次表面轮廓明暗处理模型

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次表面轮廓明暗处理模型



       
     
     
     Unreal Engine 4.9

       
     
         



   
    本页面的内容：
   

   
                                                            
        什么是次表面轮廓
                                                        
        启用、创建和使用次表面轮廓
                                                        
        材质输入通道
                                                        
        技术细节
                                                        
        比例调整和控制台命令
                                                        
        特别鸣谢
                                            


渲染逼真人体皮肤的能力，对于任何现代电子游戏引擎来说都不可或缺。为了满足此需求，虚幻引擎 4 (UE4) 现在提供了一种专门用于皮肤或蜡状表面的明暗处理方法，称为 次表面轮廓。
次表面轮廓明暗处理模型具有与次表面明暗处理模型类似的属性，其关键区别在于渲染方式有所不同。
次表面轮廓使用基于屏幕空间的渲染方法，因为这有助于更好地显示人体皮肤上的微妙次表面效果，而反向散射是仅在少数情况（例如，耳朵）下才会出现的次级效果。
以下文档将阐述什么是次表面轮廓以及如何在工作中使用它们。


   
        



        
   
   
        



        
   

       
特别感谢 Lee Perry-Smith 和他的公司 Infinite Realities
提供 3D 扫描头部模型及协助。


什么是次表面轮廓


次表面散射轮廓存储关于次表面散射渲染方式的信息。
它可以像任何其他 Actor 一样创建、共享并保存在 内容浏览器 中。
次表面散射轮廓通过存储美工驱动的数据来工作，这些数据与次表面中应该散射的光线距离、次表面颜色以及光线退出对象后具有的衰减颜色相关。
然后，可以将此数据应用于次表面材质，以影响次表面的外观。
您也可以采用交互方式来调整次表面轮廓，这表示您无需重新编译材质即可看到编辑结果。

启用、创建和使用次表面轮廓


要在某个材质中使用次表面轮廓，您必须先在该材质的 细节（Details）面板中将 明暗处理模型（Shading Model）设置为 次表面轮廓（Subsurface Profile），从而使该材质能够使用次表面轮廓。
通过在 次表面轮廓（Subsurface Profile）输入中输入另一个次表面轮廓，您可覆盖用于此材质的次表面轮廓。


       
次表面轮廓的默认设置接近于白种人皮肤。但请注意，这只是呈现栩栩如生的皮肤所需的要素之一。请始终确保纹理的底色适合于次表面散射轮廓。







另外，也可以在材质实例中覆盖次表面轮廓。为此，您需要先打开要更改的材质实例。
然后，在该材质实例的 细节（Details）部分中启用 覆盖次表面轮廓（Override Subsurface Profile），接着在 次表面轮廓（Subsurface Profile）输入中提供要使用的次表面轮廓。






要创建次表面轮廓，请先在 内容浏览器 中 右键单击。然后，选择 材质与纹理（Materials & Textures）选项，并选择 次表面轮廓（Subsurface Profile）选项。






       
如果未指定任何次表面轮廓，那么它将使用默认的次表面轮廓，即白种人皮肤。



在 内容浏览器 中，使用 鼠标左键双击 次表面轮廓可将其打开，然后进行编辑。
打开后，您可调整次表面散射轮廓的各个属性，方法如下：使用键盘输入数值，或使用 鼠标左键单击 颜色条以显示取色器。






散射半径（Scatter Radius）：执行散射的距离（采用世界空间单位）。


次表面颜色（Subsurface Color）：次表面颜色可用作次表面效果的权重。黑色表示不会发生次表面散射。
白色表示所有光线都进入材质并向四周散射。非灰阶值可以对进入表面的
颜色成分进行更多控制，从而产生外观更加复杂的明暗处理。


衰减颜色（Falloff Color）：衰减颜色用于定义光线进入材质后的材质散射颜色。
如果您希望在看到散射的区域实现更加复杂的明暗变化，那么应该避免在此处使用鲜艳的颜色。


       
请记住，整个计算是节能的，因此无法通过散射创建更多光线（与旧/其他次表面方法不同）。


材质输入通道


“屏幕空间”次表面明暗处理轮廓与“照亮”明暗处理模式没有很大的区别，它们之间的主要区别在于“金属色”（Metallic）输入的用途已改变，不可使用。


底色（Base Color）输入：“底色”（Base Color）输入照例用于漫射照明。因为“屏幕空间”次表面散射不应该更改颜色或亮度，而仅仅将光线重新分布到邻近像素，所以没有额外的次表面散射颜色。
因此，如果某个材质应该以特定颜色散射，那么需要将该颜色表示为底色的组成部分。
底色应该是最终颜色，就像是从无法区分散射与漫射光线的遥远距离观察材质一样。


