U3D實時渲染教程之角色頭發各向異性表達（上）

Hello . 大家好，我這次帶來了完整的手遊寫實角色渲染合集，我是麥田。本次是寫實頭發的各向異性表達——Kajiya-Kay光照模型。一起來看這篇U3D實時渲染教程之角色頭發各向異性表達（上）。

這個係列主要分為三個部分：

1.頭發的渲染

2.皮膚的渲染

3.眼睛的渲染

每個分為2個文章，第一篇講基礎理論，第二篇講實際操作，最後的工程文件分別是Shader代碼和Shader圖表兩種形式。

一、觀察

在遊戲內，出於性能的考慮。引擎不會做到和DCC軟件使用離線渲染器渲染出來一樣的毛發效果，如Maya的XGen這種質感。這時候我們就有了替代方案，即：使用麵片頭發。這就涉及到了如何去表達頭發的質感問題。

毛發的各異

螺紋不鏽鋼的各異

二、分析

我們先從美術角度分析一下頭發：

我們可以看到頭發上的高光和傳統的球體的高光不一樣，頭發的高光更近似一個不規則的條狀（如果放置在一個平麵上）。

而且條狀的上下似乎有一定的漸變規律，暗-亮-暗。金屬器皿上的高光波紋近似。我們著重介紹頭發的理論基礎。

上圖圈1的區域是亮的，圈2是暗色，這裏我們從觀察可以得出頭發的高光形狀與明暗的變化。如果觀察的仔細的話，可以回憶一下，生活中，看到姑娘的頭發，會跟隨看的方向和光產生偏移，以及透光性（散射）。

三、總結

從美術角度總結一下：

1.需要用麵片做出好看的頭發模型。

2.頭發想要好看必須要有一個這種形狀的高光，並且有明暗過度。

3.能受到燈光的影響，表達出她的透氣感。

我們再從程序的角度分析一下頭發：

找案例，Render Doc截幀，Profile，Frame Debug ，review源碼，一氣嗬成（哈哈，開個玩笑）

既然說到這裏，我們就引入GDC2004的那片PDF的內容吧——Kajiya-Kay模型傳送門：

（注：worldBinormal就是我們要的副切線，這裏寫做了副法線）

可以看出利用cross（叉積）來得出向量，然後再乘上tangentSign得到最終確定方向的副切線。所以說副切線的方向主要是由tangentSign來決定的，而tangentSign是由v.tangent.w* unity_WorldTransformParams.w計算得出的。

這裏的法線切線副切線的基礎內容，在知乎的Taecg的一片文章介紹的非常詳細了。我這裏隻是拾人牙慧簡單捋一遍。傳送請走:https://zhuanlan.zhihu.com/p/103546030

五、回歸到公式理解

T，即為上文講到的切線。但是這裏是副切線，H是什麼呢？H是光入射方向L和視口方向V的中間向量，通常也稱之為半角向量（Half），半角向量被廣泛用於各類光照模型如Blinn—Phong。

為什麼會有這個H呢？我們來回想一下Blinn-Phong的光照模型和示意圖：

Blinn-Phong和Ponng的區別就在於多了一個H

當視線正好與反射向量對齊時，半程向量就會與法線完美契合。所以當觀察者視線越接近於原本反射光線的方向時，鏡麵高光就會越強。

獲取半程向量的方法很簡單，隻需要將光線的方向向量和觀察向量加到一起，並將結果歸一化(Normalize)就可以了。

在引入半向量H之後，我們現在應該就不會再看到Phong光照中高光斷層的情況了。下麵兩個圖片展示的是兩種方法在鏡麵光分量為0.5時的對比：

除此之外Blinn-Phong就沒什麼好說的了，Blinn-Phong與Phong唯一的區別就是，Blinn-Phong測量的是法線與半程向量之間的夾角，而Phong測量的是觀察方向與反射向量間的夾角。

繞了一堆，不就是Blinn—Phong高光的計算公式麼！

我們知道了這兩個數值，回到公式，我們再看一下，是不是了然了？

哦！就是副切線和LightingDir+ViewDir的和，然後點積，然後平方，然後用1減去這個值後再開方！最後想要到這個效果我們再平方。

六、實踐光照模型

我們用Graph複原一下邏輯，驗證一下想法！

Graph邏輯圖

這個高光模型我們給到一個球上觀察，OK，基本的環狀效果已經有了，剩下的就是加入comb map 來細化了。

觀察

CombMap采樣

寫在後麵：頭發的光照模型我感覺更加近似一個經驗值模型，是基於觀察近似的算法而非基於理論模擬。我們可以在這個理論模型的基礎上進行一些改進，讓它更加符合我們想要的一個效果。原理雖然枯燥，但確實很重要。具體的改動，會在實操的第二章節介紹。

頭發卡我卡得最難受的地方可能就是半透排序的方式了。思路是從模型下手加上雙Pass解決。

七、完整內容效果

八、完整內容預習

以下是完整的Graph圖表和Shader代碼部分（手擼），有興趣的朋友可以先看一下。具體工程下一篇講完的時候放出來。

理解透徹光照模型後，具體實現的細節很容易了，下回見!

來源：Thepoly公眾號