终末地 - 角色渲染

一、美术分析

• 整体风格：具有工业机能风质感的二次元 NPR（脸部与发丝高度风格化，身体服饰与金属部件引入微表面 PBR）。
• 色彩与明暗表现：
  • 主光分界清晰，通过可调 Ramp 控制阴影软硬与过渡阶梯；
  • 阴影区带有明显的明度保底与饱和度补偿（SatColor），避免二次元暗部发灰发脏；
  • 边缘光硬朗且与主光及相机朝向产生联动，暗面不漏光。

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二、技术实现

1. 自阴影方案（Per-Object Shadow）

• 问题：URP 自带的 CSM 级联阴影在角色特写视角下分辨率不足，自阴影走样锯齿严重且容易产生 Shadow Acne 穿帮。
• 实现方案：
  • RendererFeature 驱动：PerObjectShadowFeature 抓取角色整体蒙皮包围盒（SkinnedMesh Bounds），根据主光方向构建紧贴角色的专用正交投影矩阵，绘制 2048×2048 独立深度图（_PerObjShadowMap）；
  • 4-Tap 硬件 PCF 滤波：片元阶段通过 4 次硬件比较采样配合双线性权重重构覆盖 3×3 范围，以极低开销换取平滑柔和的自阴影边缘。

2. 通用身体与服饰

• 1. RMA 贴图通道规范：
  • R: Metallic（金属度）
  • G: Specular（高光强度）
  • B: AO（环境光遮蔽）
  • A: Smoothness（光滑度）
• 2. 直接光漫反射（Keylight 调制的 Diffuse Ramp）：
  • 虚拟导向光偏移：主光 $L$ 与可配偏移矢量 _KeyLOffset 插值得到 KeyL；
  • 在 XZ 平面上计算 $L$ 与 $KeyL$ 夹角得出背光强度 KeyStrength，结合太阳高度天顶角衰减生成门控信号 keyToggle；
  • 采样坐标解算： $rampU=\text{clamp}(rawNdotL+keyToggle\cdot (1-rawNdot{L}^2)\cdot 0.5+Bias,-1,1)\cdot 0.5+0.5$
  • 分阶过渡与暗部保底：暗部采用 diffuseColor * 0.65 保底，中间调 diffuseColor * 0.85 与 Ramp 采样值插值，提取 Ramp 高饱和度成分补偿色彩，防止阴影脏灰。
• 3. 直接光镜面反射：
  • 基于微表面 Cook-Torrance BRDF（D-GGX + Smith-Vn + Schlick-F），非金属使用 Specular 决定 $F_0$，金属使用 BaseColor，镜面项受 shadow * ao 严格衰减。
• 4. 边缘光（Cross-Axis Rim Light）：
  • 相机空间世界轴与主光做叉乘生成虚拟边缘光轴 rimLightAxisDir；
  • 边缘光由该轴向投影与菲涅尔项联合驱动，并受自阴影、AO 与光滑度衰减，暗面不漏光。

3. 面部与皮肤

• 1. Light SDF 面部阴影：
  • 提取头部模型空间的 Right、Up、Forward 局部基底向量转到世界空间；
  • 主光方向与 Right 轴点积判断光源左右，实时水平翻转 _LightSDF 采样 UV（uvSDF.x = 1.0 - uvSDF.x），实现单贴图左右对称复用；
  • 阈值映射：$threshold=1.0-LightSDF$，通过 smoothstep 将前向投影点积转化为纯净无杂光的二次元脸部明暗交界线。
• 2. 面颈解耦与阴影防漏：
  • MaskTex.g 区分脸部与脖子/耳朵：脸部走 SDF 计算且完全屏蔽外部硬自阴影（shadowAtten = lerp(1.0, shadow, mask.g)），脖子则保留正常法线光照与自阴影。
• 3. 挺鼻动态微阴影：
  • 利用 BaseMap 的 Alpha 通道遮罩配合侧光分量 abs(dotRightL) 动态压暗鼻子侧翼，一行代码还原二次元侧光时精致的小挺鼻投影。
• 4. 皮肤高光与边缘光：
  • 独立 _SpecularMask 控制面部与唇部局部高光，MaskTex.a 限制皮肤边缘光范围。

