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忽然想到——No.1

上午是UNIX课,因为要点到(实际上也点了),所以不得不去。于是上课开始YY游戏里面的渲染效果。除了还没有想好的场景风格以外,最为头痛就是人物皮肤的表现了。最开始考虑的是最简单的Cel Shading,也就是卡通渲染了。这个主意不错,至少在光照从正面照过来的时候不错。

front-light

(It works)

 

然后我把光源移高一点,往旁边偏一点。

image

(image

 

我对无故打肿主角的脸这种事情没有兴趣。不过传统的TV动画的光照模型是高度扭曲过的,要想做得像动画一样不容易啊。很重要的,另外一个原因让我对传统的Cel Shading失去兴趣,那就是Cel Shading会干掉很多的细节。于是把视线转向真实渲染(PR)和非真实渲染(NPR)之间的中间地带。从思路上讲,就是把PR中的技法用到NPR中去。反映到具体画面上就是一些看起来很“湿润”(别想歪)的ACG系CG的效果。

比如这张的效果(脸):

http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=3129353

(由于版权原因,只能放出URL。而且很可恶的是没有账号不能看…

等下有空自己来仿一个)

    稍微分析一下这样的效果的组成。答案是,非常重的“次表面散射(Sub-Surface Scattering即SSS)”效果!对,就是那个传说中的SSS(啥?)。不过这里的散射度放倒PR的情况中去的话,就是严重的过度SSS了。如果用看PR的眼光来看这个皮肤,就像是个蜡块。

    于是引出了正题——SSS效果(死)。不过以下都是妄想,没有经过论证,也暂时没办法论证。主要目的是记下思路等以后有时间的时候实现,比如在游戏正体开始填充阶段的时候。

 

关于SSS,在很早之前(还没有开始这个项目之前)就了解过,不过关于实时SSS方面的信息和知识,则是在这个项目开始后才开始关注的。专家们已经提出了很多实时SSS的方法,比如Spherical Harmonics(球谐函数、PRT)、Texture Space Diffusion、Translucent Shadow Maps等等。但是,TSM要求特殊的Shadow Map,而且还可能对Shadow Map做down sample;Texture Space Diffusion需要将光照先渲染进贴图,还要加工这个贴图;而PRT则是计算了整个光照对应情况,而且需要大量预计算时间。这些要么和OGRE的渲染流程相处不怎么河蟹,要么不够灵活(或者说是太麻烦?)。于是一直苦闷,想要找到一种效果不必那么好,只需要刚好能在人物的脸上使用就够的SSS或者伪SSS算法。

上课无聊,只好各种YY,忽然阀门一转,回想起之前在查找shader新技术的时候找到的运用在HL2中的Radiosity Normal Map——辐射法线贴图RNM。RNM的思路是用贴图记录下某个点对各个方向的不同属性,虽然HL2中的RNM是用来记录辐射度以实现GI的,但是这并不表示RNM只能用来做这样的事情。如果我们吧RNM的那些基向量关于切平面对称一下呢?贴图中的每个分量都是向着物体内部的,每个分量的大小表示的是这个方向附近一块区域的衰减程度。

 

具体是这样的

image

考虑上图的情况。光照从上向下。下面的是当前渲染的像素。像素上的三个向量是RNM中的基,是处于切线空间的三个固定向量,虽然图上画的是3个向量,但是实际上我准备使用4个向量,基本上就是HL2的RNM的三个再加上一个和法向量相反的向量。总之,在这三个向量指向的物体的另一面的一块区域内设置采样点,计算每个采样点到渲染像素的距离(或者衰减系数toka)的平均值。将这个平均值记录下来(相当于基中向量的长度),四个值刚好对应四个通道,可以用RGBA的贴图来存储。

渲染的时候,将基中的每个向量乘上上一步中预制的长度值。再将光照方向变换到切线空间,并与基中的每个向量依次saturate(dot),然后将这些结果值加起来。如此就得到了某个像素在某个光线角度时从内部反射出来的光强度,在这里我将其称为补光。接下来我们可以计算一般的带shadow的光照,最后把这个补光加到基础光照上面去。

 

考虑三种情况

image

1、点发线方向和光照方向很接近。

l为光照方向的向量取反,a1 a2 a3分贝为三个基向量

则saturate(dot(a1,l))=0

saturate(dot(a2,l))=0

saturate(dot(a2,l))=0

最后得到的补光为0

 

image

2、点向量方向与光照方向几乎垂直

这时候

saturate(dot(a1,l))>0

saturate(dot(a2,l))约等于0

saturate(dot(a3,l))=0

得到的补光>0

这里会出现这样的情况

image

此时点发线、基向量和光照方向都相同。但是明显右边的情况下,入射光衰减的更重,因此, 点P处的补光应该是左>右。造成这样的区别的原因是,物体的几何结构的区别。而实际上,我们在计算基向量长度的时候就已经将物体的集合结构计算进去。因此,此处a1本就应该反映出其附近的衰减程度,也就是说这里的a1向量,左边的应该比右边的长。(好吧,我的表述能力很差,我的意思是。我们之前预计算的贴图会让我们得到近似正确的结果)。

 

然后是

3、点法线与光照方向几乎相反

image这时候三个基向量与l的点积都>0。一般这样的情况是怎么出现的呢…

我想,大概是这样

image 也就是渲染的像素处于背光面。这时候的a2值不会太长。为什么?

因为计算a1a2a3长度的时候我们可以调整衰减的情况…

image

比如这样…这个要根据实际的光照模型来弄。

 

总之,就是利用RNM的原理,来做3S的方法。最后,这个方法其实只对没有变形的物体有效,但是对于脸这样形变并不是很严重的表面大概也适用吧。

 

上课orz /~

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