Unity3d 屏幕空间人体皮肤知觉渲染&次表面散射Screen-Space Perceptual Rendering & Subsurface Scattering of Human Skin

前篇2：unity3d Human skin real time rendering plus 真实模拟人皮实时渲染 plus篇

SSS：Unity3d shader之次表面散射（Subsurface Scattering）

PBR：Unity3d 基于物理渲染Physically-Based Rendering之specular BRDF

Screen-Space Perceptual Rendering & Subsurface Scattering of Human Skin其实就是Screen-Space Subsurface Scattering与Subsurface Scattering 简称SSSSS&SSS，8S,博主自创，，哈哈也不是，结合了许多资料弄出了看的更顺眼的人皮。。是不是要写篇论文了呢= =。。。

本来是录了视频的，但是视频降质，色差太大，就没有上传。。。

先上肉质鲜嫩的两张图

夜光引擎（Luminous Studio）的新demo->witch，能明显看到SSS和PBR效果，文章的最后也有对比，最终幻想的引擎渲染就是棒

想要人皮肤更加真实，人皮肤上的细节成了一个关键问题，包括褶皱、毛孔、毛囊，甚至是伤疤，这既可以造成我们的障碍，也可以帮助我们使皮肤看起来更真实。如果只是用普通的Lambert，甚至是PBR得到的效果也是不真实的，非常生硬、干燥，塑料质感。如下图所示，下图（No SSSSS）是博主用unity5 的standard PBR shader来渲染的。我们缺的就是次表面散射，之前的文也说过了，皮肤其实是有些轻微的半透明的，大多数的漫反射光来自次表面散射，光线接触到皮肤时，有大约96%被皮肤各层散射了，只有大约4%被反射了，所以我们实现了SSS再加上PBR，就给予皮肤渲染一个非常真实的结果，如下图所示，（SSSSS ON）是unity5 的standard PBR shader再加上屏幕空间的SSS的处理，比之前的更加真实，柔软（博主在此处用 unity的PBR仅作对比，下文要讲local SSS与SSSSS的结合）。

我们把皮肤看成三层，油脂层（微量，很薄），表皮层，真皮层。正是因为有油脂层，因为油脂层直接把光反射出去，所以皮肤上才会有高光产生，我们使用PBR的高光完美模拟皮质层，稍后讲解。下图为多层皮肤模型。

没有被反射的光通过折射进入子表面层，光进入这些层之后部分被吸收（获得颜色）和散射，再从皮肤中入射点附近的出射点射出。这个过程就产生了次表面散射的效果。

local SSS

先讲解local SSS

油脂层

只讲解一下油脂层的反射产生的specular
首先实现一下GPU Gem3提到的Beckmann 分布函数和Fresnel Reflectance。
它使用了一个贴图来模拟Beckmann 分布

这是GPU Gem3的代码

 1 float fresnelReflectance( float3 H, float3 V, float F0 )
 2  {
 3 float base = 1.0 - dot( V, H );  
 4 float exponential = pow( base, 5.0 );  
 5 return exponential + F0 * ( 1.0 - exponential );  
 6 }
 7     float PHBeckmann( float ndoth, float m )  
 8   {  
 9     float alpha = acos( ndoth );  
10     float ta = tan( alpha );  
11     float val = 1.0/(m*m*pow(ndoth,4.0))*exp(-(ta*ta)/(m*m));  
12     return val;  
13   }  
14   // Render a screen-aligned quad to precompute a 512x512 texture.  
15      float KSTextureCompute(float2 tex : TEXCOORD0)  
16   {  
17     // Scale the value to fit within [0,1] – invert upon lookup.  
18      return 0.5 * pow( PHBeckmann( tex.x, tex.y ), 0.1 );  
19   }  
20      float KS_Skin_Specular( float3 N, // Bumped surface normal  
21      float3 L, // Points to light  
22      float3 V, // Points to eye  
23      float m,  // Roughness  
24      float rho_s, // Specular brightness  
25      uniform texobj2D beckmannTex )  
26   {  
27     float result = 0.0;  
28     float ndotl = dot( N, L );  
29   if( ndotl > 0.0 )  
30   {  
31      float3 h = L + V; // Unnormalized half-way vector  
32      float3 H = normalize( h );  
33      float ndoth = dot( N, H );  
34      float PH = pow( 2.0*f1tex2D(beckmannTex,float2(ndoth,m)), 10.0 );  
35      float F = fresnelReflectance( H, V, 0.028 );  
36      float frSpec = max( PH * F / dot( h, h ), 0 );  
37      result = ndotl * rho_s * frSpec; // BRDF * dot(N,L) * rho_s  
38    }  
39    return result;  
40   }

