Unity PBR轮子（3）SkinLit tajourney

本篇文章的理论基础主要来自SIGGRAPH2011的一篇PPT（见专栏导言附录7），主要使用了预积分（LUT）的方案。

以及部分参考了GDC动视分享（见专栏导言附录4），这也是目前UE在用的Separable SSS的方案（当然UE里也有预积分的方案）。

Unity PBR轮子（3）SkinLit-tajourney — UE SeparableSSS.ush

随着模型越来越精细，如果我们渲染能力不提升上去的话，会不可避免的陷入“恐怖谷”。所以有必要对人体材质进行更高级的渲染。而且除此之外，我们还会对皮肤进行更“精美”的定制（），以符合人的审美。（这个不难理解，毕竟现在是个手机相机都附带类似美颜的功能了233）。

皮肤渲染技术发展史

渲染分析

除了上面PPT说的部分，一个完整的皮肤渲染包含了很多，比如细节纹理等。本篇我们准备的素材来自《底特律变人》中的Kara小姐姐，下图是游戏中的一段CG：

SSS(次表面散射)

关于次表面散射的理论部分，可以参考我单独写的文章,本篇采用的是Pre-Integrated Skin的方案。

（1）计算曲率

看完上面的文章，你应该看完了曲率公式的推导，那么曲率怎么在shader里求呢？还是以下面的这篇siggraph为例：

我们需要知道模型的normal以及pos,然后利用fwidth函数即可。

        float deltaNormalWS = length(fwidth(N));

        float deltaPosWS = length(fwidth(posWS));

        //引入Bias和Scale进行调节
        Curvature = saturate(CurvatureBias + CurvatureScale * 0.001 * deltaNormalWS/deltaPosWS);

不过，需要注意的是在低端机下（不支持OpenGLES2.0 +）,无法使用fwidth这个API。代替的方式是我们可以预计算曲率，生成一张曲率图。

（2）Bent Normal

为了处理皮肤细小表面的细节，siggraph中提到对光照的不同通道使用不同的法线贴图（4种），但是这种做法过于耗费内存，所以提出了Bent Normal的做法。注意，这里的Bent Normal和计算AO时提到的Bent Normal并不完全相等（都是修改法线的技术）。这里是模拟皮肤表面的表面细节，是用模糊的方法（采样法线图的mipmap）做的，也可以叫做pre-integrated normal maps，AO里提到的Bent Normal则是从一个点到其他点的未被遮蔽的所有法线的平均法线方向。

float4 bentNormal = SAMPLE_TEXTURE2D_LOD(_NormalMap,sampler_NormalMap,input.uv,_BentNormalMipLevel);
bentNormal =  UnpackNormalScale(bentNormal,_Normal); //和Normal共用一套sampler

需要注意的是上面求得的是tangent space的bentnormal,用TBN矩阵转换一下。

在Unity中对比下使用BentNormal前后：

（3）SSS效果总览：

Specular Reflections

动视PPT的分享中介绍到这部分，使用了Two Lobes Rendering（specular lobes,也可以叫做Dual Specular（GGX））+ Microgeometry Render(Noise)的技术。

Two Lobes Rendering 这部分其实就是用不同的Roughness叠加了两层高光，需要注意的是要遵循能量守恒。

而Microgeometry Render实际上是就是多用了个Detail Map。

Specular Reflections效果总览：

GI（Faking）

在StandardLit中我已经讲过SH+IBL的实现，不同的是specularAO的处理。在专栏导言附录4的PPT中，作者同时采用了多种AO结合。

如何在URP中拿到SSAO的结果在SimpleLit中也讲了,不同的是在StandardLit中我们是通过GetSpecularOcclusionFromAmbientOcclusion函数得到的Specular Occlusion，在PPT中作者提出了一种基于经验的获取面部皮肤Specular Occlusion的方式。

float3 specularOcclusion = lerp(pow(occlusion,_SpecularPow),1.0,saturate(NoV * NoV - 0.3));

以及作者提到了一种trick方式：Color-Bleed AO

下面逐个演示效果（min with SSAO）：

GI总览：

透光

见PPT 164-191

谈到了三种技术：（单采样，多重采样和球谐）

Single-Sample Transmittanc
Multi-Sample Transmittance
Spherical Harmonics Transmittance

三种方案优点和缺点：

作者最后提到以上三种方案都是针对procedural light，而对于light probes的散射则可以忽略不计（影响很小）。

文中还提到了对multipole diffusion profile进行简化。

本篇我只实现简单的透光，而且transmission直接给了个定值，一些不该透射的区域也受到了影响（因为是游戏里扒的素材，游戏内并没有实现透光效果，所以没thicknessMap，我也懒得在SD里做一份了），这里主要侧重于如何实现。从thicknessMap中计算或者复杂些按照上诉方法都可以，效果肯定比下面gif里实现的更好，更细腻。

后记

本篇+理论篇的博客撰写花费了大约两周的时间，然而敲代码的时间加起来不到一天= =果然只敲代码的话还是爽(本篇纯代码，不含SG或者ASE)，但是要整理成图文真的很费时费力。

对于Skin的实现，还有Disney SSS，目前UE4和Unity HDRP都有相应的实现方式，改天也试着实现一下。

换了个模型查看效果（gif录制有些地方压缩后变色了没办法）：

3.21 后记

今天看了下URP官方实现的skinlit（因为要写hairLit顺便看了下）,整理了一下差异，有时间再讲讲一些细节：

官方Demo 视频：https://www.bilibili.com/video/BV1g8411p78X

官方Demo github:https://github.com/UnityTechnologies/URP-Defender-Character-Demo