unity给头发添加物理_U3D实时渲染教程之角色头发各向异性表达（上）

Hello . 大家好&＃xff0c;我这次带来了完整的手游写实角色渲染合集&＃xff0c;我是麦田。本次是写实头发的各向异性表达——Kajiya-Kay光照模型。一起来看这篇U3D实时渲染教程之角色头发各向异性表达(上)。

这个系列主要分为三个部分&＃xff1a;

1.头发的渲染

2.皮肤的渲染

3.眼睛的渲染

每个分为2个文章&＃xff0c;第一篇讲基础理论&＃xff0c;第二篇讲实际操作&＃xff0c;最后的工程文件分别是Shader代码和Shader图表两种形式。

一、观察

在游戏内&＃xff0c;出于性能的考虑。引擎不会做到和DCC软件使用离线渲染器渲染出来一样的毛发效果&＃xff0c;如Maya的XGen这种质感。这时候我们就有了替代方案&＃xff0c;即&＃xff1a;使用面片头发。这就涉及到了如何去表达头发的质感问题。

毛发的各异

螺纹不锈钢的各异

二、分析

我们先从美术角度分析一下头发&＃xff1a;

我们可以看到头发上的高光和传统的球体的高光不一样&＃xff0c;头发的高光更近似一个不规则的条状(如果放置在一个平面上)。

而且条状的上下似乎有一定的渐变规律&＃xff0c;暗-亮-暗。金属器皿上的高光波纹近似。我们着重介绍头发的理论基础。

上图圈1的区域是亮的&＃xff0c;圈2是暗色&＃xff0c;这里我们从观察可以得出头发的高光形状与明暗的变化。如果观察的仔细的话&＃xff0c;可以回忆一下&＃xff0c;生活中&＃xff0c;看到姑娘的头发&＃xff0c;会跟随看的方向和光产生偏移&＃xff0c;以及透光性(散射)。

三、总结

从美术角度总结一下&＃xff1a;

1.需要用面片做出好看的头发模型。

2.头发想要好看必须要有一个这种形状的高光&＃xff0c;并且有明暗过度。

3.能受到灯光的影响&＃xff0c;表达出她的透气感。

我们再从程序的角度分析一下头发&＃xff1a;

找案例&＃xff0c;Render Doc截帧&＃xff0c;Profile&＃xff0c;Frame Debug &＃xff0c;review源码&＃xff0c;一气呵成(哈哈&＃xff0c;开个玩笑)

既然说到这里&＃xff0c;我们就引入GDC2004的那片PDF的内容吧——Kajiya-Kay模型传送门&＃xff1a;

(注&＃xff1a;worldBinormal就是我们要的副切线&＃xff0c;这里写做了副法线)

可以看出利用cross(叉积)来得出向量&＃xff0c;然后再乘上tangentSign得到最终确定方向的副切线。所以说副切线的方向主要是由tangentSign来决定的&＃xff0c;而tangentSign是由v.tangent.w* unity_WorldTransformParams.w计算得出的。

这里的法线切线副切线的基础内容&＃xff0c;在知乎的Taecg的一片文章介绍的非常详细了。我这里只是拾人牙慧简单捋一遍。传送请走:https://zhuanlan.zhihu.com/p/103546030

五、回归到公式理解

T&＃xff0c;即为上文讲到的切线。但是这里是副切线&＃xff0c;H是什么呢&＃xff1f;H是光入射方向L和视口方向V的中间向量&＃xff0c;通常也称之为半角向量(Half)&＃xff0c;半角向量被广泛用于各类光照模型如Blinn—Phong。

为什么会有这个H呢&＃xff1f;我们来回想一下Blinn-Phong的光照模型和示意图&＃xff1a;

Blinn-Phong和Ponng的区别就在于多了一个H

当视线正好与反射向量对齐时&＃xff0c;半程向量就会与法线完美契合。所以当观察者视线越接近于原本反射光线的方向时&＃xff0c;镜面高光就会越强。

获取半程向量的方法很简单&＃xff0c;只需要将光线的方向向量和观察向量加到一起&＃xff0c;并将结果归一化(Normalize)就可以了。

在引入半向量H之后&＃xff0c;我们现在应该就不会再看到Phong光照中高光断层的情况了。下面两个图片展示的是两种方法在镜面光分量为0.5时的对比&＃xff1a;

除此之外Blinn-Phong就没什么好说的了&＃xff0c;Blinn-Phong与Phong唯一的区别就是&＃xff0c;Blinn-Phong测量的是法线与半程向量之间的夹角&＃xff0c;而Phong测量的是观察方向与反射向量间的夹角。

绕了一堆&＃xff0c;不就是Blinn—Phong高光的计算公式么&＃xff01;

我们知道了这两个数值&＃xff0c;回到公式&＃xff0c;我们再看一下&＃xff0c;是不是了然了&＃xff1f;

哦&＃xff01;就是副切线和LightingDir&＃43;ViewDir的和&＃xff0c;然后点积&＃xff0c;然后平方&＃xff0c;然后用1减去这个值后再开方&＃xff01;最后想要到这个效果我们再平方。

六、实践光照模型

我们用Graph复原一下逻辑&＃xff0c;验证一下想法&＃xff01;

Graph逻辑图

这个高光模型我们给到一个球上观察&＃xff0c;OK&＃xff0c;基本的环状效果已经有了&＃xff0c;剩下的就是加入comb map 来细化了。

观察

CombMap采样

写在后面&＃xff1a;头发的光照模型我感觉更加近似一个经验值模型&＃xff0c;是基于观察近似的算法而非基于理论模拟。我们可以在这个理论模型的基础上进行一些改进&＃xff0c;让它更加符合我们想要的一个效果。原理虽然枯燥&＃xff0c;但确实很重要。具体的改动&＃xff0c;会在实操的第二章节介绍。

头发卡我卡得最难受的地方可能就是半透排序的方式了。思路是从模型下手加上双Pass解决。

七、完整内容效果

八、完整内容预习

以下是完整的Graph图表和Shader代码部分(手撸)&＃xff0c;有兴趣的朋友可以先看一下。具体工程下一篇讲完的时候放出来。

理解透彻光照模型后&＃xff0c;具体实现的细节很容易了&＃xff0c;下回见!

来源&＃xff1a;Thepoly公众号