Unity3D教程：次表面散射的简单实现
次表面散射指的是光线射入半透明材质，在内部发生散射后再透射出来的光线传播过程，考虑到有些项目会需要使用次表面散射，下面就给大家介绍下在Unity3D中次表面散射的简单实现，希望可以帮到大家。
一、前言
本文旨在与大家一起探讨学习新知识，如有疏漏或者谬误，请大家不吝指出。
以下内容参考了GPU精粹1中关于次表面散射一节的内容。
二、概述
次表面散射，英文全称为Subsurface Scattering，简称SSS。指的是光线射入半透明材质，在内部发生散射后再透射出来的光线传播过程。真实世界中拥有次表面散射的材质有蜡烛、大理石、玉石以及人的皮肤等。要模拟物理上真实的次表面散射是很复杂的一件事，比较经典的次表面散射模型有BSSRDF，全称叫双向次表面散射反射分布函数。本文中并未使用BSSRDF模型，而是简单的使用了exp指数函数对深度进行计算以此模拟散射。
以下为实现后的最终效果：
三、原理
首先我们来对次表面散射物体的光照做一个分解，也算是一个简单的建模过程。
Color = Diffuse * Scattering + SpecularColor;
Diffuse指的是物体表面的漫反射颜色，Scattering是散射的颜色，SpecularColor是高光颜色。
1、漫反射的计算
漫反射的计算公式，在这里我们使用的是环绕光照计算公式，即：
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diff = ( dot(normal, lightDir) + wrap )/( 1+wrap ) |
其中normal为顶点的法线，lightDir是光照方向，wrap为环绕参数。传统的Lambert光照中，当物体表面的法线与光源方向垂直的时候，其产生的光照结果为0，但是在次表面散射物体中，由于内部散射光线的传播，导致其在上述情形下光照结果不会完全为0。所以为了减少传统Lambert光照中的黑暗区域，我们使用环绕光照公式，当dot(normal, lightDir)结果为0的时候，我们强制其至少有一点点亮度，即wrap/(1+wrap)。
2、散射的计算
我们假设物体表面的散射是均匀分布的，并且无视光源位置以及光照方向对散射的影响，取物体在视线方向上的深度值作为参数，带入exp指数函数中进行计算。当然上述假设并不符合物理规律，但是考虑到效果以及效率的问题，我们只好先这么干了。
为了获取物体在视线方向上的深度值，我们需要先以cull front模式渲染一遍物体，保存物体背面的顶点的深度值信息，然后再回到正常的cull back模式下渲染物体，使用(backDepth-frontDepth)来求出深度值，最后带入公式exp(-C*depth)中。C为外部传入的参数，用于调节物体的透光率。
3、高光的计算
高光的计算我们使用经典的BlinnPhong光照公式，即：
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Specular = pow((dot(normal, half)), shiness);Half = normalize(lightDir + viewDir); |
其中normal为顶点法线向量，half为半角向量，是入射光向量与视点向量的角平分线向量，shiness为高光指数。
BlinnPhong光照模型相比较于Phong光照模型，其高光区域更平滑柔和，这也是为什么我们使用它。
4、半透明
由于在散射计算中，需要使用到物体表面顶点的深度值信息，导致我们在渲染时不 能关闭ZWrite，这就使得我们不能通过Unity3D中设置RenderType=Transparent、Queue=Transparent来实现半透明混合效果。在Unity3D中，要实现半透明，一般的做法是：
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Tags { "RenderType"="Transparent" "Queue"="Transparent"}Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaZWrite off |
所以，我们需要寻找另外一种方法来实现半透明，通过GrabPass操作来获取除物体本身以外的屏幕渲染结果，然后我们在片段着色器中手动进行混合计算，以此达到半透明效果。当然需要注意的是，GrabPass本身的操作比Alpha混合要昂贵的多，需要牺牲更多的计算性能，另外GrabPass在某些手机平台上可能不被支持。
四、实现
下面给出顶点着色器以及片段着色器的实现代码：
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struct appdata{ float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 normal:NORMAL;}; struct v2f{ float2 uv : TEXCOORD0; float4 screenUV:TEXCOORD1; float3 lightDir:TEXCOORD2; float3 viewDir:TEXCOORD3; float3 normal:TEXCOORD4; float4 grabUV:TEXCOORD5; UNITY_FOG_COORDS(1) float4 vertex : SV_POSITION;}; sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;sampler2D _GrabTexture;sampler2D _BackDepthTex;float4 _AttenuationC;float4 _Color;float _Shininess;float _ScatteringFactor;float _Wrap; struct LightingInput { float3 Albedo; float3 Normal; float Gloss; float Specular; float Alpha;}; float4 CalculateLighting (LightingInput i, float3 lightDir, float3 viewDir, float atten, float3 scattering){ float3 h = normalize (lightDir + viewDir); float diff = (dot (i.Normal, lightDir)+_Wrap)/(1+_Wrap); diff = saturate (diff); float nh = (dot (i.Normal, h)+_Wrap)/(1+_Wrap); nh = saturate(nh); float spec = pow (nh, i.Specular*128.0) * i.Gloss; float4 c; c.rgb = (i.Albedo * _LightColor0.rgb * diff *scattering + _LightColor0.rgb * _SpecColor.rgb * spec) * (atten * 2); c.a = i.Alpha + _SpecColor.a * spec * atten; return c;} v2f vert (appdata v){ v2f o; o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex); o.screenUV = ComputeScreenPos(o.vertex); o.lightDir = ObjSpaceLightDir(v.vertex); o.viewDir = ObjSpaceViewDir(v.vertex); o.normal = v.normal; o.grabUV = ComputeGrabScreenPos(o.vertex); UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex); return o;} float4 frag (v2f i) : SV_Target{ // sample the texture float4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); // float frontDepth = LinearEyeDepth( i.screenUV.z/i.screenUV.w ); // float2 backDepthUV = i.screenUV.xy/i.screenUV.w; float4 backDepthColor = tex2D(_BackDepthTex, backDepthUV); float backDepth = LinearEyeDepth(DecodeFloatRGBA(backDepthColor)); //do scattering float depth = backDepth-frontDepth; float3 scattering = exp(-_AttenuationC.xyz*depth); //do lighting LightingInput lightVar; lightVar.Albedo = col.rgb * _Color.rgb; lightVar.Gloss = col.a; lightVar.Alpha = col.a * _Color.a; lightVar.Specular = _Shininess; lightVar.Normal = i.normal; col = CalculateLighting (lightVar, i.lightDir, i.viewDir, _LightColor0.a, scattering); //blend //col.xyz = col.a*col.rgb + (1-col.a)*tex2D(_GrabTexture, i.grabUV.xy/i.grabUV.w); col.xyz = lerp(tex2D(_GrabTexture, i.grabUV.xy/i.grabUV.w), col.rgb, col.a); // apply fog UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col); return col;} |
照例，我们对上述代码中某些函数进行说明：
1、ComputeScreenPos函数是将经过透视投影的顶点变换到屏幕坐标系中，然后就可以使用xy/w的值作为UV取屏幕坐标系下的深度图的值。
具体细节可以参看UnityCG.cginc文件，这里也将代码贴出来：
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inline float4 ComputeScreenPos (float4 pos) { float4 o = pos * 0.5f; #if defined(UNITY_HALF_TEXEL_OFFSET) o.xy = float2(o.x, o.y*_ProjectionParams.x) + o.w * _ScreenParams.zw; #else o.xy = float2(o.x, o.y*_ProjectionParams.x) + o.w; #endif o.zw = pos.zw; return o;} |
2、ComputeGrabScreenPos函数做的事情跟上述ComputeScreenPos函数是一样的，只不过对于GrabPass取到的渲染结果与屏幕空间不太一致，这里也列出代码：
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inline float4 ComputeGrabScreenPos (float4 pos) { #if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP float scale = -1.0; #else float scale = 1.0; #endif float4 o = pos * 0.5f; o.xy = float2(o.x, o.y*scale) + o.w; o.zw = pos.zw; return o;} |
3、LinearEyeDepth函数是将经过透视投影变换的深度值还原成其在View坐标系中的值。具体细节读者可以参考此链接：
http://blog.sina.com.cn/s/blog_70f96aa90102v0wd.html
这篇博客是本人早期写的，大体意思有说明到，如果要穷究细节，则需要对透视投影做深入了解了。
4、DecodeFloatRGBA与EncodeFloatRGBA是一对函数。EncodeFloatRGBA用于将float值编码到RGBA四个通道上，Decode则是相应的解码过程。这两个函数是为了提高深度值的精度，以便于进行深度值计算时不会产生太大误差。
5、_BackDepthTex是物体背面的深度图，由Camera.RenderWithShader（）产生，这部分的代码在脚本中实现，读者可以参考完整示例。
下面给出完整示例程序：
