PBR渲染（四）——PBR头发渲染

PBR头发渲染

1.渲染方案

• 首先在光照模型的选择上，选择了Marschner基于物理的理论模型。
  理论模型：头发不是完美的圆柱体或管子，实际上，头发更像是一系列堆叠的圆锥体。每一根头发纤维由角质层（cuticle）和皮层（cortex）两部分组成
  R：R为反射路径，反射出来的光线颜色为原始光源颜色
  TRT：光线进入头发纤维内部，部分能量被吸收，所以最终反射出来的光线具有头发纤维的颜色
  TT：透射-透射路径，TT出来的光线也是有色的，但是颜色比TRT的饱和度要低，因为只经过了一次折射
• 头发半透明处理方案，AlphaTest+TAA
• 材质接口
  相比原来的PBR渲染框架，头发渲染shader会改变几个材质接口。
  /第一个是Scatter，该属性替换了主着色器节点上的 Metallic，并且值限制在 0.0 和 1.0 之间。Scatter控制有多少光穿过角色整个头发。浅色头发，Scatter数值更高；深色头发，Scatter数值偏低。这遵循自然世界的物理规则，因为较深的头发往往会吸收更多的光。
  /第二个是Normal，此处输入的是切线而不是法线数据，或者使用Flowmap来制定切线方向。注意，渲染头发一般不用NormalMap。

2.头发资源的制作流程

• 首先会生成头发的纹理图集，一般会在Maya 中先利用Xgen头发系统制作出头发，再使用渲染器（Arnold/xNormal）烘培出对应的纹理图集。
• 然后制作对应纹理图集的头发面片，一般是手动制作，然后再手动摆放和调整。

3.贴图方案

• 上面在生成头发纹理图集时，会生成一系列贴图，例如Diffuse Map / Albedo，Alpha Map，Root Map / Gradient map（头发根部到发梢的渐变图），Depth Map（深度纹理由像素深度偏移使用，以产生将头发推入头发更深处的错觉。它还可以用作更改不同深度头发颜色或阴影值的基础，例如在头发进一步向头皮下落时降低整体镜面反射。），Unique ID Map（ID 纹理只是为给定头发几何体上的每根头发提供唯一的 0 到 1（黑到白）值。这可用于在头发本身内提供细微的变化。比如每根头发做一定程度的offset），Flow Map / Direction Map。

4.具体实现

• AlphaTest+TAA,使用透明度测试实现从面片到发丝的过渡，为了使AlphaTest的效果进一步接近AlphaBlend的效果，使用TAA的方法减少噪点和锯齿。
• 传入副切线方向，因为主光照函数的切线参数是切线空间的副切线，所以副切线的值固定为（0，1，0）。这里也可以采样FlowMap纹理传入切线信息。之后在切线的基础上叠加一层头发切线的噪声图，增强头发的各向异性高光。
• 采样BaseColor并实现头发变色，这里使用的方法是将不同发色的BaseColor集中在一张纹理中，然后再控制UV的V值对不同发色的BaseColor进行采样。
  
• 而对于Scatter参数也是一样。Scatter参数是用来控制有多少光穿过角色整个头发。其实通俗一点就是Scatter值越高，穿过头发出射的光线越多，且出射光照的饱和度也越高，视觉感受就是颜色更亮，更鲜艳。同样的每一种发色对应一个Scatter值，将这些Scatter值储存在一张单通道灰度图中，用同样方式进行采样。
  
• 最后开启HBAO，增加人物面部细节。