移动端树叶SSS效果制作

2020年12月13日 DCC

UE4内置了双面植被渲染的ShadingModel，内部使用了TwoSidedBxDF的专门BxDF方程：

FDirectLighting TwoSidedBxDF( FGBufferData GBuffer, half3 N, half3 V, half3 L, float Falloff, float NoL, 
	FAreaLight AreaLight, FShadowTerms Shadow )
{
	FDirectLighting Lighting = DefaultLitBxDF( GBuffer, N, V, L, Falloff, NoL, AreaLight, Shadow );

	float3 SubsurfaceColor = ExtractSubsurfaceColor(GBuffer);

	// http://blog.stevemcauley.com/2011/12/03/energy-conserving-wrapped-diffuse/
	float Wrap = 0.5;
	float WrapNoL = saturate( ( -dot(N, L) + Wrap ) / Square( 1 + Wrap ) );

	// Scatter distribution
	float VoL = dot(V, L);
	float Scatter = D_GGX( 0.6*0.6, saturate( -VoL ) );

	Lighting.Transmission = AreaLight.FalloffColor * (Falloff * WrapNoL * Scatter) * SubsurfaceColor;

	return Lighting;
}

这种Wrap式的BxDF（比如Half-Lambert）会在背光部分添加适当的补光，而不是完全变黑，比较忠实的还原了光线在叶子间传递的衰减情况。

通常情况下Wrap式光照模型会过亮（能量不守恒），导致与周围的其它遵循能量守恒的PBR着色模型亮度不统一（在环境中显得格格不入，美术风格不统一），技术美术被迫放出更多的着色细节参数，让美术细调以达到着色风格统一。

这实际上是风格化PBR必然会遇到的问题，也是比较重要的问题，风格化的PBR会对特殊的材质，各向异性如：丝绸、头发，SSS类型如：玉石、皮肤，特殊环境材质如：河流、湖面、海面、冰、沙子等，对这些特殊的材质设计单独的Shading Model，很难确保所有的ShadingModel都遵循能量守恒，同时也很难确保所有的着色细节亮度统一。

我认为之前所在的项目也有类似的问题，我们修改了很多着色相关的细节，做了很多风格化的处理，但并没有确保所有的着色模型（比如水），都遵循最基本的能量守恒。

文章（http://blog.stevemcauley.com/2011/12/03/energy-conserving-wrapped-diffuse/）给出了基于能量衰减的 Warp BxDF，可以和周围的PBR着色模型很好的融合在一起。

另外全局光的球谐光也是很重要的一项，树叶计算球谐光时使用反向的法向量，它会带来很细腻的光影变化。

移动端渲染树叶时，出于性能考虑，会使用插片方法来节省性能，并且为了避开Overdraw，经常插片数很少，这导致树叶的光影感出不来。换言之，插片树缺少了许多高频的几何细节，没有办法直接计算透视SSS效果。

因此，在SpeedTree这种专业造树软件中，会额外计算一项高频的几何环境光遮蔽系数存到顶点色的r通道中，导入UE4时，可以将其作为AO项参与透射部分的计算。