Pre-Integrated Skin Shading

“Yeah It’s on. ”

前言

游戏中对于真实感皮肤渲染主要采用次表面散射(Subsurface Scattering)模型，就是我们熟称的SSS材质。 SSS渲染前后对比图:

正文

次表面散射

实际渲染中，如果光线出射点的位置和入射点相距不足一个像素，我们就认为入射点和出射点位置相同，这时候当前像素的光照只受其自身影响；如果入射点和出射点相距超过一个像素，则表示某个像素的光照结果不仅仅受当前像素影响，同时还受附近其他像素的光照影响，这就是我们常说的次表面散射效果。
皮肤与通用材质的本质区别就是如下图所示，通用材质入射光和出射光都在一个像素内，而皮肤这类材质则需要在内部进行折射和散射，也就是当前要处理的像素点还要受到附近像素点的影响。

皮肤渲染原理

实时渲染中一般将皮肤分为一个多层结构，其表面油脂层贡献了皮肤光照的主要镜面反射部分，而油脂层下面的表皮层和真皮层则贡献了主要的次表面散射部分。

镜面反射（specular reflection）

镜面反射项相对而言很简单，Gems 3中推荐Kelemen and Szirmay-Kalos specular BRDF用于皮肤镜面反射项的计算。因为Kelemen and Szirmay-Kalos specular BRDF在实现和Torrance-Sparrow模型一样的渲染效果时，计算量要小得多。传统的Blin-Phong也会得到不错的效果。
Kelemen and Szirmay-Kalos specular利用LUT图改变数值区间:

float PH = pow(2.0 * texture(KelemenLUT,vec2(NoH, _smooth)).r, 10.0 );
float F = 0.028;//fresnelReflectance( H, viewDir, 0.028 );
vec3 specular = vec3(max( PH * F / dot( _h, _h ), 0 ) * _SpecularScale);

次表面散射（Subsurface Scattering）

关于次表面散射计算有很多方案，这里介绍最简单的预积分技术。预积分的皮肤着色（Pre-Integrated Skin Shading），其实是一个从结果反推实现的方案，具体思路是把次表面散射的效果预计算成一张二维查找表，查找表的参数分别是dot(N,L)和曲率，因为这两者结合就能够反映出光照随着曲率的变化。
横坐标是：NoL = dot(worldNormal,lightDir)
纵坐标是模型曲率，这个值是法线微分和坐标微分长度的商:

实际用的时候需要根据模型大小再乘个系数归一化到0-1之间:

float cuv = saturate(_CurveFactor * (length(fwidth(worldNormal)) / length(fwidth(worldPos))));

利用得到的坐标到LUT取值，然后用这个值代替NoL作为最后的光照值系数:

vec3 diffuse = texture(SSSLUT,vec2(NoL*0.5+0.5,cuv)).rgb;

最后将镜面反射和次表面散射结合输出最终颜色:

vec3 finalColor = (ambient + (diffuse + specular)) * albedo;

后记

注意，LUT图的wrap mode必须设置成clamp，否则会出现深色污迹。
完整shader文件链接:
https://github.com/huangx916/HXEngine/blob/master/HXEngine/Debug/builtin/SkinSSS.frag

"游戏引擎"

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皮肤渲染原理

镜面反射（specular reflection）

次表面散射（Subsurface Scattering）

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