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练习项目(十一)：次表面散射的近似实现

发表于 2021-01-30 分类于练习项目阅读次数：
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概述

实时图形中的很多着色模型只考虑光在物体表面的相互作用。但现实世界中，很多物体是半透明的，光射进表面，在材质里散射，然后从与入射点不同的地方退出表面。本文将介绍几种方法，近似实现次表面散射的效果。

一、URP中的多光源计算

在Build in渲染管线中，要计算多个光源的贡献，一般的方式是使用两个Pass。可以参考《Unity Shader入门精要》第九章。

但是在URP中，不需要多个Pass，可以在一个Pass中计算。参考URP内置的Lit.shader资源，可以发现计算多光源的方式。

#ifdef _ADDITIONAL_LIGHTS
    uint pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
    for (uint lightIndex = 0u; lightIndex < pixelLightCount; ++lightIndex)
    {
        Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, inputData.positionWS);
        color += LightingPhysicallyBased(brdfData, light, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS);
    }
#endif

主要的思路：使用GetAdditionalLightsCount()方法获得额外的光源数量，然后遍历这些光源；使用GetAdditionalLight()方法获得指定序号的光源信息。然后计算相应光源的贡献，叠加到主光源的贡献上。

二、环绕光照

使用经典的兰伯特定律计算漫反射时，使用的公式如下： \[ c_{diffuse} = (c_{light}*m_{diffuse})max(0,n \cdot l) \] 观察上式可以发现，当表面法线和光线的方向垂直时，漫反射提供的照明度为0。

环绕光照对上述公式进行一定的修改，使得光照环绕在物体的周围。这样，那些原本暗色的地方也会有亮度。

下面的代码，显示了如何改变漫反射公式：

1 2	half diffuse = max(0, dot(N, L)); half wrap_diffuse = max(0, (dot(N, L) + wrap) / (1 + wrap));

其中，环绕值wrap是范围为\([0,1]\)的浮点数，控制光照环绕物体的距离。如下图所示：

当wrap为0时，就是标准的兰伯特反射。观察与y轴的交点，原本照明度为0的情况，随着wrap的变化，交点也在变化，表明照明度不为0了。

这里需要用到多光源的计算，参考第一部分的内容。

效果如下：

三、快速次表面散射

快速次表面散射的实现，主要是根据《Approximating Translucency for a Fast, Cheap and Convincing Subsurface Scattering Look》实现的。

主要的思路是：对于不透明材质，光的贡献直接来自光源，相对于光的方向倾斜90度以上的顶点不接受光照（如下左图）；根据演示文稿中提出的模型，半透明材质具有额外的光源贡献，\(-L\)。从几何上来看，\(-L\)可以看作是某些光线实际穿过了材质并到达了另一侧（如下右图）。

这样，最终的颜色包含两部分，第一部分是正常的照明，另一部分是来自虚拟光源的照明。

计算虚拟光源照明的公式如下： \[ I_{back} = sarutate(V \cdot -<L + N\delta>)^p*s \] 其中：

L是光源的方向；
V是视线的方向；
N是法线的方向；
\(\delta\)是次表面变形参数，该参数迫使向量\(-L\)指向\(N\)；
p（功率）和s（比例）用来改变曲线的属性

最终的效果如下所示：

四、总结

本文介绍了两种对次表面散射的近似方法，只是一种近似方法，可能不太适合真实物体渲染。如果需要更详细的介绍，可以参考下面的参考内容。

参考

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