Kajiya-Kay 双高光头发 - Unity URP Shader 实现与在线预览（案例 12.4）· URP 渲染实战

案例 12.4Kajiya-Kay 双高光头发进阶

目标：在一个球形“发帽”上实现双高光头发，对比 Blinn-Phong、单条 KK、双条 KK，并展示偏移噪声的作用。

发丝方向的选择：Unity 内置球体的切线沿纬线（水平方向），而头发应该从头顶往下垂，也就是沿经线，所以 Shader 提供一个开关，用副切线 B 当发丝方向。真实的头发模型（卡片式发片）通常会把 UV 展成“V 沿发丝方向”，同样用 B；也可以在 DCC 里把切线直接对齐发丝。

Assets/Cookbook/Ch12/HairKK.shader（节选：strand）

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MaterialCtx m;
m.N = N; m.V = V;
m.T = _StrandAlongV > 0.5 ? B : T;   // 发丝方向
half n = SAMPLE_TEXTURE2D(_ShiftTex, sampler_ShiftTex, TRANSFORM_TEX(i.uv, _ShiftTex)).r;
m.shiftNoise = (n - 0.5) * _ShiftAmount;
m.sparkle = saturate(n * 1.6 - 0.3);
// 发丝颜色也带一点随机明暗，看起来才像一缕缕的
m.albedo = _BaseColor.rgb * lerp(0.7, 1.15, n);

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MaterialCtx m;
m.N = N; m.V = V;
m.T = _StrandAlongV > 0.5 ? B : T;   // 发丝方向
float n = texture(_ShiftTex, TransformTex(uv, _ShiftTex_ST)).r;
m.shiftNoise = (n - 0.5) * _ShiftAmount;
m.sparkle = saturate(n * 1.6 - 0.3);
// 发丝颜色也带一点随机明暗，看起来才像一缕缕的
m.albedo = _BaseColor.rgb * mix(0.7, 1.15, n);

偏移噪声（shift noise）是头发质感的关键：每一缕头发的偏移量不同，高光带就会参差不齐，像一缕缕的。噪声贴图在拍摄脚本里程序生成：沿 V（发丝方向）不变，沿 U 由一层低频的“发束”噪声和一层高频的“单根发丝”噪声叠加。同一张噪声还用来让发色带一点随机明暗，并作为第二条高光的闪烁遮罩。

Assets/Cookbook/Ch12/HairKK.shader（节选：shade）

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half3 ShadeOneLight(MaterialCtx m, Light light)
{
    float3 L = light.direction;
    float3 H = normalize(L + m.V);
    float NoL = dot(m.N, L);

    // 漫反射：发丝是半透明细圆柱，Lambert 太“硬”，压一个下限让暗部不死黑
    float3 diffuse = m.albedo * lerp(0.25, 1.0, saturate(NoL));

    float3 spec = 0;
#if defined(_MODE_BLINNPHONG)
    spec = _PrimaryColor.rgb * pow(saturate(dot(m.N, H)), _PrimaryExp * 0.5);
#else
    float3 t1 = AdvShiftTangent(m.T, m.N, _PrimaryShift + m.shiftNoise);
    spec = _PrimaryColor.rgb * AdvKajiyaKay(t1, H, _PrimaryExp);
  #if defined(_MODE_DUAL)
    float3 t2 = AdvShiftTangent(m.T, m.N, _SecondaryShift + m.shiftNoise);
    spec += _SecondaryColor.rgb * m.sparkle * AdvKajiyaKay(t2, H, _SecondaryExp);
  #endif
#endif
    // 背光面不给高光（发丝本身会挡住），用平滑过渡避免硬边
    spec *= smoothstep(-0.1, 0.3, NoL);

    return (diffuse + spec * 0.5) * light.color * (light.distanceAttenuation * light.shadowAttenuation);
}

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vec3 ShadeOneLight(MaterialCtx m, Light light)
{
    vec3 L = light.direction;
    vec3 H = normalize(L + m.V);
    float NoL = dot(m.N, L);

    // 漫反射：发丝是半透明细圆柱，Lambert 太“硬”，压一个下限让暗部不死黑
    vec3 diffuse = m.albedo * mix(0.25, 1.0, saturate(NoL));

    vec3 spec = vec3(0.0);
#if defined(_MODE_BLINNPHONG)
    spec = _PrimaryColor.rgb * pow(saturate(dot(m.N, H)), _PrimaryExp * 0.5);
#else
    vec3 t1 = AdvShiftTangent(m.T, m.N, _PrimaryShift + m.shiftNoise);
    spec = _PrimaryColor.rgb * AdvKajiyaKay(t1, H, _PrimaryExp);
  #if defined(_MODE_DUAL)
    vec3 t2 = AdvShiftTangent(m.T, m.N, _SecondaryShift + m.shiftNoise);
    spec += _SecondaryColor.rgb * m.sparkle * AdvKajiyaKay(t2, H, _SecondaryExp);
  #endif
#endif
    // 背光面不给高光（发丝本身会挡住），用平滑过渡避免硬边
    spec *= smoothstep(-0.1, 0.3, NoL);

    return (diffuse + spec * 0.5) * light.color * (light.distanceAttenuation * light.shadowAttenuation);
}

漫反射没有用 Lambert：发丝是半透明的细圆柱，光会在发丝之间多次散射，真实头发的暗部远没有 Lambert 预测的那么黑。lerp(0.25, 1, NoL) 是 Scheuermann 原文的做法，简单地给暗部一个下限。最后的 spec * 0.5 是个经验系数——Kajiya-Kay 本身不是能量守恒的 BRDF，它的亮度只能靠调。

**图 12-13**左：Blinn-Phong，高光是一个圆斑，像塑料球；中：单条 Kajiya-Kay，高光变成环绕头部的亮带；右：双条 KK，第二条高光偏向发梢、带发色、被噪声打散

**图 12-14**偏移噪声的作用。左：噪声强度 0，高光带是一条光滑的环，像缎带；右：噪声强度 0.3，高光边缘参差，出现一缕一缕的感觉

深入Kajiya-Kay 是“看起来像”的模型，没有能量守恒，也没有真正的 TT 透射。追求写实的项目（HDRP 的 Hair Shader、各家的数字人方案）会使用 Marschner 模型或它的改进版（d'Eon 2011、Chiang 2016 等），分别计算 R、TT、TRT 三个波瓣的纵向分布 M 和方位分布 N。那些模型参数是物理量（鳞片倾角、折射率、吸收系数），代价是更多的计算和更难的调参。对卡通或中等写实度的项目，双 KK 依然是最划算的选择——第 14 章的“天使环”就是它的风格化版本。

注意真实的发型由大量带透明度的发片组成，排序、Alpha 测试与 Alpha 混合的取舍（以及“先不透明写深度、再半透明补边缘”的双 Pass 技巧）属于第 16 章的话题，本章只讨论着色。

本案例出自《URP 渲染实战》第 12 章「PBR 进阶材质」。在章节中阅读上下文 →

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