《Unity URP中實現Kajiya-Kay頭發渲染模型》摘要 本文詳細介紹了如何在Unity URP渲染管線中實現Kajiya-Kay各向異性光照模型。該模型專為模擬頭發、毛發等纖維材質設計，通過切線空間計算替代傳統法線，產生條狀高光效果。文章剖析了模型的雙層高光特性（主高光靠近發梢、次高光帶彩色偏移）和切線偏移技術，并展示了如何將其整合到URP的Cook-Torrance BRDF框架中。實現關鍵包括切線空間轉換、高光項替換和雙層高光計算，提供了完整的Shader代碼框架及紋理需求、參數設置等實用細節

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Kajiya-Kay模型在Unity URP中的BRDF實現

模型原理與特點

Kajiya-Kay模型是一種專門用于模擬頭發、毛發等纖維狀材質各向異性高光的光照模型，其核心特點是用切線方向替代傳統法線方向計算高光反射。該模型具有以下特性：

• ?切線空間計算?：使用切線向量(Tangent)或副切線(Bitangent)替代法線向量，通過TdotH = dot(tangent, halfVector)計算高光強度，再轉換為TsinH = sqrt(1 - TdotH2)實現條狀高光效果。
• ?雙層高光特性?：主高光(Primary Specular)靠近發梢，次高光(Secondary Specular)靠近發根且帶有彩色偏移，模擬Marschner模型的散射特性。
• ?切線偏移技術?：通過噪聲貼圖擾動切線方向(ShiftTangent函數)，增強高光的動態變化和真實感。

URP中的BRDF結構

在Unity URP中，BRDF通常基于Cook-Torrance微表面模型，包含

三個核心組件：

• ?D項 法線分布函數?：描述微表面法線的分布，常用GGX模型。
• ?F項 菲涅爾項?：使用Schlick近似計算反射光強。
• ?G項 幾何遮蔽項?：采用Smith聯合陰影函數，結合光方向和視線方向的遮蔽效果。

URP中的BRDF數據通常包含以下字段：

csharp
struct BRDF {
    float3 diffuse;// 材料身顏色
    float3 specular;// 材料本身的高光顏色
    float roughness;// 粗糙度
    float perceptualRoughness;// 感知粗糙度
    float fresnel;// 材料本身菲涅爾反射顏色
}

Kajiya-Kay與BRDF的整合方法

要將Kajiya-Kay模型融入URP的BRDF框架，需要進行以下

關鍵處理：

• ?切線空間轉換?：
  • 使用TBN矩陣(切線-副切線-法線矩陣)將標準BRDF計算轉換到切線空間
  • 在頂點著色器中計算并傳遞切線空間向量
• ?高光項替換?：
  • 用Kajiya-Kay的D_KajiyaKay函數替換標準BRDF中的D項
  • 保持F項和G項不變，或根據需要進行調整
• ?雙層高光實現?：
  • 主高光使用原始切線方向計算
  • 次高光使用偏移后的切線方向計算，并賦予不同顏色

完整實現代碼

以下是Kajiya-Kay BRDF在URP Shader中的完整實現框架：

hlsl
// 1. 計算偏移后的切線方向
float3 ShiftTangent(float3 T, float3 N, float shift) {
    return normalize(T + N * shift);
}

// 2. Kajiya-Kay高光計算
float D_KajiyaKay(float3 T, float3 H, float shininess) {
    float TdotH = dot(T, H);
    float sinTH = sqrt(1.0 - TdotH * TdotH);
    return pow(sinTH, shininess);
}

// 3. BRDF整合計算
void Lighting_KajiyaKay(
    SurfaceData surface,
    inout Light light,
    inout BRDFData brdf,
    inout float3 specular)
{
    // 切線空間轉換
    float3 T = surface.tangent;
    float3 B = cross(surface.normal, T) * surface.tangent.w;
    float3 N = surface.normal;

    // 計算主高光
    float3 H = normalize(light.dir + viewDir);
    float3 T_shifted = ShiftTangent(T, N, _ShiftAmount1);
    float3 H_shifted = normalize(light.dir + viewDir);

    // 計算次高光
    float3 T_shifted2 = ShiftTangent(T, N, _ShiftAmount2);
    float3 H_shifted2 = normalize(light.dir + viewDir);

    // 計算高光項
    float specular1 = D_KajiyaKay(T_shifted, H_shifted, _Shininess1);
    float specular2 = D_KajiyaKay(T_shifted2, H_shifted2, _Shininess2);

    // 組合結果
    specular = _SpecColor1 * specular1 + _SpecColor2 * specular2;

    // 標準BRDF漫反射部分
    brdf.diffuse = surface.color * (1.0 - _Metallic);
    brdf.specular = lerp(0.04, surface.color, _Metallic);
    brdf.roughness = _Roughness;
}

實現要點說明

?紋理需求?：

• 基礎色貼圖(Albedo)
• 各向異性噪聲貼圖(控制高光擾動)
• 半透明通道(Alpha貼圖)

?優化技巧?：

• 利用URP內置函數SafeNormalize和NormalizeNormalPerPixel提升計算穩定性
• 副切線(Bitangent)通過cross(N, T) * tangent.w正確生成，避免UV方向錯誤

?參數設置?：

• _ShiftAmount1/2：控制主次高光的切線偏移量
• _Shininess1/2：控制主次高光的銳利程度
• _SpecColor1/2：設置主次高光的顏色

該實現通過將Kajiya-Kay模型的核心計算融入URP的標準BRDF框架，既保持了PBR工作流的兼容性，又實現了纖維材質特有的各向異性高光效果

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