Как работает современный рендеринг волос в реальном времени?

Общеизвестно, что моделирование и рендеринг волос является особенно сложной задачей, и на самом деле это редкие примеры в играх, предлагающих правдоподобные волосы. Довольно легко вообразить, насколько сложно на самом деле имитировать большое количество волокон и моделировать различные события рассеяния, которые могут происходить между таким количеством нитей, не говоря уже о том, что каждое из них является полупрозрачным.

Может ли кто-нибудь формализовать, каковы основные проблемы в рендеринге волос, особенно для сценариев в реальном времени? Как они преодолеваются современными методами? Существуют ли какие-то де-факто стандартные теоретические модели?

Чтобы уточнить, для реального времени я не обязательно имею в виду в контексте игры.

Извините за плохое качество моего ответа. В настоящее время у меня нет доступа к компьютеру, и редактирование с телефона не является простой задачей. В частности, я хотел бы иметь возможность вставлять изображения.

Я бы сказал, что основными проблемами моделирования волос являются:

• воспроизводить их очень специфическую реакцию на освещение (как материал)
• тиражирование их объемного свойства (как геометрия)
• оживляя их в реалистичной манере

Вот список ссылок, которые я собрал на эту тему, упорядоченный в хронологическом порядке (в основном, о части рендеринга) :

1. ДЖЕЙМС Т. КАДЖИЯ, ТИМОТИ Л. КЕЙ, Рендеринг меха с трехмерными текстурами , 1989
2. Джером Ленгель, Эмиль Праун, Адам Финкельштейн, Хьюз Хопп, Мех в реальном времени над произвольными поверхностями , 2000
3. Стивен Р. Маршнер, Хенрик Ванн Йенсен, Майк Каммарано, Рассеяние света от волокон человеческого волоса , 2003
4. АРМИН БРУДЕРЛИН, СУНИЛ ХАДАП, ТАЕ-ЙОНГ КИМ, НАДИЯ МАГНЕНАТ-ТАЛМАНН, УЛЬРИХ НЕЙМАНН, ИЖОЮ Ю, СТИВ УОРЛИ, Фотореалистичное моделирование волос, анимация и рендеринг , курс Siggraph 2003
5. THORSTEN SCHEUERMANN, Рендеринг и затенение волос , ShaderX3, 2004
6. THORSTEN SCHEUERMANN, Рендеринг и затенение волос , ATI / GDC 2004
7. THORSTEN SCHEUERMANN, Практическое рендеринг и растушевка волос в реальном времени , ATI / Siggraph 2004
8. THORSTEN SCHEUERMANN, Практическое рендеринг и растушевка волос в реальном времени , ATI / Siggraph 2004 (слайды)
9. МАРТИН КОСТЕР, ЙОРГ ХАБЕР, ХАНС-ПЕТЕР ЗЕЙДЕЛ, Рендеринг человеческих волос в реальном времени с использованием программируемого графического оборудования , 2004
10. ГУБЕРТ НГУЕН, УИЛЬЯМ ДОННЕЛЛИ, анимация и рендеринг волос в демонстрационной программе Nalu , GPU Gems 2 (глава 23), 2005
11. ЛЕНА ПЕТРОВИЧ, МАРК ХЕНН, ДЖОН АНДЕРСОН, Объемные методы для моделирования и рендеринга волос , Pixar 2006
12. КРИСТОФ ХЕРИ, РАВИ РАМАМУРТИ, Выборка важных отражений от волокон волос , Pixar 2007
13. САРА ТАРИК, ЛУИ БАВОЙЛ, Рендеринг волос в реальном времени на GPU , Siggraph 2008.
14. ARNO ZINKE, CEM YUKSEL, ANDREAS WEBER, JOHN KEYSER, приближение двойного рассеяния для быстрого многократного рассеяния в волосах , Siggraph 2008
15. ИМАН САДЕГИ, ХИТЕР ПРИЧЕТТ, ХЕНРИК ВАНН ДЖЕНСЕН, РАСМУС ТАМСТОРФ, Система для окрашивания волос, дружественная для художника , 2010
16. Евгений Д'Эон, Гийом Франсуа, Мартин Хилл, Джо Леттери, Жан-Мари Обри, энергосберегающая модель отражения волос , 2011
17. XUAN YU, JASON C. YANG, JUSTIN HENSLEY, TAKAHIRO HARADA, JINGYI YU, Основа для создания сложных эффектов рассеяния на волосах , 2012
18. JIAWEI OU, FENG XIE, PARASHAR KRISHNAMACHARI, FABIO PELLACINI, ISHair: выборка образцов для рассеивания волос , 2012
19. САРА ИНВЕРНИЦЦИ, О физическом рендеринге волос , 2013
20. Вольфганг Энгель, Рендеринг волос в Tomb Raider , 2013
21. Евгений Д'Эн, Стив Маршнер, Йоханнес Ханика, Важность выборки для физических моделей волос , 2013
22. ТИМОТИ МАРТИН, ВОЛЬФГАНГ ЭНГЕЛЬ, НИКОЛАС ТИБЬЕРОЗ, ДЖЕЙСОН ЯНГ и ЖАСОН ЛАКРУА, TressFX: улучшенная визуализация волос в реальном времени , GPU Pro 5, 2015
23. ЛЕОНИД ПЕКЕЛИС, КРИСТОФ ХЭРИ, РЮСУКЕ ВИЛЛИМИН, ДЖУНИ ЛИНГ, управляемая данными модель рассеяния света для волос , Pixar 2015

Я еще не прочитал все эти материалы, но вот кое-что из того, что я помню (меня больше интересуют решения в реальном времени):

• Kajiya-kay заложил основу для реалистичного рендеринга волос / меха
• Маршнер предложил улучшенную модель и отметил, что волосы имеют две отчетливые зеркальные блики (один белый из-за прямого отражения, другой окрашенный и сверкающий из-за отражения внутри волосяного волокна)
• Шойерманн предложил аппроксимации для имитации поведения, описанного Маршнером, аппроксимации, подходящие для реального времени (с использованием трюков, таких как две отдельные зеркальные подсветки, спроектированное художником зеркальное смещение и экспонента, текстуры шума). Он также предложил использовать три прохода рендеринга (непрозрачные, прозрачные сзади и спереди) полигонов для имитации «объемных» качеств волос
• Большинство игр, о которых я слышал, похоже, используют подходы Шейермана для затенения волос. Однако это не энергосберегающее решение. Тем не менее, я думаю, что Д'Эон пытается решить эту проблему в статье 2011 года.
  Другой интересной темой является использование тесселяции, которое также недавно использовалось для замены полигонального подхода и индивидуального моделирования прядей волос.

Мир рендеринга в автономном режиме пытается решить более сложные задачи. Я думаю, что большинство из них описаны в ссылках выше.