swift
//  ARKitDeamo
//
//  Created by Zhaoquan on 2023/1/7.
//

import SwiftUI
import RealityKit
import ARKit

struct PointLightView : View {
    var body: some View {
        return ARViewContainer12().edgesIgnoringSafeArea(.all)
    }
}

struct ARViewContainer12: UIViewRepresentable {
    
    func makeUIView(context: Context) -> ARView {
        
        let arView = ARView(frame: .zero)
        let config = ARWorldTrackingConfiguration()
        config.planeDetection = .horizontal
        config.worldAlignment = .gravity
        arView.session.run(config, options:[ ])
        arView.session.delegate = arView
        arView.createPlane12()
        return arView
    }
    
    func updateUIView(_ uiView: ARView, context: Context) {
    }
}



extension ARView {
    func createPlane12(){
        let planeAnchor = AnchorEntity(plane:.horizontal,classification: .any,minimumBounds: [0.3,0.3])
        
        let planeMesh = MeshResource.generatePlane(width: 0.8,depth: 0.8)
        let planeMaterial = SimpleMaterial(color:.white,isMetallic: false)
        let planeEntity = ModelEntity(mesh:planeMesh,materials:[planeMaterial])
        planeAnchor.addChild(planeEntity)
        
        let boxMesh = MeshResource.generateBox(size: 0.1)
        let boxMaterial = SimpleMaterial(color:.white,isMetallic: false)
        let boxEntity = ModelEntity(mesh:boxMesh,materials:[boxMaterial])
        planeAnchor.addChild(boxEntity)
        //添加点光源
        let l = PointLight()
        l.light = PointLightComponent(color: .green, intensity: 5000, attenuationRadius: 0.5)
        l.position = [planeEntity.position.x , planeEntity.position.y + 0.5,planeEntity.position.z+0.2]
        l.move(to: l.transform, relativeTo: nil)
        
        let lightAnchor = AnchorEntity(world: l.position)
        lightAnchor.components.set(l.light)
        self.scene.addAnchor(lightAnchor)
        self.scene.addAnchor(planeAnchor)
    }
}


#if DEBUG
struct PointLightView_Previews : PreviewProvider {
    static var previews: some View {
        ARViewContainer12()
    }
}
#endif

    聚光沿圆锥体发射光线，类似于手电筒的发光效果，其光线在传播时也会出现衰减，同时，在使用光需要指定圆锥角（innerAngleInDegrees）、聚光方向角（outerAngleInDegrees） 和光照方向，典型的聚光使用代码如下所示。

//
//  SpotLightView.swift
//  ARKitDeamo
//
//  Created by Zhaoquan on 2023/1/7.
//


import SwiftUI
import RealityKit
import ARKit

struct SpotLightView : View {
    var body: some View {
        return ARViewContainer12().edgesIgnoringSafeArea(.all)
    }
}

struct ARViewContainer13: UIViewRepresentable {
    
    func makeUIView(context: Context) -> ARView {
        
        let arView = ARView(frame: .zero)
        let config = ARWorldTrackingConfiguration()
        config.planeDetection = .horizontal
        config.worldAlignment = .gravity
        arView.session.run(config, options:[ ])
        arView.session.delegate = arView
        arView.createPlane13()
        return arView
        
    }
    
    func updateUIView(_ uiView: ARView, context: Context) {
    }
}
/*
class SpotLight: Entity, HasSpotLight {

    required init() {
        super.init()
        self.light = SpotLightComponent(color: .yellow,intensity: 50000, innerAngleInDegrees: 60,outerAngleInDegrees: 130,attenuationRadius: 5)
    }
}
 */

var planeMesh13 = MeshResource.generatePlane(width: 0.8,depth: 0.8)
var planeMaterial13 = SimpleMaterial(color:.white,isMetallic: false)
var planeEntity13 = ModelEntity(mesh:planeMesh13,materials:[planeMaterial13])

extension ARView : ARSessionDelegate{
    func createPlane13(){
        let planeAnchor = AnchorEntity(plane:.horizontal,classification: .any,minimumBounds: [0.3,0.3])
        planeAnchor.addChild(planeEntity13)
        let l = SpotLight()
        l.light = SpotLightComponent(color: .yellow, intensity: 5000, innerAngleInDegrees: 5, outerAngleInDegrees: 80, attenuationRadius: 2)
        l.position = [planeEntity13.position.x , planeEntity13.position.y + 0.1,planeEntity13.position.z+0.5]
        l.move(to: l.transform, relativeTo: nil)
        let lightAnchor = AnchorEntity(world: l.position)
        l.look(at: planeEntity13.position, from: l.position, relativeTo: nil)
        lightAnchor.components.set(l.light)
        self.scene.addAnchor(lightAnchor)
        self.scene.addAnchor(planeAnchor)
    }
}


#if DEBUG
struct SpotLightView_Previews : PreviewProvider {
    static var previews: some View {
        ARViewContainer13()
    }
}
#endif

     利用光照可以在数字世界中模拟真实物体的照明效果，营造真实可信的虛实融合场景，但光照计算是一頂对资源消耗比较大的任务，场最中光源设置得越多，对性能消耗就越大，为提商应用性能，需要控制场果中的光源数量，或者使用顶渲染的纹理贴图替代实时光照计算。RealityKit 中各光源类型对资源消耗排序为：聚光＞点光＞平行光＞环境光，聚光对性能消耗最大，需谨慎使用。