U3D实时渲染教程之角色头发各向异性表达（上）

Hello . 大家好，我这次带来了完整的手游写实角色渲染合集，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：

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，第一篇讲基础理论，第二篇讲实际操作，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，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，如Maya的XGen这种质感。这时候我们就有了替代方案，即：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：

我们可以看到头发上的高光和传统的球体的高光不一样，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，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，圈2是暗色，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，可以回忆一下，生活中，看到姑娘的头发，会跟随看的方向和光产生偏移，以及透光性（散射）。

三、总结

从美术角度总结一下：

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，并且有明暗过度。

3.能受到灯光的影响，表达出她的透气感。

我们再从程序的角度分析一下头发：

找案例，Render Doc截帧，Profile，Frame Debug ，review源码，一气呵成（哈哈，开个玩笑）

既然说到这里，我们就引入GDC2004的那片PDF的内容吧——Kajiya-Kay模型传送门：

（注：worldBinormal就是我们要的副切线，这里写做了副法线）

可以看出利用cross（叉积）来得出向量，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，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，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，即为上文讲到的切线。但是这里是副切线，H是什么呢？H是光入射方向L和视口方向V的中间向量，通常也称之为半角向量（Half），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？我们来回想一下Blinn-Phong的光照模型和示意图：

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，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，镜面高光就会越强。

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

在引入半向量H之后，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：

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

绕了一堆，不就是Blinn—Phong高光的计算公式么！

我们知道了这两个数值，回到公式，我们再看一下，是不是了然了？

哦！就是副切线和LightingDir+ViewDir的和，然后点积，然后平方，然后用1减去这个值后再开方！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，验证一下想法！

Graph逻辑图

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

观察

CombMap采样

写在后面：头发的光照模型我感觉更加近似一个经验值模型，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，让它更加符合我们想要的一个效果。原理虽然枯燥，但确实很重要。具体的改动，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），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，具体实现的细节很容易了，下回见!

来源：Thepoly公众号