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該篇文章參照淺墨的這篇文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/35974789

Dawn是由NVIDIA創(chuàng)建的，用來介紹GeForce FX產(chǎn)品線的演示程序，它說明如何使用可編程的著色技術(shù)創(chuàng)建出逼真的人類角色。

最初的Dawn Demo由NVIDIA于2002年發(fā)布，而十年之后的2012年，NVIDIA新發(fā)布了“A New Dawn”技術(shù)Demo。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖 Dawn Demo (2002年)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 B?New Dawn Demo （2012年）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 技術(shù)指標(biāo)對比

3.1 引言

這章詳細(xì)介紹了NVIDIA出品的Dawn Demo中對精靈人物的著色技術(shù)，主要是皮膚的著色技巧。在當(dāng)時（2002年）NVIDIA創(chuàng)造的此demo的品質(zhì)，已經(jīng)成為照片級真實感渲染和實時渲染的代表。

3.2 皮膚著色

基于多種原因，在計算機圖形中模擬皮膚十分困難。在當(dāng)時，即使是在電影中用高端產(chǎn)品模擬出來的仿真角色，通常也經(jīng)不起近距離的觀察。因為，人類可以從中獲得大量非語言來表達的信息，如重心的移動，走動的特別習(xí)慣，面部的表情，甚至有些人的皮膚泛紅等等。

雖然很少有人能理解像“次表面散射（Subsurface Scattering）”、“輪廓照明（Rim
Lighting）”這些詞匯，但是當(dāng)把它們渲染錯了的時候，幾乎任何人都可以指出來。而且除了著色問題外，有時人們會因為皮膚渲染的問題，說皮膚看起來像是塑料做的。

3.3 場景的照明

基于照片的光照（Image Based Lighting , IBL），因為Dawn是一個仙女，我們找到一片合適的森林，拍了大量標(biāo)準(zhǔn)的照片。采用iPIX工具包，拍攝兩張半球環(huán)景照片。采用iPIX軟件，把對應(yīng)的半球半景照片縫合為一個全景，然后用Debevec的HDRShop軟件在每個給定角度對環(huán)景光的顏色和強度進行編碼，創(chuàng)建高動態(tài)范圍的全景。隨后HDRShop可以創(chuàng)建一個漫反射查找表，它執(zhí)行一個卷積，用給定的表面粗糙度為表面創(chuàng)建漫反射或鏡面高光反射映射圖。

1.通過半球照片，創(chuàng)建高動態(tài)范圍(High-Dynamic Range，HDR）)的全景

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖 立方體環(huán)境反射貼圖

2.漫反射環(huán)境貼圖（Diffuse Environment Map）也是一個立方體映射貼圖，它使用網(wǎng)格表面的法線作為索引。每個像素存儲了相應(yīng)法線與入射光夾角的余弦加權(quán)平均值。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 漫反射環(huán)境貼圖（Diffuse Environment Map）

3.鏡面高光環(huán)境貼圖（Specular Environment Map）同樣也是一個立方體映射貼圖，使用反射矢量作為索引（類似于立方體映射）。把此鏡面高光環(huán)境貼圖基于粗糙因子進行模糊，目的是模擬對任何表面任何給定點上的法線的改變。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖 鏡面高光環(huán)境貼圖（Specular Environment Map）

存在的問題是，漫反射環(huán)境貼圖（Diffuse Environment Map）和鏡面高光環(huán)境貼圖（Specular Environment Map）考慮了來自環(huán)境的入射光，但不包含由物體引起的陰影。

要解決這個問題，可以生成一個遮擋項，用來近似表達在每個頂點上半球輻射光中，有多大比率場景中其他物體所遮擋。

3.4 皮膚如何對光進行相應(yīng)

皮膚不像大多數(shù)在計算機渲染中建模的表面，因為它是由半透明的表皮、真皮和皮下組織等數(shù)層構(gòu)成的。這可以用次表面散射來模擬。這種現(xiàn)象很普遍，當(dāng)在太陽面前向上舉起手，就能看到穿過皮膚的桔紅色的光。皮膚下的散射在所有的角度上顯現(xiàn)皮膚形態(tài)，使它具有了柔軟的、與眾不同的特征。

在這之前有一些小組嘗試使用多層紋理貼圖來模仿皮膚的復(fù)雜性，但一般而言，這個方法比較難管理，美術(shù)同學(xué)很難通過預(yù)想，混合出最終符合預(yù)期的效果。相反，文中使用單張彩色貼圖，通過著色程序來增加色彩的變化。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖 Dawn頭部的前半邊的漫反射貼圖

另外，皮膚具有一些極細(xì)微的變化，會影響其反射特性。這對皮膚外觀有微妙的影響，特別是當(dāng)光線直接與相機位置相反時，皮膚的表現(xiàn)則是存在邊緣（Edge）與輪廓光照（Rim Lighting）,這時，需要皮膚輪廓邊緣的光照，或給皮膚邊緣加上光暈。

真正的皮膚具有一些細(xì)微的特征，比如汗毛和毛孔能捕捉光線。盡管這些細(xì)節(jié)用于顯式地建模是太不明顯了，但我們還是希望得到一個合適、整體更逼真的皮膚渲染外觀。在特寫時，可以增加凹凸貼圖，提供一些額外的細(xì)節(jié)，特別是一些小的皺紋。但需要注意，我們想要的是柔軟的皮膚外觀，而不是光閃閃的油膩的塑料。另外，凹凸貼圖通常只需靜距離特寫時才可見。

我們可以通過建模來近似這兩個著色屬性，建模可以是基于表面法線的簡單公式，或者是基于光線或視線矢量的簡單公式。

通過認(rèn)識，我們可以將上述兩種渲染特性（次表面散射和邊緣光照），建模為基于表面法線和照明或觀察向量的簡單公式，從而近似出兩種著色屬性。尤其是沿著Dawn的輪廓邊緣，對她身后的光線取樣，按照觀察向量的索引，讓“穿過”Dawn的光與她的基礎(chǔ)皮膚色調(diào)混合，從而創(chuàng)建次表面散射和邊緣光照的著色效果。尤其是背景圖中更加明亮的區(qū)域。如下圖。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 Dawn的頭部前面的切線空間法線貼圖（凹凸貼圖）

3.5 實現(xiàn)

Dawn Demo中，毫無懸念地使用頂點著色器和像素著色器進行光照處理，頂點shader的主要功能是將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到投影空間，并執(zhí)行那些不能在像素著色器中執(zhí)行的數(shù)學(xué)運算。

采用單通道（one-pass）的光照解決方案，不需要另外其他的通道渲染，或alpha混合來創(chuàng)建皮膚表面。

文中提供了完整的頂點Shader和像素Shader的源代碼，這里因為篇幅原因不再贅述，具體可以參考原文（PS:上文有貼出Web版的英文全書原文的鏈接）。

核心要點總結(jié)

1）基于圖像的光照（Image Based Lighting , IBL），采用高動態(tài)范圍（High-Dynamic-Range , HDR）光照環(huán)境映射貼圖，環(huán)境漫反射貼圖，鏡面高光環(huán)境貼圖計算光照，代替Phong光照。

2）次表面散射（Subsurface Scattering），通過凹凸貼圖實現(xiàn)

3）對皮膚邊緣加上光暈，即輪廓照明/邊緣光照（Rim Lighting）

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的GPU Gems1 - 3 Dawn Demo中的皮肤渲染（Skin in the Dawn Demo）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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