GPU Gems 1 · Chapter 3. Skin in the "Dawn" Demo

为什么 Dawn 的皮肤难以看起来像皮肤

NVIDIA 制作 Dawn 是为了展示 GeForce FX 可编程硬件如何把实时角色推向电影感。人类对脸部表情、皮肤颜色和边缘明暗非常敏感；即使观众不认识“次表面散射”这个词，也能立刻察觉脸像塑料、边缘像剪纸，或阴影硬得不自然。

先预测：一张颜色贴图已经包含脸颊的红色，为什么还需要把光线送进皮肤的近似？关键在于颜色贴图描述的是“本来是什么颜色”，而光照要解释“从哪个方向来、经过哪些组织、在边缘怎样变软”。本章用一套为 Dawn 的模型、镜头距离和硬件预算定制的着色器，把这些感知线索组合起来。

1. 皮肤响应：从分层组织到实时线索

皮肤由半透明的表皮、真皮和皮下组织组成。光进入表面后可能在组织内部散射，再从附近位置离开；这种现象称为 次表面散射。把光只看成“同一点入射、同一点反射”的模型，会漏掉手指对着太阳时边缘发红、脸颊透出柔光等线索。

完整的体积输运很昂贵，因此 Dawn 使用了几种可控近似：一张颜色贴图提供基础肤色；环境立方体贴图提供大范围光照；切线空间法线带来毛孔和细皱的微变化；视线接近轮廓时，从角色背后的环境采样一份柔和亮度，再混入基础颜色。

这里的核心不是声称“模拟了所有散射”，而是把观众最敏感的信号拆开。可以把皮肤着色理解成：环境负责整体色调，遮蔽负责哪里变暗，法线负责微表面朝向，轮廓项负责边缘的透光错觉。

2. HDR 环境光如何进入实时着色

传统实时架构常用点光、方向光和聚光灯；这会让白纸和白色光源都被压到相近的亮度，角色像被贴进场景。Dawn 的制作流程使用多张不同曝光的校准照片拼出全景，再生成 高动态范围 环境数据，让每个方向不只存颜色，也保留亮度差异。

从 HDR 环境可以预计算三类方向查表。漫反射立方体贴图按表面法线索引，近似余弦加权的半球光；镜面立方体贴图按反射向量索引；另一张高光环境图按视线方向取角色背后的亮区域。

立方体贴图有一个必须主动接受的边界：它对拍摄中心点最准确，角色走动时背景会像无限远。对 Dawn 这种小角色和远景，这个近似是合适的；若场景要展示近处墙面或大幅移动，就需要局部环境、阴影或更完整的空间光照。

3. 遮蔽项：让环境光知道哪里被挡住

环境图描述的是相机拍到的入射光，却不知道 Dawn 的头发、肩膀和身体会遮挡自己的半球。为此，原书用软件工具从每个顶点的可见半球随机发射射线，统计有多少方向撞上其他几何，再把比例压缩成 遮蔽项。

这个项不必每帧重新计算。Dawn 的遮蔽项保持在角色顶点上；脸部如果有 morph target，则在不同形状的遮蔽项之间做混合。这样得到的是柔和的环境暗部，而不是需要额外实时 pass 的硬阴影。注意它是“预计算的可见性近似”，不是动态阴影的替代品；角色与场景关系大幅变化时，旧项会失效。

4. 法线、轮廓与血液透射项

皮肤表面的细小毛孔和汗毛太小，不能按几何建模。Dawn 使用切线空间法线贴图，并把一些高光强度信息塞进贴图的另一个通道。切线空间法线让同一套细节可以沿模型表面移动，同时不会把网格顶点数量推得过高。

轮廓附近是另一个敏感区域。当视线方向与表面法线接近垂直时，N · V 变小；这时可以从角色背后的环境取光，和基础肤色混合，制造边缘透光的错觉。原书把多个相关量打包为 血液透射项，供片段阶段按模型和视觉需要调制。

数学上，若 V 是视线方向，常用的边缘因子可以写成：

它不是完整的组织散射方程，却能把“越接近轮廓，背光越显眼”的视觉规律变成可调的信号。先把 rim 视作独立因素，再决定要不要叠加 bump 和高光，调参才不会互相遮蔽。

5. 顶点阶段：把昂贵但可插值的量提前

本章的皮肤方案是一遍着色：不需要再做额外的渲染 pass 或 alpha 混合。顶点着色器首先接收位置、法线、切线、UV、morph target 偏移以及骨骼索引/权重。对 Dawn 的高分辨率网格，顶点阶段先做形状混合，再做索引蒙皮；这些角色变形的详细控制属于下一章，本章只关心它们如何提供最终姿态。

