Hair Rendering and Modelling – An Intro | 头发渲染与建模 – 简介

这篇中回顾了头发渲染模型的历史和一些实现细节,尝试使用Ornatrix建模头发,并在Unity中重现了UE中的Marschner模型,添加了eccentric参数。

1 渲染

 

1.1 Kajiya-Kay

 

最早研究毛发渲染的便是Kajiya和Kay,他们在1989年提出了Kajiya-Kay模型。这也成为了实时图形学的标准方法,甚至在30年后的今天,大量游戏的头发还是使用的这个模型。Jim Kajiya应该是个日裔,他在Utah大学完成的博士学位,目前还在微软研究院工作。他因为对毛发渲染做出的突出贡献,获得了1997年的奥斯卡技术贡献奖。

 

在游戏中使用这个模型还要追溯到GDC2004的Hair Rendering and Shading这个Talk,主讲者Thorsten Scheuermann来自AMD。PPT中比较详细地描述了kajiyakay模型和一些hacking技巧

最重要的一点是用Tangent计算高光。
另外用一张径向噪波来偏移tangent,获得高光的一些变化。并且参考Marschner的观察,加了第二层高光。

PPT中还讲到了排序的问题,提出了多个pass,先alpha-test写入z,再渲染blend的操作。
移动平台上还是用的相近的方法,不过在主机上大多流行TAA+dither了。

 

1.2 Marschner

 

Thorsten Scheuermann的文章中提到了Marschner的论文,不过只是唯象提到了两层高光的效果,并没有参考Marschner的光照模型。真正用到Marschner应该还是从离线渲染开始的。在2016年才由Epic公开了实时的做法。
官方示例Realistic Character中便用了这个光照模型。
论文最主要的贡献是从微观模型角度对毛发的光照做了分析,并用设备测量了光照的分布,和模拟结果对比证明建模很有效。
把头发的微观模型抽象成了一节一节的圆柱。

提取了三个Path 逐一分析:R直接反射,TT两次投射,TRT投射内部反射投射
最终计算时候也是三项加起来作为最终结果。
直观上看,R就是第一层高光,TRT就是第二层高光,TT是背面看的高光
其中每个路径都是三项乘起来:M*N*A,M是轴向的散射lobe,N是径向的散射lobe,A是吸收和反射。
A项可以用菲涅尔参数计算出来。

 

具体计算时,M项简化成了一个wrap的高斯分布函数

带了一个角度的shift,这个作者用了一组magic number,大概是这个参数的模拟和测量比较近似吧。

N项解了一个方程….还挺复杂的
另外还建模了离心性(eccentricity),有些头发不是圆柱的而是椭圆的,会造成折射率的变化

离心性(eccentricity)这部分笔者加进去了,代码参考:

 

1.3 d’Eon

 

“An energy‐conserving hair reflectance model.” 这篇论文是
Weta对Marchner的改进,主要侧重于能量守恒。

 

1.4 Epic

 

Epic在实现的时候首先参考了d’Eon的实现,那个Weta的做法,相比于Marschner的改进是考虑了能量守恒。
但是太复杂了,Epic只是实现了一边作为视觉参考,拟合了一些简化的函数。
比如M项还是使用了Marschner最开始提到的的高斯分布,

径向散射R项直接用了Weta的做法

对于其它的很多项,离线渲染的方程都太过复杂了!!
作者的做法是:用简单函数拟合!比如径向散射TT做了个函数的拟合

径向TRT也是一样的。
还讲到了MultiScatering…..猥琐了一下并不是很物理
环境光的处理用了一个假法线方向,同样的BRDF。

 

UE大部分的代码都实现了,唯独没有实现eccentricity,这在Marchner论文里讲到了。这部分笔者实现了一下。

 

1.4 Fur

 

短毛上也可以啊!不过有点差别
Physically-accurate fur reflectance: modeling, measurement and rendering 这个论文把微观模型搞得更复杂了一点

毛发中间有一个medulla硬核,所以路径积分应该会是R,TrT,TttT,TtrtT,TttRttT很多很多。。。
Disney在Hyperion里做了点改进,就是N项不用复杂积分了,直接pathtracing完事。所以变快了。
论文: A practical and controllable hair and fur model for production path tracing.

2 制作

 

2.1 模型

 

很多手游里头发还是模型体的做法,而不用插片。贴图也是用一个径向模糊的图jitter tangent,使用kajiya-kay模型,这里便不再赘述。

 

2.2 插片

 

实时中使用的话,主机上常见的做法还是插片,有很多的插件可以做了,比如Ornatrix, Hairfarm, Maya XGen等等。笔者这里试用了一下Ornatrix。
笔者总结的一些bestpractice:
  • 自动生成的guide不好控制,还是得手动种guide
  • guide最好提前分好组,同样长短粗细的strand归成一组,方便后面贴图uv
  • 用刷子的时候最好只对选择的guide起作用,太容易误刷了。
基本操作笔者看的这个time lapse:从建模到贴图全套。作者是个韩国人,好像专业Ornatrix做头发。
另外一个有名的是在CGMA的一个课Hair Creation for Games,最近很多80.lv上的文章都是这个课的学生作品

 

下图是笔者的测试,不同颜色代表了不同的strand组,每个组最后是一个贴图

 

2.3 贴图

 

在游戏里的传统做法还是做头发的贴图Atlas,预先做集中strand,然后把guide烘出来的头发uv映射上去,每一个组对应一块uv

笔者这里用SubstanceDesigner烘焙的,一个id,一个深度,一个root,一个flowmap。
root是用uv烘了一个渐变贴图,用来做染色
深度暂时没有什么用。ID可以做一些随机,比如粗糙度,离心性。笔者shader里还用id做了hsv的头发颜色随机变化。
Ornatrix可以直接导出时候用tangent作为法线,所以比较好烘。
跟UE里区别是多一个flowmap,如果有卷发的时候还是需要这个图的。

 

2.4 TressFX/HairWorks

 

这个就比较非传统了,不用做插片,都是guide就行。这里就不详述了。
古墓丽影,巫师3,逆水寒有用过这种技术。

 

2.5 Deep Learning +

最近几年一直有人在研究用计算机视觉建模头发,这两年深度学习重新带火了这个领域,比如去年的3D hair synthesis using volumetric variational autoencoders
训练了一个autoencoder通过图片生成模型。

比较神。虽然不是游戏里直接能用的模型,但至少还是可以减少很多手工建模的工作量的。

 

最后是一些Unity中的截图

 

参考资料

Kajiya, James T., and Timothy L. Kay. “Rendering fur with three dimensional textures.” ACM Siggraph Computer Graphics. Vol. 23. No. 3. ACM, 1989.
Marschner, Stephen R., et al. “Light scattering from human hair fibers.” ACM Transactions on Graphics (TOG). Vol. 22. No. 3. ACM, 2003.
d’Eon, Eugene, et al. “An energy‐conserving hair reflectance model.” Computer Graphics Forum. Vol. 30. No. 4. Oxford, UK: Blackwell Publishing Ltd, 2011.
Yan, Ling-Qi, et al. “Physically-accurate fur reflectance: modeling, measurement and rendering.” ACM Transactions on Graphics (TOG) 34.6 (2015): 185.
Chiang, Matt Jen‐Yuan, et al. “A practical and controllable hair and fur model for production path tracing.” Computer Graphics Forum. Vol. 35. No. 2. 2016.
Saito, Shunsuke, et al. “3D hair synthesis using volumetric variational autoencoders.” SIGGRAPH Asia 2018 Technical Papers. ACM, 2018.

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