SIGGRAPH 2022--岩鸽彩虹色羽毛渲染阅读笔记：Rendering Iridescent Rock Dove Neck Feathers
目录
介绍：
相关工作：
几何：
渲染：
度量：
背景
羽毛的几何形状：
鸟的羽毛的颜色：
岩鸽颈部羽毛羽小枝颜色
薄膜的物理学：
用成像散射计进行测量：
模型：
椭圆的BSDF:
NDF(法线分布函数)：
Masking and Shadowing(遮蔽与阴影)：
SR:Thin-film reflection(薄膜反射):
ST:Transmission through barbule spacing(在羽小枝之间的传输):
STRT:Background component:
实现：
几何建模：
重要性采样:
结果与比较：
和散射图比较
和照片进行比较
性能：
前记：和大佬同学看的一篇文章-------------------------------------------------------------博主：mx
介绍：
创造现实的人和动物一直是计算机图形学的中心挑战。一个重要的课题是头发和毛皮的渲染。尽管鸟类在著名的动画作品中扮演了关键角色，但是鸟类羽毛的渲染却少的多。由于羽毛的结构更为复杂，毛发和皮肤的渲染模型只能部分转移到羽毛上。这篇文章介绍了岩鸽的彩虹色的颈部羽毛的绘制方法。羽毛显示出明显的绿色紫色阴影，这是由于羽毛亚结构中的薄膜干涉引起的。在光谱和角度分辨测量的支持下，论文作者开发了一个全面的模型（模型如下），用于精确渲染羽毛，并考虑了不同尺度的特征。
（这个模型的微观程度：可以看下面这个图，对比一下）
论文核心观点：
①论文作者提出了一个参数化的羽毛双向散射分布函数(BSDF)，它封装了微尺度结构（单支羽毛）的统计。它在渲染时被完全评估和并进行了重要性采样。
②论文作者通过改变局部阴影框架，在毫米级尺度(羽毛每根毛)上应用BSDF，提供丰富的细节，而不必明确地建模微观结构。
③论文作者在模型中加入了彩虹色，减轻了混合头发和彩虹色着色器的需要。
④论文作者使用测量和渲染的BSDF以及照片之间的一对一比较来验证作者的模型。
相关工作：
几何：
与头发几何建模类似，大多数作品将羽毛作为参数原语的集合，通常是贝塞尔曲线或NURBS曲线。最新成果 [论文：Procedurally Generating Biologically Driven Bird and Non-Avian Dinosaur Feathers.] 和 [论文：Procedurally generating biologically driven feathers. In Computer Graphics International Conference.]是从照片中自动推导出曲线原语的程序性羽毛几何表示。三角形表示经常用于纹理化：从他们早期工作的贝塞尔曲线表示中生成一个辅助网格，将色素沉着模拟的结果转移回羽支曲线。类似地，从扫描的羽毛中使贝塞尔控制点变化。Shader沿着控制点生成羽枝曲线，这可以通过绘制在控制点上的仿生属性来控制。作者的模型是基于在每个顶点上有相关的法向量的羽枝曲线，来表示局部羽小枝方向。据我们所知，Daniel Seddon, Martin Auflinger, and David Mellor是唯一也能够适应羽枝和羽小枝之间的渲染框架的。(相关论文：Rendertime procedural
feathers through blended guide meshes. In ACM SIGGRAPH 2008 talks. 1–1.https://doi.org/10.1145/1401032.1401130)
【tip：如果不知道羽枝，和羽小枝是啥的，可以去看上面介绍的羽毛结构图】
渲染：
当在更大的尺度上渲染羽毛时，通常使用双向纹理函数(BTF)，而不考虑其子结构。对于更多的几何细节，头发模型也会和双向纹理函数交替应用于羽枝，忽略了更精细的结构，如羽小枝。然而，根据[论文： Modeling physical optics phenomena by complex ray tracing.]，羽毛的毫级特征也有助于光学散射。最近，[论文：Procedural Shading for Rendering the Appearance of Feathers. ] 展示了一种新的渲染技术，它通过在仍然应用头发渲染模型的同时，通过程序渲染子结构来考虑毫米级特征。以上的作品都不涉及彩虹色。鸟类学界深知鸟类羽毛中的彩虹色；然而，他们的模拟大多局限于纳米尺度，采用了基本方法，如薄膜干涉模拟和有限时域差分建模。只有对羽毛羽小枝进行了一次深度的光线追踪模拟是使用光学系统原型FRED的商业工具进行的。这些方法并不适合在渲染器中进行集成。相反，作者提出了一种羽毛特有的BSDF，它在统计上模拟了羽小枝反射率
度量：
获取BxDFs主要有两种方法。采用基于图像的方法，将仿真结果与一些照片相匹配。另外，使用带有机动机械臂的角反射计。反射率可以在高角度分辨率下采样，移动光源或传感器。特别是，使用球形机架拍摄多张完整羽毛的照片，然后将这些照片融合来可视化BRDF。我们基于图像的方法使用了 [ 论文：Imaging scatterometry of butterfly wing scales. ] 的设置。它与[论文：BRDF acquisition with basis illumination. 和 论文：Azimuthal scattering from elliptical hair fibers.] 中关于非平面反射器的应用的设置密切相关。我们的设置允许使用数码相机直接高效的进行BSDF采集，特别适合测量微尺度特征，如羽毛羽小枝和昆虫翅膀鳞片。
背景
这里简单介绍了羽毛的几何形状、颜色产生背后的机制和BSDF的测量设置。表2列出了这些符号的概述。
羽毛的几何形状：
鸟羽毛是多尺度结构（图1a）。
通常光眼看到的毛发状结构是从轴上分支出来的羽枝。羽枝又有许多侧枝：羽小枝，它们重叠在一起形成一个相当平坦的表面。羽小枝具有明显的非圆柱形截面，根据种类的不同，可能包括薄膜涂层、多层堆积或光子晶体（图2）。在本文中，我们研究了岩鸽颈羽毛（图2c），它存在薄膜结构。
（图2）
鸟的羽毛的颜色：
对鸟类颜色的影响主要有两种机制：色素和结构。色素的颜色来源于吸收选择性波长范围内的光的色素。黑色素是鸟类羽毛中一种几乎普遍存在的色素，吸收在非常宽的波长范围内，它也存在于人类的头发中。另一方面，结构颜色来源于角蛋白和黑素体的规则组织的微观和纳米结构，在有限的波长范围内反射光。结构色一般是有方向性的，比颜料色更明亮。 许多鸟类结合了色素和结构着色。
岩鸽颈部羽毛羽小枝颜色
岩鸽颈部羽毛羽小枝颜色(图2c)表现出特殊的双色彩虹色，这是由上角蛋白层的薄膜干涉引起的。位于颈部上部的羽毛的角蛋白平均厚度为595纳米，正常情况下呈绿色。只要光照或观察角度稍有变化，颜色就会突然从绿色变成紫色 ; 颈部下部的紫色羽毛，平均角蛋白厚度为530 nm，呈斜向绿色。这种颜色的角度依赖性如图3所示。在角蛋白层以下，羽小枝为随机排列的黑色素颗粒，在可见波长范围内反射率较小且几乎恒定。它们主要是降低颜色饱和度。
（图3）
薄膜的物理学：
当光从薄膜的上、下边界反射时，就会发生薄膜干涉，导致光路的差异（图4）。路径差D导致光的相移Δ
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