Як працює сучасна рендеринг волосся в режимі реального часу?

Загальновідомо, що моделювання волосся та їх рендеринг є особливо складним і насправді рідкісними є приклади в іграх, які пропонують правдоподібні волосся. Досить легко уявити, як важко насправді імітувати велику кількість волокон та імітувати різні події розсіювання, які можуть статися між такою кількістю ниток, не кажучи вже про те, що кожна з них є напівпрозорою.

Чи може хтось офіційно формалізувати, які основні проблеми в зачісці волосся, особливо для сценаріїв реального часу? Як їх подолати за допомогою сучасних методик? Чи використовуються якісь стандартні теоретичні моделі де-факто?

Для уточнення, в реальному часі я не обов'язково маю на увазі в ігровому контексті.

Вибачте за погану якість моєї відповіді. Наразі у мене немає доступу до комп’ютера, і редагування з мого телефону не є простим завданням. Зокрема, я хотів би мати можливість вставляти зображення.

Я б сказав, що основними проблемами моделювання волосся є:

• повторення їх дуже специфічної реакції на освітлення (як матеріал)
• повторення їх об'ємної властивості (як геометрія)
• оживляючи їх реалістично

Ось перелік посилань, які я зібрав з цього приводу, упорядкований хронологічно (головним чином про частину візуалізації) :

1. Джеймс Т. КАДЖІЯ, ТІМОТІ Л. КЕЙ, Візуалізація хутра з тривимірними текстурами , 1989 р.
2. JEROME LENGYEL, EMIL PRAUN, ADAM FINKELSTEIN, HUGUES HOPPE, Хутро в реальному часі над довільними поверхнями , 2000
3. СТИПЕН Р. МАРШНЕР, ГЕНРІК ВАНН ДЖЕНСЕН, МІКЕ КАММАРАНО, Розсіювання світла від волокон волосся людини , 2003
4. ARMIN BRUDERLIN, SUNIL HADAP, TAE-YONG KIM, NADIA MAGNENAT-THALMANN, ULRICH NEUMANN, YIZHOU YU, STEVE WORLEY, Фотореалістичне моделювання волосся, анімація та візуалізація , курс Siggraph 2003
5. THORSTEN SCHEUERMANN, Нанесення та затінення волосся , ShaderX3, 2004
6. THORSTEN SCHEUERMANN, Нанесення волосся та затінення волосся , ATI / GDC 2004
7. THORSTEN SCHEUERMANN, Практичний рендеринг та затінення волосся в режимі реального часу , ATI / Siggraph 2004
8. THORSTEN SCHEUERMANN, Практичне нанесення та затінення волосся в режимі реального часу , ATI / Siggraph 2004 (слайди)
9. MARTIN KOSTER, JORG HABER, HANS-PETER SEIDEL, Візуалізація волосся в реальному часі за допомогою програмного забезпечення графічного обладнання , 2004
10. HUBERT NGUYEN, WILLIAM DONNELLY, Анімація волосся та візуалізація в демонстрації Nalu , GPU Gems 2 (глава 23), 2005
11. LENA PETROVIC, MARK HENNE, JOHN ANDERSON, Об'ємні методи моделювання та рендерингу волосся , Pixar 2006
12. CHRISTOPHE GERY, RAVI RAMAMOORTHI, Важливість вибірки відбитків від волокон волосся , Pixar 2007
13. SARAH TARIQ, LOUIS BAVOIL, Надання волосся в режимі реального часу на GPU , Siggraph 2008.
14. ARNO ZINKE, CEM YUKSEL, ANDREAS WEBER, JOHN KEYSER, Наближення подвійного розсіювання для швидкого багаторазового розсіювання волосся , Siggraph 2008
15. IMAN SADEGHI, HEATHER PRITCHETT, HENRIK WANN JENSEN, RASMUS TAMSTORF, Система затінення волосся , сприятливого для художників , 2010
16. EUGENE D'EON, GUILLAUME FRANCOIS, MARTIN HILL, JOE LETTERI, JEAN-MARIE AUBRY, енергозберігаюча модель відбиття волосся , 2011
17. Сюань Ю, Джесон К. Янг, Джастін Хенслі, Такахіро Харада, Цзінгі Ю, Рамка для надання складних ефектів розсіювання на волосся , 2012
18. JIAWEI OU, FENG XIE, PARASHAR KRISHNAMACHARI, FABIO PELLACINI, ISHair: Важливий вибір проб для розсіювання волосся , 2012
19. SARAH INVERNIZZI, Про фізичний засіб для волосся , 2013
20. WOLFGANG ENGEL, Візуалізація волосся в Tomb Raider , 2013
21. EUGENE D'EON, STEVE MARSCHNER, JOHANNES HANIKA, Вибір проб важливості для фізично заснованих моделей волокон волосся , 2013
22. TIMOTHY MARTIN, WOLFGANG ENGEL, NICOLAS THIBIEROZ, JASON YANG і JASON LACROIX, TressFX: Покращена візуалізація волосся в реальному часі , GPU Pro 5, 2015
23. LEONID PEKELIS, CHRISTOPHE HERY, RYUSUKE VILLEMIN, JUNYI LING, Модель легкого розсіювання волосся , керована даними , Pixar 2015

Я ще не прочитав усіх цих матеріалів, але ось трохи, що я пам’ятаю (мене більше цікавлять рішення в реальному часі):

• Kajiya-kay заклав основу для реалістичного відтворення волосся та хутра
• Маршнер запропонував вдосконалену модель і зазначив, що волосся мають дві чіткі блискучі виділення (одне біле завдяки прямому відбиттю, інше забарвлене і блискуче завдяки відбиттю всередині волокна волосся)
• Шейерман запропонував наближення для імітації поведінки, описаної Маршнером, наближення, що підходять у режимі реального часу (використовуючи трюки, такі як два окремі моменти блискучого світла, розроблений митцем зміщення та показник, шумові текстури). Він також запропонував використовувати три пропуски (непрозорі, прозорі задню і передню частини) багатокутників для імітації "об'ємних" якостей волосся
• Більшість ігор, про які я чув, як здається, використовують підходи Шеермана для затінення волосся. Однак це не є енергозберігаючим рішенням. Тим не менш, я думаю, що d'Eon намагається виправити цю проблему в документі 2011 року.
  Інша тема, яка цікавить, - це використання тесселяції, яка також нещодавно використовується для заміни полігонального підходу та індивідуального моделювання пасм волосся.

Світ офлайн-рендерінгу намагається вирішити більш складні проблеми. Я думаю, що більшість з них описані в посиланнях вище.