接着顶点阶段把法线和切线变换到世界空间，并构成一个 切线到世界矩阵。它还计算世界空间视线方向、N · V 的轮廓参数和遮蔽/透射辅助量。片段阶段不必再次重做这些昂贵的矩阵变换，只需插值这些输出。

一个缩减后的顶点阶段骨架如下。它强调数据契约，不是完整可编译源码：

struct Varyings {
  float4 clipPosition;
  float2 skinUv;
  float3 worldEyeDirection;
  float3 tangentToWorldX;
  float3 tangentToWorldY;
  float3 tangentToWorldZ;
  float4 skinSilhouette;
};
 
Varyings dawnVertex(Input IN, Uniforms U) {
  float3 objectPosition = applyMorphTargets(IN, U.morphWeights);
  float3 worldPosition = skinPosition(objectPosition, IN.boneIndex, IN.boneWeight, U.bones);
  float3 worldNormal = skinNormal(applyNormalMorphs(IN, U.morphWeights), IN, U.bones);
  float3 worldTangent = orthonormalize(IN.tangent, worldNormal, U.bones);
  float3 worldBinormal = normalize(cross(worldNormal, worldTangent));
  Varyings OUT;
  OUT.worldEyeDirection = normalize(U.cameraPosition - worldPosition);
  OUT.tangentToWorldX = float3(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x);
  OUT.tangentToWorldY = float3(worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y);
  OUT.tangentToWorldZ = float3(worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z);
  OUT.skinSilhouette = makeSilhouetteTerms(worldNormal, OUT.worldEyeDirection, IN.occlusion);
  OUT.clipPosition = mul(U.projection, mul(U.view, float4(worldPosition, 1)));
  OUT.skinUv = IN.skinUv;
  return OUT;
}

这里的 顶点着色器把数据整理成稳定接口；不要为了追求“全都逐像素”而把本可插值的矩阵和轮廓量全部推迟。

6. 片段阶段：把法线细节与环境光合成

片段阶段先从纹理读取切线空间法线，再用顶点阶段传来的矩阵转换到世界空间。片段着色器可以按世界法线读取漫反射环境图，按反射向量读取镜面环境图，再用遮蔽项和 rim 调制；最后把高光、背光和基础颜色合成到一遍输出中。

float4 dawnFragment(Varyings IN, Textures T) {
  float4 normalSpec = sample2D(T.normalSideSpec, IN.skinUv);
  float3 tangentNormal = normalize(normalSpec.xyz * 2.0 - 1.0);
  float3 worldNormal = normalize(float3(
    dot(tangentNormal, IN.tangentToWorldX),
    dot(tangentNormal, IN.tangentToWorldY),
    dot(tangentNormal, IN.tangentToWorldZ)));
  float nDotV = saturate(dot(IN.worldEyeDirection, worldNormal));
  float3 skin = sample2D(T.skinColor, IN.skinUv).rgb;
  float3 diffuse = skin * sampleCube(T.diffuseCube, worldNormal);
  float3 specular = normalSpec.w * sampleCube(T.specularCube, reflect(-IN.worldEyeDirection, worldNormal));
  float3 backLight = sampleCube(T.hilightCube, IN.worldEyeDirection).rgb;
  float rim = pow(1.0 - nDotV, 2.0) * IN.skinSilhouette.y;
  float3 result = diffuse * IN.skinSilhouette.x + specular + backLight * rim;
  return float4(result, rim * normalSpec.w);
}

代码中的 normalSpec.w 代表把法线与高光强度共用一张纹理的工程取舍；它减少输入数量，却要求美术和着色器约定好每个通道的职责。环境立方体采样则把远处光照压缩成几次方向查表。

7. 为特定角色优化，而不是宣称通用皮肤

原书特别强调 Dawn 的着色器高度针对模型与镜头范围。Dawn 网格足够细，N · V 等量在线性插值后仍能接受；如果换成低模角色、极近的脸部镜头或完全不同的骨骼，就需要重新评估误差。Dawn 的顶点着色器还由规则文件和搜索过程按角色设置生成，目标是只保留当前 fragment shader 真正请求的输入。

这是一条很实用的工程结论：实时效果可以为固定内容“量身定做”。如果产品要支持许多角色与任意视距，再把其中的环境、遮蔽、法线和轮廓思路抽成参数化材质，并为每个质量档位设定预算；不要把一套展示 Demo 的经验直接包装成万能模型。

本章回顾：让皮肤线索各司其职

• HDR 环境提供大范围亮度与颜色，不再只依赖几个点光源。
• 遮蔽项压低被角色自身挡住的环境光，形成柔和暗部。
• 切线空间法线提供微细表面变化，轮廓项近似边缘透光。
• 顶点阶段准备矩阵、视线和辅助项，片段阶段完成细节采样与合成。
• Dawn 的方案是针对模型和镜头的实时近似，适用边界必须显式保留。