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头发渲染与毛发渲染
头发渲染与毛发渲染使用不同的技术头发渲染通常使用插片技术插片技术将头发建模为多个四边形面片这些面片用于渲染头发的外观例如，在《神秘海域4》中，主角的头发使用插片技术渲染黑悟空的头发也是基于此技术
插片技术的具体实现
在制作头发模型时，首先将其制作成多个四边形面片这些面片构成了头发的整体形态头发的渲染效果是在这些四边形面片上实现的
头发渲染中的各向异性高光
各向异性的概念
头发具有各向异性的特性各向异性指的是高光的反射方向不统一举例：球体渲染中的高光与灯光方向和视角方向的夹角有关夹角越小，高光越亮；夹角越大，高光越暗每个物体表面的方向不同，高光集中在一个小区域头发的高光则不具备这种统一的反射方向
头发的各向异性高光
头发的高光是锯齿状的高光在不同方向上的反射是不一样的这使得头发具有独特的光照效果
头发渲染中的具体效果展示
以“最终幻想”中的爱丽丝角色为例，展示了头发的各向异性高光头发的高光随视角变化而变化头发丝的反光效果不断扰动，表现出各向异性特征头发具有半透明效果，可以看到面部皮肤透过头发
头发的环境响应
头发应该响应环境变化，例如不同的光照条件下在夕阳、西下、白天和夜晚等不同光照下，头发的反光效果不同头发在黑色、直长的情况下，反光更加明显不同的光照环境下，头发反光效果差异显著
头发模型的构建与渲染注意事项
头发模型的构建
头发模型通常由四边形面片构成每一层头发面片按顺序叠加，从上至下排列美术工作流中，美术同学负责构建头发模型技术美术需要理解美术工作流，确保效果的实现
头发模型的透明与不透明区域
头发模型分为两部分：不透明区域和透明区域不透明区域呈灰色，透明区域呈蓝色需要分别处理透明区域和不透明区域透明区域需要贴上头发的透明贴图，以展示丝状效果
透明头发贴图的应用问题
透明贴图可能会导致渲染错误错误现象包括不透明头发覆盖透明头发渲染时可能出现锯齿状效果，影响质量这些是头发渲染中常见的问题，需在处理时注意
头发渲染处理方法
头发颜色渲染
头发渲染分为两部分：颜色效果和透明度处理头发颜色渲染的构成主要基于多层结构较厚的头发部分会被表层的头发所遮挡需要实现环境遮蔽效果，模拟头发的层次感
漫反射光照与高光
头发受到光线漫反射的影响，需实现漫反射光照头发的高光为各向异性高光，而非简单的圆形高光各向异性高光的效果呈现为zigzag（锯齿状）形式这种效果与头发的自然结构相符合，不能简单地用圆形高光代替
各项异性高光的实现
头发高光的物理特点
头发的高光由两层构成：主要高光和次要高光主要高光呈现为发白的高光，通常出现在头发的表面次要高光则呈现为深色调，如红色或黄色主要高光的反光方向偏向发梢次要高光的反光方向偏向发根
次要高光的闪光效果
次要高光通常带有闪烁的效果，这种效果在特定部分会更加明显闪光效果是为了增加头发的光泽感和动态感
渲染各向异性高光的两种模型
卡吉亚模型
卡吉亚模型用于渲染头发的高光效果，但渲染结果较为单薄该模型生成的高光反射较为简单，只有单一的黄色反射这是网上常用的头发渲染方案
马施纳模型
马施纳模型比卡吉亚模型更加精细，能够渲染出更真实的高光效果该模型能够产生主要高光的黄色反射以及次要高光的红色反射这种模型可以提供更丰富的光照效果，提升渲染精度
头发的透明排序
半透明渲染的问题
头发的半透明渲染可能会遇到遮挡问题不透明的头发可能会遮挡住半透明的表面头发面片透明排序是半透明头发渲染中的关键问题
实现正确的透明排序
为了正确处理头发的透明排序，需要将头发分层渲染头发应当从最里层往外渲染，以避免不透明部分遮挡透明部分在模型制作时，确保头发从内到外的渲染顺序这一细节将在后续进一步讲解
从后往前渲染的实现
渲染过程的步骤
渲染过程需要分成多个Pass来处理头发的不同层次头发的渲染顺序是从最里层到最外层
渲染的Pass顺序
第一个Pass：渲染头发的不透明部分第二个Pass：渲染头发背面的半透明部分第三个Pass：渲染头发的正面半透明部分
具体示例
在渲染马尾时，首先渲染马尾的不透明部分接着渲染马尾背面的半透明部分最后渲染马尾的正面半透明部分同样的过程也适用于刘海的渲染
总结
不论是马尾还是刘海，都需要分三遍渲染：不透明部分、背面半透明部分、正面半透明部分该原理是为了解决透明排序问题，确保头发层次渲染正确
透明排序在程序层面的实现
注意：本节内容是“头发渲染”的难点，文字表现力较弱，欢迎移步文末，观看本文视频版本
渲染步骤概述
为了确保头发透明部分的正确渲染，需要分为多个Pass，确保每一层头发从里到外正确渲染
第一步：渲染底层的不透明部分
开启双面渲染：确保不透明部分的头发正面和背面都被渲染透明度测试：使用透明贴图来区分不透明和透明部分，只有透明度高于某个阈值（例如0.8）时才进行渲染开启深度写入：对于不透明部分，保持深度写入（z-write）开启
第二步：渲染背面的半透明部分
剔除正面三角形：通过开启剔除正面三角形的设置，确保只渲染半透明部分的背面关闭深度写入：在渲染背面半透明部分时关闭深度写入，确保正确的颜色混合
