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【交流】次表面散射材质赏析
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我们会发光
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次表面散射材质就是我们大家常说的3S材质，生活中的3S材质大概有玉石，玛瑙，番茄，塑料，树叶等。次表面散射简称3S，是光射入非金属材质后再内部发生次表面散射，最后射出物体并进入视野中产生的现象，是指光从表面进入物体经过内部散射，然后又通过物体表面的其他顶点出射的光线传递过程。

一般在3d软件中，使用的是真实的光线追踪算法，有着极度复杂的算式，我曾经想尝试过做过一次，但基本上都失败了。这种算法的好处就是绝对的真实，缺点就是太烧配置。在3d软件中，渲染一帧次表面散射材质平均时间一分钟。

而3s材质有什么效果呢，这里，我找了几张有代表性的比较炫酷的图，作为分析。

首先，大家发现，有3S材质的物体并不像普通物体明暗那么明显，其实，就是所有的3S材质都有一个共同属性，那就是透光度。而为什么有的3S材质看起来表面很硬，有的看起来很软呢？当然高光是一个重要参数。但是第一个物体，没有高光，为什么也感觉很硬呢（欢迎大家来讨论）。
大家会发现，那些过渡很规律，透光很平滑的一般都是硬表面3S材质，因为光在其中主要是透射，而散射比例比较低。一般在玉石，有色玻璃中表现尤为明显。而像一些软的东西，蜡烛，树叶，塑料等，他们本身透射并不高，但是散射比例就比较大。

其实这里面有一定的科学道理可言，硬的东西结构致密有规律，光更容易从中穿过。而软的东西，物体结构相对松散，光从中穿过障碍重重，所以散射大于透射。
在unity中，要表现3S材质，必须要做到的一点就是兼顾透射和次表面散射。

因为，unity是实时渲染引擎，不可能用光线追踪去慢慢模拟。必须用最直接了当的方式去表现。
而一般酷炫的3S硬表面材质，这里，说一下透光度的实现原理吧。

一般情况下，光是从上往下打的。所以物体会出现上亮下暗的情况。

如果我这里有一个从下往上的向量，和物体的法线做点乘，那么，是不是就有一点点透射的效果了？

当然，只做这一步是远远不够的。因为只有透射，远远达不到SSS效果，必须有散射效果。
这个时候就需要把光照范围从虚拟光照面扩散到整个模型。
比方说，把输入的颜色区间从（0-1）重定义为（0.5-1)

接下来，利用frensl，调节整体亮度，边缘亮度，中心亮度。
最后把亮度信息利用lerp映射到亮色和暗色上。（我那个玉石是亮绿和暗绿）
软表面呢，主要是散射，所以尽量不要有透光，所以开始一定要常规的方向和模型进行dot（点乘）之后的散射是重点一定要平滑同时，后期的调色也尽量做到模型通体明暗变化微弱。并且整体向光面（就算有凹凸）也基本无暗面。
最后说一下高光部分。

同是硬表面，怎么区别塑料，玻璃和玉石的区别呢？有个光学现象叫菲尼尔反射。
代表便是蓝色的那个人头。菲尼尔反射（Fresnel）的特点是越到边缘反射越强烈。
常见于透光度较低的硬表面材质。
刚开始我打算用基于布林（Blinn）的里反射算法乘以fresnel，结果就是仅仅是中心亮度没了，还是无法显示出边缘反射。后来基于unity5.0的PBL高光算法（5.0的标准材质球用的就是这套算法），当反射越锐利的时候，Fresnel现象就越强。很多人都反映过，unity5.0把光泽度调高后，有些像塑料包装效果了。
这里说一下法线贴图如何用于表现3S的纹理细节，这里分3种实现方法。（这里先不讲内部纹理，先讲表皮凹凸纹理）

第一种，也是最真实的，效果最炫酷的，凹凸感明暗相对来说较差（强了就不是SSS了），实现起来较麻烦，多层混合则更麻烦。
基于真正的光照凹凸模拟。
比方说伪灯光（0,-1,0）和物体normal点乘，得到结果b。
比如说这里float a；a和法线贴图dot；
那么得到的值要加上（1-a），最后和b相乘即可。至于多层混合，稍后研究，我之前用的是方法2.

第二种，用起来比较简单，也容易理解，多层混合也很方便。且无视伪平行光的方向，效果也不错。
设第一步得到的结果还是b。
a和法线贴图dot后，有了一个亮度值，然后减去a，即可得到以0为基准，凹凸分别是正负亮度的贴图，然后和b进行相加。如果再有一个纹理贴图进行混合，则把最后结果再相加即可。

第三种，其实和第二种原理一样，唯一的区别是第二种其实还是光线强度信息阶段，最后还要lerp亮度颜色（亮绿，亮蓝都可）和暗色（比较暗的颜色都行），达到带颜色的凹凸效果。而第三种，是在lerp取值完，变成彩色材质之后，在add一次凹凸。特点是无视颜色的凹凸阴影效果叠加。优点是凹凸效果明显。如果这个材质不是3S，基本上只输出自发光时都用这种方法表现凹凸效果。
这里补充一个技术细节，一个数值和法线贴图进行dot（点乘），可以得到基于该数值的法线明暗的效果。
方法一，主要是用该明暗贴图和之前的效果相乘。所以当该数值比较小的时候，得到的贴图是很暗的，所以要add一个（1-该数值），这样，这个图整体亮度就几乎等于1了。然后就可以和之前的结果相乘了。

方法二，主要是用该明暗贴图和之前的效果相加。所以当该数值比较大的时候，得到的贴图就很亮，所以在相加之前，需要减去一下该数值。这样，整个图整体亮度就几乎等于0了。然后就可以和之前的结果相加了。

方法三，主要是因为该效果是3S而专门存在的，核心区别则是把法线贴图混合到哪个进度。其实方法3也可以以方法一的方式进行。这样的缺点就是，忽视当前效果是3S效果，把当前效果当做最普通的材质去处理。凹凸的真实度会很高，但是3s效果却降低。
至于多层内嵌凹凸纹理，则是利用视差贴图，提前对法线贴图的UV进行纵深化即可。至于视差贴图的算法，网上有详细的讲解。这里我就不再细说明了。

这里说一下用方法一的多纹理混合，其实也很简单，就是贴图之间不断的相乘即可（感觉运算量貌似比方法二大很多，方法二是不断的相加，不过无所谓了，是计算机做这些事也不是你做，放心好了）。

楼主 2016-10-30 13:38 回复

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