教程 3：外观和材质（60分钟）

目标与简介

本教程将深入探讨Webots中的外观和材质系统。你将学习如何创建自定义材质、应用纹理、设置光照效果，以及如何通过编程方式动态改变对象的外观。本教程基于官方教程3。

1. 环境准备

在开始本教程之前，请确保你已经完成了教程2，并且有一个包含多个对象的环境。我们将基于之前创建的环境来学习外观和材质系统。

📝 动手实践 #1：打开之前创建的项目，加载世界文件。确保场景中有 RectangleArena、WoodenBox、MetalBox 和 E-puck 机器人。暂停仿真并重置到初始状态。

2. 基础材质

Webots中的材质系统基于VRML97标准，支持多种材质属性。让我们从基础材质开始学习。

📝 动手实践 #2：为 WoodenBox 创建自定义材质：

双击 WoodenBox 节点，展开 appearance 字段
在 material 字段中，设置以下属性：

diffuseColor：0.6 0.4 0.2（深棕色）
specularColor：0.1 0.1 0.1（低反光）
shininess：0.3（低光泽度）
transparency：0.0（不透明）

📝 动手实践 #3：为 MetalBox 创建金属材质：

双击 MetalBox 节点，展开 appearance 字段
在 material 字段中，设置以下属性：

diffuseColor：0.8 0.8 0.9（银白色）
specularColor：0.9 0.9 1.0（高反光）
shininess：0.9（高光泽度）
ambientIntensity：0.2（环境光强度）

3. 纹理应用

纹理可以为对象添加更真实的外观。Webots支持多种纹理格式，包括图像纹理和程序化纹理。

📝 动手实践 #4：为木箱添加木纹纹理：

在 WoodenBox 的 appearance 字段中，展开 texture
设置 url 为 "textures/wood.jpg"
设置 repeatS 为 TRUE，repeatT 为 TRUE
设置 wrapS 为 "REPEAT"，wrapT 为 "REPEAT"

📝 动手实践 #5：创建程序化纹理：

添加一个新的 Box 节点到场景中
在 appearance 字段中，设置 texture 的 url 为 "textures/checkerboard.png"
设置 transformation 字段：

translation：0 0 0
rotation：0 0 1 0
scale：2 2 1（放大纹理）

4. 编程方式修改外观

通过Python控制器，我们可以动态地修改对象的外观。这为创建交互式仿真提供了强大的功能。

📝 动手实践 #6：创建一个控制器来动态改变颜色：

from controller import Robot, Node
import math

TIME_STEP = 64

# 创建机器人实例
robot = Robot()

# 获取场景中的对象
scene = robot.getFromDef("WOODEN_BOX")
if scene:
    # 获取外观节点
    appearance = scene.getField("appearance")
    if appearance:
        # 获取材质节点
        material = appearance.getSFNode()
        if material:
            # 获取漫反射颜色字段
            diffuse_color = material.getField("diffuseColor")
            
            # 创建颜色变化动画
            time = 0
            while robot.step(TIME_STEP) != -1:
                # 计算新的颜色值（彩虹效果）
                r = 0.5 + 0.5 * math.sin(time * 0.1)
                g = 0.5 + 0.5 * math.sin(time * 0.1 + 2 * math.pi / 3)
                b = 0.5 + 0.5 * math.sin(time * 0.1 + 4 * math.pi / 3)
                
                # 设置新的颜色
                diffuse_color.setSFColor([r, g, b])
                
                time += 1

📝 动手实践 #7：创建透明度动画效果：

from controller import Robot, Node
import math

TIME_STEP = 64

# 创建机器人实例
robot = Robot()

# 获取金属箱对象
metal_box = robot.getFromDef("METAL_BOX")
if metal_box:
    # 获取外观节点
    appearance = metal_box.getField("appearance")
    if appearance:
        # 获取材质节点
        material = appearance.getSFNode()
        if material:
            # 获取透明度字段
            transparency = material.getField("transparency")
            
            # 创建透明度动画
            time = 0
            while robot.step(TIME_STEP) != -1:
                # 计算透明度值（0到1之间变化）
                alpha = 0.5 + 0.5 * math.sin(time * 0.05)
                
                # 设置透明度
                transparency.setSFFloat(alpha)
                
                time += 1

5. 高级外观效果

Webots支持一些高级的外观效果，包括法线贴图、环境贴图等。让我们探索这些高级功能。

📝 动手实践 #8：添加法线贴图：

在 WoodenBox 的 appearance 中，展开 textureTransform
设置 center 为 0.5 0.5
设置 rotation 为 0.785（45度）
设置 scale 为 2 2
在 material 中，设置 normalMap 为 "textures/wood_normal.jpg"

📝 动手实践 #9：创建环境贴图效果：

为 MetalBox 添加环境贴图
在 material 中，设置 environmentMap 为 "textures/skybox.jpg"
设置 reflection 为 0.8（高反射率）
调整 shininess 为 1.0（最大光泽度）

📝 动手实践 #10：创建发光材质：

添加一个新的 Sphere 节点
设置 emissiveColor 为 1 0 0（红色发光）
设置 diffuseColor 为 0.2 0 0（暗红色）
设置 shininess 为 0.1（低光泽度）
运行仿真，观察发光效果

6. 总结

恭喜你完成了Webots外观和材质教程！你已经学会了：

如何创建和配置基础材质属性
如何应用纹理和纹理变换
如何通过编程方式动态修改外观
如何使用高级外观效果（法线贴图、环境贴图）
如何创建发光材质和特殊效果
如何结合多种材质属性创建复杂的外观

这些技能将帮助你创建更加真实和美观的仿真环境。在下一个教程中，我们将学习如何控制机器人的执行器。

下一步

继续学习教程4：执行器控制，了解如何精确控制机器人的运动。

教程 3：外观和材质 （60分钟）