第三步：渲染正面的半透明部分
剔除背面三角形：在渲染正面半透明部分时剔除背面的三角形，只渲染正面的头发
禁用 Z-Write 的原因
在渲染半透明对象时，如果不禁用 Z-Write，前面的半透明物体会遮挡后面的不透明物体，导致颜色混合错误。禁用 Z-Write 后，GPU会允许前后物体的颜色混合。
具体原因
未禁用 Z-Write：当前面的半透明物体遮挡后面的不透明物体时，前物体的颜色会覆盖后物体，导致混合错误。禁用 Z-Write：允许半透明物体的颜色与后面的物体颜色进行混合，确保正确的视觉效果。
渲染顺序
为了正确进行颜色混合，渲染顺序必须从后到前。渲染错误可能导致不一致的效果，尽管偶尔可能渲染正确。
美术层面的注意事项
尽管程序可以确保透明排序的正确性，但仍需美术同学避免头发的三角形面片穿插。穿插可能导致渲染错误，因此美术模型的制作需要确保头发不会发生穿插。
思考题
渲染多个 Pass
在前面的方案中，我们需要三个 Pass 来进行头发的渲染。这种方式能够很好地分层渲染头发的各个部分。
URP 管线的限制
我们知道，在 URP（Universal Render Pipeline）管线中，正常情况下只能在一个 Pass 内进行头发的渲染。
三个 Pass 的渲染实现
那么，在这种情况下，我们如何在 URP 中进行三个 Pass 的渲染？关键问题在于如何跨越 URP 管线的限制，达到多 Pass 渲染的效果。
渲染状态的设置
这三个 Pass 中需要设置不同的渲染状态。如何在每个 Pass 中正确设置这些状态呢？
思考和探索
小伙伴们可以思考一下，在 URP 管线下，如何实现头发的渲染，解决这些问题。
透明渲染中的性能问题
透明排序问题
头发的正面与背面渲染
在头发渲染时，我们通常会将头发的正面和背面都进行渲染然而，头发的背面大部分情况下是被遮挡的，只有一小部分背面能够被眼睛看见被遮挡的部分头发实际上是不可见的，但由于采用了半透明渲染，这些部分并没有被剔除
渲染开销的浪费
即使某些头发部分不可见，它们仍然被渲染这种做法浪费了渲染开销，因为靠近摄像机的头发无法遮挡远离摄像机的部分导致了不必要的渲染开销，影响渲染效率
如何避免无效渲染
避免这种无效渲染是我们必须考虑的第一个问题
多 Pass 渲染的开销
内置管线的多 Pass 渲染问题
在头发渲染过程中，通常包含不透明的 Pass 和半透明的 Pass在内置管线下进行多 Pass 渲染时，会导致合批打断，这是一个严重的性能问题当每个角色都有多层头发时，开销会变得相当大
SRP 管线下的开销
在 URP 或 HDRP 等 SRP 管线下，尽管不会有合批打断的问题，但仍然会无形中增加额外的两个 Pass如何解决这一问题是我们需要进一步探讨的
Early Z 优化无法开启
透明测试与 Early Z 的冲突
显卡有一种机制可以判断前面的头发是否遮挡住后面的头发，避免不必要的渲染然而，由于开启了透明测试，这一机制无法启用在透明渲染时，透明测试会在 Shader 代码中进行，但这与提前剔除不可见头发的优化互相冲突
提前剔除不可见头发的优化问题
由于透明测试的存在，显卡无法提前剔除不可见的头发，因此无法启用 Early Z 优化这种优化通常是显卡自动开启的，但在透明渲染中被禁用了结果是不可见的半透明像素仍然被渲染，导致了额外的渲染开销
渲染优化与技术实现
渲染 Pass 开销优化
优化前
在优化前，马尾和刘海的渲染每个都需要三个 Pass
优化后
优化后，每个马尾和刘海的渲染只需要两个 Pass，从而减少了渲染开销
Early Z 限制与 Early Z 优化
Early Z 限制
关于 Early Z 的限制，我之前已经提到过，因时间关系在此不再赘述但是，优化后我们可以使 Early Z 生效，提升渲染性能
透明排序优化方案
方案选择
另一种优化方式是避免透明排序，但由于这种方法需要较高的性能开销，建议优先选择让 Early Z 生效的方案Early Z 优化能在减少渲染开销的同时避免透明排序带来的问题
技术实现与建议
避免照搬论文方案
在实现中，不建议完全照搬 SigGraph 论文中的方法如果照搬，渲染结果可能会显得杂乱无章，如同左侧图像中的发丝散乱，效果不理想
优化后的效果
通过我们项目中的优化方法，右侧图像中的头发效果更为整齐、自然
项目实践中的应用
最终的效果需要在具体的项目实践中落实我们会在 TA 全栈项目中学习这些技巧，帮助大家在项目中实现更好的渲染效果
进阶内容
黑悟空头发渲染
黑悟空的头发也可以采用我们项目中的方案进行渲染，调整头发颜色、主要和次要高光、发光区域等
数字人渲染进阶
更多关于头发、眼睛、皮肤和服装的渲染内容，可以参考我们的 “TA 全栈项目”的数字人专题，具体请参考文末
小结与思考
参考
完整视频请点击本链接观看：https://www.bilibili.com/video/BV1BNUSYYEtu技术交流请加本人v：alice17173
