[sig19]寒霜引擎中strand-based(基于线)的头发渲染

siggraph19上面，frostbite发布的新的头发渲染技术，搬运如下：
https://www.bilibili.com/video/av73692434/

这篇是我个人对siggraph19 两个最喜欢的文章之一，把hair render往前推进了一步，主要亮点：

开始使用线来做头发渲染(strand based)，这个也构成了头发品质飞跃的一个好的基础
进一步处理头发中multiple scattering的问题

头发在游戏中渲染的简要历史

89, kajiya-kay的头发光照模型
相当长时间中在用，也应属于刚好适合当前（2019）手游的光照模型，现在逐渐退出历史舞台。

siggraph03，年marschner的头发光照模型，是我们现在认为比较physically based的头发光照模型

这个后来在cg中被disney和weta digital进一步改进。

siggraph16,

unreal基于LUT的方式把marschner的头发模型,做了一些近似逼近，能realtime展现的比较好，但是没有覆盖到头发之间的散射（multiple scattering）以及在single scatter方面还有一些提升空间。

同年naughtydog的volume material render中也覆盖了头发（https://blog.csdn.net/toughbro/article/details/84206686），以volume技术，使用了一些偏artist的方式以及离线预先cook的方式，带上了一些volume的概念（由于naughtydog的模型直接用于console上的游戏中的，而非demo，所以naughtydog最后选择不使用marschner的模型）
截止到现在，头发建模也是基于card的。
sig19
也就是当前，frostbite提出的基于strand的方式以及进一步处理single/multiple scattering，就是一个扎扎实实的推进了。

Strand-based Hair Rendering in Frostbite

stand based

虽然这篇文章号称是strand based，实际上主要集中在渲染，而strand最牛的地方是在simulation。
这里frostbite简单带过，可能还没有做完等等原因。

一图看好整体的制作流程，从点的建模，然后realtime simulation，然后point list生成头发的triangle strip。
所以这里的simulation部分就是一个对于points的simulation，这也是一个常用的方法（比如fluid simulation）。

render

渲染部分就分了3块，是

single scattering
multiple scattering
发丝的“透明渲染”

single scattering

这里要回到marschner模型，一般我们使用的光照模型，光照的建模包括三个部分：

R Reflective paths
TT Transmissive paths
TRT Transmissive with single internal reflection
这样三个路径，也就是光线在头发中传播并最终贡献光照效果的主要路径，

落到具体的视觉上，看起来这样的。
中间epic在16年siggraph上面就是对这几项做了approximation，frostbite在这里把这个approximation提到更好的水平：

（图中karis16，就是指unreal 16年的paper的效果）
frostbite在approximation这里做了更多的工作，来把头发的拟真度进一步提升。
就大的属性模型这里列下：

类似PBR的macrofacet模型，这里有两大项比较重要：
attenuation
distribution
然后具体的数学选择，frostbite主要是给出了最后结论，中间有推导成分，也有硬做拟合逼近（使用一些scale来修正）的成分。
反正最后就是达到了一个比unreal更好的拟真效果。

multiple scattering

multiple scattering这里分为

local scattering–近距离的头发之间的反射
global scattering–远距离的光线散射
两块，分别使用了现有的技术整合
按照ppt里的说法似乎是local scattering使用了Dual Scattering Approximation。
然后global scattering使用了4层deep opacity map来做这个事情。

Rendering – Strand rendering

这里做的事情就是让头发的轻薄的透明感出来。
如果不做，就会像左边，一堆干草的感觉。

这里是msaa+visibility buffer。
效率方面：并且如果是相近的部分，就只shading一遍（有点类似VariableRateShading的概念）这个会带来很好的效率提升。

pipeline。
最终效率对比：

依旧还是蛮费的，不过用在主角一个人身上，应该还可以。