博主的实现结果：

然后是之前写的文章Unity3d 基于物理渲染Physically-Based Rendering之specular BRDF

的光照模型的specular效果

Specular Occlusion高光遮蔽

这里我们可以使用Specular Occlusion高光遮蔽的方法遮蔽我们不想要的高光，比如我们不想要眉毛也有油脂层的高光，就需要做一个高光遮蔽贴图，把眉毛等处遮蔽。
下图右侧的鼻孔，眉毛等处都是不想要的高光。

还有遮蔽高光的毛孔

微观细节

关于细节部分可以自己生成second specular lobe
下图是使用3ds Max的 noise functions生成的微观细节

再把细节高光和高光线性混合

最后注意：

由于油脂层的油和皮肤最外层的组织细胞为电介质材质，它们在反射光线时不会对光进行着色（如金这种金属会赋予光金色，因为其在可见光波长段极大地改变了折射序号），因此，基于物理的皮肤着色在反射应使用白色

表皮层

然后处理表皮层
还是blur6次达到表皮层的次表面散射效果，皮肤的颜色基本来自于表皮层

上表的结果如下图

上表为为了在texture-space diffusion图片空间的漫反射的权重，也就是在不同的颜色通道以不同的范围和程度进行blur，博主在ps 中进行高斯blur，也可以用代码来高斯blur

真皮层

光线经过真皮层带出了血液的颜色，这就皮肤会有血色的原因。我们使用颜色查找贴图Look up Texture的方式来模拟在真皮层的散射，如下图，图中右上角是一张 brdf查找贴图，我们要通过曲率curvature（球半径1/r，求法见图中左上部分）和N•L，得到结果如图中下半部分。

截止到这里local SSS已经基本成型，结果如下

次表面散射的阴影与自阴影

在阻挡光散射的边界也不只是愣愣的黑影，如下图

unity的片段着色器支持自阴影，在阴影部分也使用查找贴图映射颜色，
这是博主实现结果

截止到这里local SSS的次表面散射效果已经很不错了，如果再加上屏幕空间次表面散射，效果更加真实

SSSSS屏幕空间次表面散射

上一个步骤之后我们已经得到一个次表面散射皮肤了，屏幕空间SSS之后效果plus。
也是需要用blur来模拟多层散射，像大理石等只散射一次的就不需要这么多次blur。
我们需要进行4次pass，共4次blur，前三次是 Subsurface Scattering Pass，最后一次需要降采样blur-> Boom Pass。
博主懒了，用grid暴力采样9次blur，效果还是可以。
四次pass如下图所示

最后一次pass的模糊需降采样到size/2然后在blur

最后要切记色彩空间要是linear空间。
左图为linear空间，右图为gamma空间，在gamma空间，次表面效果直接消失了。。。

最终结果展示

夜光引擎（Luminous Studio）的新demo->witch

博主的local SSS&SSSSS

unity standard shader&SSSSS

实现参考：
1.   Screen-Space Sub Surface Scattering for real-time skin rendering
2.   Review of Screen-Space Subsurface Scattering
3.   GPU Pro - Screen-Space Perceptual Rendering of Human Skin
4.   GPU Pro2 - Real-Time Approximation of Light Transport in Translucent Homogenous Media
5.   GPU Pro2 - Pre-Integrated Skin Shading
6.   Gpu Gems1 -Real-Time Approximations to Subsurface Scattering
7.   Gpu Gems3 - The Importance of Being Linear

8. Gpu Gems3 - Advanced Techniques for Realistic Real-Time Skin Rendering

前篇2：unity3d Human skin real time rendering plus 真实模拟人皮实时渲染 plus篇

SSS：Unity3d shader之次表面散射（Subsurface Scattering）

PBR：Unity3d 基于物理渲染Physically-Based Rendering之specular BRDF

博主近期渲染：最近用unity5弄的一些渲染

---- by wolf96