寒霜引擎中strand-based(基於線)的頭髮渲染

siggraph19上面，frostbite釋出的新的頭髮渲染技術，搬運如下：

https://www.bilibili.com/video/av73692434/

這篇可以說把hair render往前推進了一步，主要亮點：

開始使用線來做頭髮渲染(strand based)，這個也構成了頭髮品質飛躍的一個好的基礎

進一步處理頭髮中multiple scattering的問題

[招聘貼]（長期有效）

安柏霖：騰訊北極光《無限法則》《天涯明月刀》誠招程式

頭髮在遊戲中渲染的簡要歷史



89,kajiya-kay的頭髮光照模型

相當長時間中在用，也應屬於剛好適合當前（2019）手遊的光照模型，現在逐漸退出歷史舞臺。

siggraph03，年marschner的頭髮光照模型，是我們現在認為比較physically based的頭髮光照模型



這個後來在cg中被disney和weta digital進一步改進。

siggraph16,



unreal基於LUT的方式把marschner的頭髮模型,做了一些近似逼近，能realtime展現的比較好，但是沒有覆蓋到頭髮之間的散射（multiple scattering）以及在single scatter方面還有一些提升空間。



同年naughtydog的volume material render中也覆蓋了頭髮,以volume技術:

安柏霖：[sig16]《神祕海域4》中的volumetric-based materials

使用了一些偏artist的方式以及離線預先cook的方式，帶上了一些volume的概念（由於naughtydog的模型直接用於console上的遊戲中的，而非demo，所以naughtydog最後選擇不使用marschner的模型）

截止到現在，頭髮建模也是基於card的。

sig19

也就是當前，frostbite提出的基於strand的方式以及進一步處理single/multiple scattering，就是一個紮紮實實的推進了。

Strand-based Hair Rendering in Frostbite

stand based

雖然這篇文章號稱是strand based，實際上主要集中在渲染，而strand最牛的地方是在simulation。

這裡frostbite簡單帶過，可能還沒有做完等等原因。

一圖看好整體的製作流程，從點的建模，然後realtime simulation，然後point list生成頭髮的triangle strip。



所以這裡的simulation部分就是一個對於points的simulation，這也是一個常用的方法（比如fluid simulation）。

render



渲染部分就分了3塊，是

• single scattering
• multiple scattering
• 髮絲的“透明渲染”
  

single scattering

這裡要回到marschner模型，一般我們使用的光照模型，光照的建模包括三個部分：

• R Reflective paths
• TT Transmissive paths
• TRT Transmissive with single internal reflection
  

這樣三個路徑，也就是光線在頭髮中傳播並最終貢獻光照效果的主要路徑，




落到具體的視覺上，看起來這樣的。

中間epic在16年siggraph上面就是對這幾項做了approximation，frostbite在這裡把這個approximation提到更好的水平：







frostbite在approximation這裡做了更多的工作，來把頭髮的擬真度進一步提升。

就大的屬性模型這裡列下：



類似PBR的macrofacet模型，這裡有兩大項比較重要：

• attenuation
• distribution
  

然後具體的數學選擇，frostbite主要是給出了最後結論，中間有推導成分，也有硬做擬合逼近（使用一些scale來修正）的成分。

反正最後就是達到了一個比unreal更好的擬真效果。

multiple scattering



multiple scattering這裡分為

• local scattering–近距離的頭髮之間的反射
• global scattering–遠距離的光線散射
  

兩塊，分別使用了現有的技術整合

按照ppt裡的說法似乎是local scattering使用了Dual Scattering Approximation。

然後global scattering使用了4層deep opacity map來做這個事情。



Rendering–Strand rendering



這裡做的事情就是讓頭髮的輕薄的透明感出來。

如果不做，就會像左邊，一堆乾草的感覺。



這裡是msaa+visibility buffer。

效率方面：並且如果是相近的部分，就只shading一遍（有點類似VariableRateShading的概念）這個會帶來很好的效率提升。



pipeline。

最終效率對比：



依舊還是蠻費的，不過用在主角一個人身上，應該還可以。

作者：安柏霖gamedev
專欄地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/89988590