效果展示

简介

在 URP 中实现丝绸材质：各向异性 GGX + 织纹微法线 + Fuzz 边缘绒光的线性工作流实践

丝绸的真实感之所以难做，本质原因不在“颜色像不像”，而在于它的高各向异性高光、织物结构导致的微观法线扰动、以及视角相关的绒毛散射（fuzz / sheen）。传统的金属度/粗糙度 PBR 模型偏向各向同性（isotropic）表面，直接用在丝绸上通常会得到“塑料布”的观感：高光不成条带、缺乏经纬纹理的闪烁（glint），更没有丝织物特有的柔和边缘亮。

本文基于一个 URP ForwardLit 自定义 Shader（Custom/SilkPBR_Linear），拆解其核心结构：各向异性 GGX BRDF、Thread Map 驱动的织纹微结构、Roughness 变异与闪烁增强、以及 Fuzz 对镜面项的抑制，并重点讨论线性/伽马空间处理对最终外观与能量一致性的影响。

总体

图中渲染的是各向异性高光，呈环形，在头发渲染中又称为“天使环”，这里使用的光照模型是Kajiya-Kay Model。在很多游戏中，头发渲染都使用了Kajiya-Kay Model

结构：在 URP Forward Pass 里手写 PBR

该 Shader 使用 URP 的 Core.hlsl / Lighting.hlsl / GlobalIllumination.hlsl，但并没有直接调用 URP 的 UniversalFragmentPBR，而是自己计算：

• 主光/附加光的直接光照（Direct）
• SH 的漫反射环境光（Diffuse GI）
• Reflection Probe 的镜面环境反射（Specular GI）
• AO 在 GI 混合阶段进行整体调制

这类结构的好处是：你可以对丝绸这种“非标准材质”插入更多艺术/物理混合项（如 thread glint、fuzz 权重等），而不受标准 Lit 限制。

核心算法

• BaseMap + BaseColor：基础反照率（漫反射颜色）。
• NormalMap + NormalScale：法线扰动（宏观形状起伏）。
• RoughnessMap(R) + Roughness：感知粗糙度（perceptual roughness）。
• ThreadMap(RGB)：织纹结构图（既用来“改变粗糙度”，也用来“做高光 glint”与“微法线扰动”）。
• OcclusionMap(R) + Occlusion：AO 乘到 GI（间接光）上。
• Specular + SpecTint：镜面 F0 的强度与颜色（丝绸会偏有色高光）。
• Aniso + AnisoRotation：各向异性强度与方向旋转（决定高光拉伸方向）。
• FuzzMap(R) + FuzzStrength：绒毛遮罩，主要用来削弱镜面（布料的“雾化/绒感”）。

核心 BRDF：各向异性 GGX（Anisotropic GGX）

float D_GGX_Aniso(float3 N, float3 H, float3 T, float3 B, float ax, float ay)
{
    float NoH = saturate(dot(N, H));
    float ToH = dot(T, H);
    float BoH = dot(B, H);
    float denom = (ToH*ToH)/(ax*ax) + (BoH*BoH)/(ay*ay) + NoH*NoH;
    return 1.0 / (PI * ax * ay * denom * denom + 1e-6);
}

这里的 ax/ay 本质是在切线 T 与副切线 B 两个方向上使用不同的粗糙度，从而把高光“拉长”。

aspect = sqrt(1 - 0.9 * abs(aniso)) 用于把标量粗糙度 alpha 拆成 ax/ay，并允许 aniso < 0 时交换轴向（把条纹方向旋转 90°），这在“经纬交错”的丝织物调参时很实用。

它用的是各向异性版本的微表面模型：

• 法线分布函数 D： D_GGX_Aniso(N,H,T,B, ax, ay)
  用切线 T/副切线 B 两个方向不同的粗糙度（ax, ay）让高光沿某方向拉长。
• 几何遮蔽项 G： G_Smith_Aniso(...)
  Smith 形式的各向异性遮蔽。
• 菲涅尔 F： F_Schlick_coat(F0, VoH)
  Schlick 近似：F = F0 + (1-F0)*(1-VoH)^5

镜面项大体是：

float3 spec = (D * G) * F / max(1e-4, 4.0 * NoV * NoL) * NoL;

各向异性参数如何来？

先把 roughness 转成 alpha = perceptualRoughness^2
用 _Aniso 计算一个 aspect，再得到：
ax = alpha / aspect
ay = alpha * aspect
_AnisoRotation 会旋转 T/B，用来控制“丝绸高光走向”。

织纹 ThreadMap：做了三件事（这就是“丝绸味道”的关键）

A. 织纹驱动粗糙度变化（让明暗更“布料”）

threadH = average(threadRGB)
roughVar = (threadH*2-1) * _ThreadRoughnessVar
perceptualRoughness = roughMap*_Roughness + roughVar

效果：织纹亮/暗会让局部更光滑/更粗糙，形成织物不均匀反射

B. 织纹导向的“glint”闪点增强（丝绸常见的亮丝）

glint = pow(threadH, 6)
spec *= (1 + glint * _ThreadDirStrength)

效果：threadH 高的地方高光更“闪”、更集中，模拟丝线反射。

C. 用 thread 的屏幕导数做“微法线扰动”（假装有细小凹凸）

dhdx = ddx(threadH); dhdy = ddy(threadH);
N = normalize(N + (-dhdx*T0 - dhdy*B0) * microStrength);

这一步很关键：它不是普通 normal map，而是把 threadH 当高度，用屏幕空间导数近似高度场梯度，给法线增加微小扰动，让高光更碎、更像纤维织纹。

绒毛 Fuzz：主要在“压镜面”，让布料更柔

fuzzMask = fuzzTex * fuzzStrength
specWeight = lerp(1, 0 or 0.75, fuzzMask)
spec *= specWeight

• 主光：lerp(1, 0, fuzzMask)（压得更狠）
• 附加光/环境反射：lerp(1, 0.75, fuzzMask)（压得没那么狠）

直观结果：越“绒”的区域镜面越少、越像布面泛白/柔和。

光照合成：主光 + 多灯 + GI（SH漫反射 + 环境镜面）

• 直射光：对每个灯计算
  • 漫反射：diff = (1-F) * albedo/PI * NoL
  • 镜面：各向异性 GGX spec，再叠加 glint、silkSpecBoost、再被 fuzz 抑制
• 间接漫反射：SampleSH(N) * albedo
• 间接镜面：GlossyEnvironmentReflection(R, perceptualRoughness) 再乘 Schlick(F0, NoV)
• AO：只乘到间接项（diffuseGI+specGI）上

申明

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