4. 头发渲染

• 1. 法线解耦：
  • NormalMap 的 RG 通道解算漫反射法线（驱动 Ramp 漫反射与边缘光）；BA 通道独立用于高光切线解算。
• 2. 球形切线与顶点切线混合：
  • 片元阶段用模型空间竖直轴（由模型 X 轴与 Z 轴叉乘求得）与高光法线叉乘生成经纬向“球形切线”（t_Spherical）；
  • _RMATex.r 作为遮罩切换：大片主发体采用球形切线统一光泽形态，细碎小发片切回顶点切线，消除二次元发片模型接缝处的切线断层。
• 3. Kajiya-Kay + 2D Specular LUT（天使环高光）：
  • 切线扰动：采样 _TangentOffsetMap 并结合常数 _TangentShift，使切线沿法线偏移产生锯齿抖动和双层高光；
  • 正弦各向异性项：$\sin (T,H)=\sqrt{1-(T\cdot H{)}^2}$；
  • 视线与法线截面点积计算纵向衰减 lutV，组成二维 UV 采样 _HairSpecularLUT，实现高光形态分阶、边缘羽化的日系天使环。
• 4. 双 Pass 与深度层级：
  • ForwardLit（AlphaTest 剪裁主发体）+ TransHair（半透明混合发梢边缘）；
  • 结合 Stencil 模板测试，实现二次元标志性的“透发见眉/透发见眼”层级。

5. 眼球渲染

• 1. 程序化半球法线（零贴图消耗）：
  • 直接将 UV 映射至 $[-1,1]$ 范围，根据球面方程计算凸半球法线：

    float2 uvOffset = (input.uv - 0.5) * 2.0;
    float x = uvOffset.x * _MatCapNormalStrength;
    float y = uvOffset.y * _MatCapNormalStrength;
    float z = sqrt(saturate(1.0 - x * x - y * y));
    float3 normalTS = float3(x, y, z);

• 2. 晶状体折射视差（Cornea Parallax Mapping）：
  • 视线投影到切线空间后根据半球深度 $z$ 对 UV 进行视差反向推移： parallaxUV = input.uv - viewDirTS.xy * (z * _ParallaxStrength) 模拟透明角膜与深陷眼底虹膜的物理立体视差。
• 3. 凹面虹膜反向受光（Inner Eye Specular）：
  • 构造反向内凹法线 $N_{inner}=(-x,-y,z)$，采样 1D Ramp 贴图（_InnerEyeMap），生成跟随光源移动的下半弧内聚反光。
• 4. 视口空间 MatCap：
  • 凸半球代理法线变换到 View Space（$V{S}_{xy}\times 0.5+0.5$）采样 MatCap，模拟角膜表面犹如摄影棚反光板的晶莹质感。

6. 描边（Outline）

• 1. 八面体平滑法线解包（OctahedralNormal.hlsl）：
  • DCC 软件中预计算平滑法线，利用八面体投影压缩至 2D 坐标存储于 TEXCOORD1；
  • 顶点着色器解码后沿平滑法线外扩顶点，彻底解决硬表面折角和发梢尖锐处的描边撕裂断线问题。
• 2. 动态受光着色：
  • 描边片元并非纯黑，而是复用主光 Diffuse Ramp 与 Rim Light 进行动态染色，并提供饱和度控制调节，使轮廓线自然融入环境氛围。

8. 特殊材质

• 1. 镭射薄膜（Laser Iridescence）：
  • 视线角平方 $(N\cdot V{)}^2$ 采样光谱渐变 Ramp（_SpecRampMap），直接加成至镜面反射项，模拟科技机能透明雨衣/斗篷的彩虹偏光质感。
• 2. 丝袜材质（Silk Stocking）：
  • 结合 BaseMap 的 Alpha 遮罩与菲涅尔非线性调制，实现垂直视角透出肤色、边缘掠射角呈现织物密织漫反射与边缘光。