Shader - Fabric & Microfiber

材质效果（Unity）

材质参考（Marmoset Toolbag）

主要参考八猴渲染器的官方材质Velvet，解析了它的实现思路，它使用了两套光照着色并叠加：Sheen BRDF + GGX BRDF


材质对齐（Marmoset Toolbag）

逐步分解着色计算的过程并使用同一套贴图，横向对比Marmoset Toolbag和Unity的效果。单独对比仅在直接光作用下的Sheen BRDF效果。
从结果中可以看到，直接光的效果基本是一致的，但是间接光的差异就比较大。八猴渲染器的间接环境光源是带有方向信息的，在光照计算时能得到和直接光一样真实的漫反射和镜面反射，这就明显区别于Unity使用的Light Probes和Reflection Probes。


Microfacet Sheen BRDF

基于理论基础："Production Friendly Microfacet Sheen BRDF"（Alejandro Conty Estevez， Christopher Kulla）
https://blog.selfshadow.com/publications/s2017-shading-course/imageworks/s2017_pbs_imageworks_sheen.pdf

Specular BRDF

struct MicrofiberGCurve
{
    float a, b, c, d, e;
};
MicrofiberGCurve G_MicrofiberInterpolate( float roughness )
{
float r  = 1.0 - roughness;
float r2 = r * r;
MicrofiberGCurve g;
g.a = mix(  21.5473,  25.3245, r2 );
g.b = mix(  3.82987,  3.32435, r2 );
g.c = mix(  0.19823,  0.16801, r2 );
g.d = mix( -1.97760, -1.27393, r2 );
g.e = mix( -4.32054, -4.85967, r2 );
return g;
}
float G_MicrofiberL( MicrofiberGCurve g, float x )
{
return g.a * rcp(1.0 + g.b*pow(x, g.c)) + g.d*x + g.e;
}
float G1_Microfiber( MicrofiberGCurve g, float cosTheta )
{
return cosTheta < 0.5
? exp( G_MicrofiberL(g, cosTheta) )
: exp( 2.0*G_MicrofiberL(g, 0.5) - G_MicrofiberL(g, saturate(1.0 - cosTheta)) );
}
float G2_Microfiber( float NdotL, float NdotV, float roughness )
{
MicrofiberGCurve g = G_MicrofiberInterpolate( roughness );
float dL = G1_Microfiber( g, NdotL );
float dV = G1_Microfiber( g, NdotV );
//soften shadow terminator
{
float f = saturate( 1.0 - NdotL );
f *= f; f *= f; f *= f; // f^8
dL = pow( dL, 1.0 + 2.0*f );
}
return rcp( 1.0 + dL + dV );
}
float NDF_Microfiber( float NdotH, float roughness )
{
float invr = rcp( roughness );
float sinTheta2 = saturate( 1.0 - NdotH*NdotH );
return ( 2.0 + invr ) * pow( sinTheta2, invr * 0.5 ) * INVTWOPI;
}

float D = NDF_Microfiber( NdotH, roughness );
float G = G2_Microfiber( NdotL, NdotV, roughness );
float3 F = sheen;//sheen map color
float denom = 4.0 * NdotV; //non cancelled-out microfacet BRDF normalization terms
outSpecTerm = F * D * G * ( denom > 0.0 ? rcp(denom) : 0.0 );

Diffuse BRDF

//energy conservation terms, sample sheen albedo map
float specAlbedoL = SAMPLE_TEX_SHEENALBEDOLUT( float2(NdotL, roughness) ).x;
float specAlbedoV = SAMPLE_TEX_SHEENALBEDOLUT( float2(NdotV, roughness) ).x;
float3  specAlbedo  = min( OneminusClamped(sheen * specAlbedoL), OneminusClamped(sheen * specAlbedoV) );
outDiffTerm = specAlbedo * brdfData.albedo * INVPI;

上面的漫反射项计算中，需要用到一张预制作的贴图，模拟材质表面反射率的衰减变化过程，能量的转换和守恒。

sheen albedo map



评论

发表评论

此博客中的热门博文

Shader - Hair & Fur

图片
 Demo Mesh 无论是头发材质还是毛发材质，它们的建模都是基于插片的方式，且每个片都是单面（Cull Off） UV Layout 需要保证Kajiya-Kay高光流向的连续性，UV的布局要是统一且具有方向性的，每个网格片的UV区域重复覆盖。 Vertex Occlusion 通过烘焙保存在顶点颜色的环境光遮蔽，不同于使用AO贴图的方式。离线的烘焙可以计算出不同层级（插片）互相之间的遮挡关系。区别不同层级受到的环境光遮蔽，提升整个毛发渲染的阴影体积感。 Pass 渲染效果分为两个品质： Alpha Test（适用中低性能的设备） Alpha Test + Alpha Blend（适用高性能的设备） 两个Pass使用的都是同一张Alpha贴图。 Alpha Test 只有一个裁剪Pass，所有毛发的边缘都会被硬切，整个毛发的渲染效果就显得比较毛糙，完全没有柔软感。但是性能方面相对的比较好，写入了深度值，不会导致严重的Overdraw。 Alpha Blend 再加上一个混合Pass，每一根毛发的边缘都变成半透明状态，锯齿感会明显减少，整个毛发的渲染效果也会显得比较有柔软感。但是裁剪（Alpha Test）Pass必须作为基础，因为混合Pass要依赖它提前的深度写入来进行深度测试，从而避免出现错误的混合层级和顺序，还能减少大部分区域的Overdraw。另外一个需要注意的是，因为深度值精度的有限，同一个三角面的混合Pass和裁剪Pass可能会发生深度冲突。为了有正确的渲染效果，要让混合Pass始终能覆盖在裁剪Pass上。使用Shader提供的Offset设置渲染状态，能对混合Pass的深度值进行非常轻微的偏移，这样在不影响渲染效果（透视）的前提下避免了深度冲突。 混合Pass渲染状态： Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha ZWrite Off Offset 1, -1 Specular https://web.engr.oregonstate.edu/~mjb/cs519/Projects/Papers/HairRendering.pdf 高光是各向异性的，它的流向是依据毛发的方向（顶点空间的切线或次切线） 镜面高光的D项是Kajiya-Kay，F项是Schlick，V项用常量0.25代替。 Kajiya-Kay // Note:...
阅读全文