       
人体皮肤可看作薄薄的苍白色层，其表面下方是更有活力的红色，这就是默认颜色的外观。人体皮肤的可见散射距离大概是 1.2 厘米，这是次表面轮廓的默认值。



金属色（Metallic）输入：使用次表面轮廓时，“金属色”（Metallic）输入通道不可用，这是因为“金属色”（Metallic）输入的 GBuffer 空间的用途已改变，无法容纳次表面轮廓数据。


“不透明度”（Opacity）输入：“不透明度”（Opacity）输入通道用来屏蔽次表面散射的影响。
其工作方式为：使用 0 到 1 范围内的值来支持在次表面散射强度的不同区域之间平滑过渡。
例如，如果将值 0 输入到“不透明度”（Opacity）输入，那么将禁用次表面散射。
输入值 1 将显示次表面散射的整个范围。
为了更好地控制次表面散射的加强或减弱，最好使用蒙版纹理。
蒙版纹理中值接近于 1（即，白色）的区域将具有最强的次表面散射效果，而接近于 0（即，黑色）的区域的效果不明显。
调整次表面颜色有助于在区域过暗时进行补偿，请记住，使用较亮的颜色将导致更多次表面散射。


在这里，您可以看到如何使用蒙版来使用一个材质渲染两种表面类型。请注意，过渡比较柔和，并且不限于三角形边界。


       






技术细节


目前，次表面散射轮廓明暗处理模型与“照亮”区别不大（朗伯漫射，GGX 镜面反射，无金属色）。
大部分魔法在计算所有光线之后的后处理过程中发生。


       
次表面散射轮廓基于 Jorge Jimenez
的工作。请确保查阅他的网页，以获得有关如何使 3D 图像更加逼真的许多有用提示。



我们将非镜面反射（并非依赖于视图）的光线影响分隔开，以便在次表面材质上支持镜面反射并向下采样，从而提高性能。
与高斯模糊类似，我们使用两遍（假定内核可分离）后处理过程来过滤图像。
过滤内核依赖于次表面散射轮廓，后者存储在 GBuffer 中（每个场景最多 255 个活动轮廓）。
此内核具有彩色权重以及特定的取样位置，它们在轮廓中可进行比例调整（以每厘米单位数定义）。
在最终步骤中，我们将散射光线的影响与完整的解析图像进行重新组合。为了将依赖于视图的光线与并非依赖于视图的光线分隔开，我们在场景颜色阿尔法通道中存储一个加权项。
这种近似法需要 64 位的渲染目标（请参阅 r.SceneColorFormat），并且适用于大部分情况。


它会成功地剔除镜面反射，但对于这些镜面反射像素，您将获得更加去饱和度且并非依赖于视图的颜色。您可以通过将两个 32 位渲染目标用于所有照明通道加以改善。它们具有相同的存储带宽，但在某些硬件上，速度可能较慢。这可能是我们想要更改的情况（已增加代码复杂性）。


在以下示例中，我们在应用模糊之前去除了镜面反射。请注意，在最后的图像（最右边的图像）中，镜面反射清晰而平滑。这就是我们想要实现的效果。


       







在以下示例中，我们在应用模糊之前未去除镜面反射。请注意，在最后的图像（最右边的图像）中，镜面反射显得暗沉并且有点拉伸。这不是渲染此效果的正确方法。


       






比例调整和控制台命令


您可使用一些比例调整和性能控制台命令，来帮助在高品质视觉效果与更好的性能之间进行良好平衡。


r.SSS.Scale：允许禁用后处理过程或调整效果，以便快速加以试验。


r.SSS.SampleSet：允许减少所使用的样本，以加快效果的运行速度。但是，这意味着效果质量欠佳或产生渲染失真。


下图显示系统的更多一些内部信息。您可使用 ShowFlag.VisualizeSSS 1 来启用此视图。


       







虽然次表面散射轮廓明暗处理模型在渲染皮肤方面取得很大进步，但在处理能力方面还是有所局限。
请注意，随着此系统变得越来越完美，此列表可能会有变化。


此功能在非延迟（移动）渲染模式下无法工作。


设置较大的屏幕散射半径会导致在极端照明条件下显示带状失真。


目前，没有光线反向散射。


目前，当 SSS 材质被非 SSS 材质遮挡时，会出现灰色轮廓。

特别鸣谢


特别感谢 Lee Perry-Smith 和他的公司 Infinite Realities
提供头部模型及协助。
另外，特别感谢 Jorge Jimenez
发布他的实现，因为此功能以他的工作成果为基础。






                                       
                                       
完整内容索引
                                       
                               
                       
                       
            

            
            

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