Unity的PBR扩展——皮毛材质

作者：admin
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时间：2019年03月12日
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分类：厚积薄发

最近被王者荣耀的一篇毛发制作文章刷屏：《真香预警！新版“峡谷第一美”妲己尾巴毛发制作分享》

本文参照其介绍的方法先实现无光照的皮毛，然后再进行PBR扩展，最终实现题图的皮毛效果。

一、层渲染技术

根据模型使用层 (layer) 来渲染毛发长度，在Unity Shader中，每一个Pass即表示一层。当渲染每一层时，使用法线将顶点位置挤出模型表面。然后将Noise贴图根据layer做衰减，来当做Alpha值。

实现原理本文就不再详述，这里列出一些实现细节。

1、Shell层
向外突出的层，通过在顶点着色器中对顶点位置沿法线做偏移达到多层的效果，需要用当前层作为偏移系数，使Pass越靠后的层向外偏移的越多：

v.vertex.xyz += v.normal * _FurLength * FUR_OFFSET;

其中FurLength为总的一个scale变量，FUR_OFFSET为层相关的参数，接下来介绍。

2、Alpha值
层的渲染模式设置为透明渲染。为了符合毛发根部粗，尖部细的特点，所以层越往外，隐藏的部分（Alpha值为0）应该越多：

alpha = step(FUR_OFFSET, alpha);

其中FUR_OFFSET值为当前层/总层数，这样FUR_OFFSET值在0到1之间变化。假设渲染20层，那么由里向外的层FUR_OFFSET值依次为0、0.05、0.1 …… 0.9、0.95、1。Alpha值读取自layer贴图，后面介绍。

这样实现的头发形状就是如下图左的三角形。下图右的抛物线形状，需要修改Step的裁剪边界成非线性：

alpha = step(FUR_OFFSET*FUR_OFFSET, alpha);

毛发形状示意图

毛发还有一个特点，就是尖部会显得更透一些，可以设置层次与Alpha值为递减关系：

color.a = 1 - FUR_OFFSET;

3、密集毛发
通过一张额外的灰度图作为Alpha值，得到圆滑的柱体效果，并通过调整其Tiling，可以控制毛发的密集程度：

fixed alpha = tex2D(_LayerTex, TRANSFORM_TEX(i.texcoord.xy, _LayerTex)).r;

采样得到的Alpha值最后与层Alpha值做乘法：

color.a *= alpha;

layer图

Tiling分别为1和5疏密效果对比图

4、外力影响
真实的毛发效果应该会受到外力影响，实现方法为对顶点偏移的方向做修改:

half3 direction = _Gravity * _GravityStrength + v.normal * (1 - _GravityStrength);
v.vertex.xyz += direction * _FurLength;

其中的Gravity方向为half3（0, -1, 0）的重力，得到的direction用于顶点偏移。
考虑到实际中外力对发根的影响相对小，对发尖的影响相对大，对direction做些修改：

half3 direction = lerp(v.normal, direction, FUR_OFFSET);

其中以FUR_OFFSET作为参数的Lerp运算使得毛发根部不受外力影响，尖部完全受重力影响。
下图为绘制20层，layer图Tiling为20，受重力作用的无光照版本皮毛效果：

无光照皮毛效果

二、PBR扩展

现实中的布料织物大概可分为表面粗糙和光滑两类。表面粗糙的织物有棉布、亚麻布等，表面光滑的织物有丝绸、天鹅绒等。棉布类织物表面主要为较淡的织物颜色组成的漫反射，丝绸类织物表面有类金属的反射，而且会有多种的高光颜色。观察还发现棉布类织物纤维周围有一圈很细的绒毛，丝绸类织物的纤维绒毛很少。

现实织物的物理表现

这些物理特性中的主体表面部分适合用PBR的Metalic和Rougthness来描述，绒毛和多种高光部分需增加一个Fabric Scatter模型（详细见下文）来描述。下图为参考文献3的作者给出的描述不同布料织物的PBR经验参数：

模拟织物的PBR参数

注意上图中的Velvet（天鹅绒）的Rougthness和Metalic都为1，这符合天鹅绒表面粗糙，看起来很黑（漫反射很弱）的物理特性。

1、Inverted Gaussian
布料织物有其特有的光照反射模型。以天鹅绒为例，它的高光位置不是灯光和视线的正对区域，而是边缘位置。

理想高光反射与实际织物的反射对比

标准PBR的Microfacet GGX分布在0角度下（法线、灯光和视线同向）获得最大的高光强度，然后随着角度的增大做正态（Gaussian）分布，而天鹅绒高光分布与GGX刚好相反，可见GGX的分布模型并不适合某些布料的模拟。

The Order：1886 游戏采用Inverted Gaussian模型做为布料的高光分布模型，参考文献3的作者在此基础上进一步简化得到：

GGX分布曲线与自定义分布曲线对比

Shader代码：

inline float FabricD (float NdotH, float roughness)
{
     return 0.96 * pow(1 - NdotH, 2) + 0.057;
}

用FabricD替换掉UnityStandardBRDF.cginc的BRDF1_Unity_PBS函数的GGXTerm。

Roughness为1时GGXTerm与FabricD结果对比

2、Fabric Scatter
布料织物的绒毛效果可由边缘光来模拟，再综合丝绸的高光颜色，参考文献3的作者给出一个Fabric Scatter经验模型：
1、修改标准PBR的Fresnel term，用4倍POW值代替标准的5倍POW值，用于增大Fresnel的范围；
2、再叠加一层跟视角相关的范围更大的、可调的Fresnel颜色用于更好的模拟织物表面的高光；
3、去掉标准PBR的间接光反射，使得Metallic-like的布料不那么Metallic。

Shader代码：

inline half FabricScatterFresnelLerp(half nv, half scale)
{
     half t0 = Pow4 (1 - nv);
     half t1 = 0.4 * (1 - nv);
     return (t1 - t0) * scale + t0; 
}

BRDF1_Unity_PBS函数返回颜色：

half3 color = diffColor * (gi.diffuse + light.color * diffuseTerm)  
            + specularTerm * light.color * FresnelTerm (specColor, lh)
            + _FabricScatterColor * (nl*0.5 + 0.5) * FabricScatterFresnelLerp(nv, _FabricScatterScale);