Shader - Skin & SSS

图片
Demo Workflow 需要渲染出的特性： 毛孔造成细碎的高光现象 次表面散射造成的透光现象 金属工作流的高光参数只有光滑度，只能控制高光区域的聚集度。高光工作流的高光参数除了有光滑度，还有镜面反射率可以控制高光的反射量。渲染皮肤的方式适合使用高光工作流，可以更方便的控制高光的表现。 Specular Detail 毛孔需要有高精度的贴图来表现高频的反射凹凸变化。在限制了贴图尺寸的情况下，并且脸部通常会和身体放到一个贴图UV区域，脸部只占了其中的小部分区域。这些情况都会导致脸部的整体渲染精度不高，表达不出高频的毛孔凹凸的细节效果。 其中解决的一个思路是利用细节纹理的优势：Detail Map + Mask Map 细节纹理可以提供高频毛孔的镜面反射率，渲染出不规则凹凸的镜面反射高光效果。 上面从左往右的贴图分别是：Albedo Map，Smoothness Map，Specular Detail Map Direct Lighting & Specular Subsurface Scattering https://developer.nvidia.com/gpugems/gpugems3/part-iii-rendering/chapter-14-advanced-techniques-realistic-real-time-skin 实时次表面散射渲染技术主要分为纹理空间和屏幕空间，需要对贴图进行多次的高斯模糊处理和大量的贴图采样指令，这些都会在移动端造成很大的性能瓶颈。 下面介绍的两种散射实现方式，性能代价都是相对较小的，对于在移动端设备上的项目比较友好。 SSS Pre-integrated https://therealmjp.github.io/posts/sss-intro/ 预制作好散射的LUT贴图，将法线方向和光源方向的点积映射到贴图的U坐标，再添加一个曲线参数（Curvature）映射到贴图的V坐标。用映射后的UV坐标采样LUT贴图，替换BRDF中的漫反射项。 Direct Diffuse & Scattering SSS Back-facing 当观察的视角在模型的背光面时，散射会导致模型出现透光的效果，仿佛模型有略微的透明。 大白的身体出现略微的透光 从渲染微平面的角度分析，触发这个效果的条件是当光源和视角的方向相反，视线...
阅读全文

一个Mesh的半透明类型

图片
根据渲染管线在渲染半透明时的设定，会提前对所有的Mesh（材质）进行排序，然后依次渲染，即“画家算法”。 不同于特效的半透明类型，角色模型是三维立体并且可以水平旋转的，就算把模型拆分成多个Mesh（材质），利用管线去对所有Mesh排序，也可能得不到理想的半透明效果（比如Mesh有弯曲或穿插等情况）。角色模型有着复杂而不规则的结构和多层嵌套，半透明渲染的排序要求已经达到三角面的精度了。 感觉如果用基于排序的渲染技术去处理半透明，那渲染角色模型这种复杂的半透明效果，还是比较局限。 本文只讨论一个Mesh（材质）的半透明类型，根据半透明最多叠加的层数，总结成下面的几种类型： 预深度写入 https://docs.unity3d.com/2020.1/Documentation/Manual/SL-CullAndDepth.html 这个半透明渲染的技术方案，在Unity官方文档中也有提及。 技术理论：第一个Pass只写入深度，第二个Pass开启深度测试并进行正常渲染。那么离相机较远的片段就会被近的片段通过深度测试给剔除掉，这可以解决半透明的排序问题。 优势：解决了排序问题，几乎适用于所有类型的半透明情况 劣势：半透明效果是“平面化”，没有真实的立体感 下面视频中的例子都是使用预深度写入的方案渲染：半透明的球和人，渲染的效果是“平面化”，没有三维的体积感。半透明的翅膀，当它们互相之间重叠时，渲染出了错误的效果（变成不透明了）。 如果使用这个方案渲染三维的角色模型，那劣势的影响将更加明显，模型的半透明效果会缺失三维体积感。并且在有些情况下，结果甚至是错误的。 单层 最简单的是只有单层的半透明，不管从什么角度去看，不会有片段重叠的情况，不会有半透明的排序问题。 Shader里也不用做什么特殊的处理，只需要一个Pass和关闭深度写入，就能满足半透明效果的需求。 角色模型上几乎不会出现只有单层半透明的情况 双层 如果是最多出现两层半透明的情况，有想到一个解决思路，既可以避免排序问题，又能渲染出立体感。 此方案的思路和预深度有点类似，也是基于两个Pass去实现的。 技术理论：第一个Pass渲染背面（Cull Front），第二个Pass渲染前面（Cull Back），每个Pass都是同样的着色计算。 半透明的球体有三维立体感了，半透明的翅膀发生重叠时也是正确的效果。 多层（双层以上）...
阅读全文