Volumetric Methods for Simulation and Rendering of Hair ( Lena Petrovic-Mark Henne-John Anderson )

Rambut adalah salah satu elemen penting dalam mewakili digital dipercaya manusia. Ini adalah salah satu elemen yang paling menantang, juga, karena sejumlah besar rambut di kepala manusia, panjang mereka, dan mereka interaksi yang kompleks. Penampilan rambut, rendering dan simulasi,didominasi oleh sifat kolektif, namun sebagian besar dari saat ini Model pendekatan individual rambut. Dalam makalah ini kami membangun pendekatan yang ada untuk pencahayaan dan simulasi dengan memperkenalkan
representasi volumetrik rambut yang memungkinkan kita untuk secara efisien. Sifat kolektif model rambut. Kami menggunakan representasi volumetrik ini rambut untuk menggambarkan respon rambut untuk penerangan, rambut tabrakan rambut, dan simulasi untuk halus langsung rambut. metode kami
menghasilkan hasil yang realistis untuk berbagai jenis warna rambut dan gaya dan telah digunakan dalam lingkungan produksi.

1 Pendahuluan

Rambut panjang adalah salah satu bahan yang paling menarik dan sulit untuk mewakili dalam komputer grafis. Hal yang menarik bahwa meskipun sifat optik dan dinamis rambut tunggal sebenarnya sangat sederhana dan dipahami dengan baik, sifat komposit dari volume rambut bisa sangat rumit. Sifat kolektif ini memberikan naik ke masalah komputasi menantang karena dinamika rambut panjang hampir sepenuhnya didominasi oleh jutaan rambut tabrakan rambut sedangkan sifat optik sangat dipengaruhi oleh jutaan bayangan mikro. Dalam rangka untuk secara efisien meniru interaksi kompleks kami mewakili rambut sebagai volume , dan menghitung sifat curah. Kebanyakan pendekatan saat ini untuk simulasi dan rendering rambut mengandalkan pada metode yang mengambil rambut individu dan menerapkan representasi parameter untuk interaksi dengan lingkungan . Dalam rendering, contoh-contoh pendekatan tersebut meliputi model iluminasi dari Kajiya dan Kay [ 1989] dalam hubungannya dengan Lokovic dan Veach ini
[ 2000 ] bayangan dalam peta perkiraan untuk shadowing rambut. di simulasi Anjyo et al . [ 1992 ] , dan Rosenblum et al . [ 1991 ] memiliki maju rambut massa-pegas model dinamis tunggal . Chang et al .
[ 2002 ] mensimulasikan hanya sejumlah kecil dari helai rambut , yang disebut panduan
rambut dan interpolasi gerakan sisa rambut . dalam model pencahayaan dan simulasi sifat dari sehelai rambut yang terwakili , tapi kompleks interaksi rambut - to- rambut terlalu mahal untuk menghitung . Hadap dan Magnenat - Thalmann [ 2001 ] telah menambahkan kekuatan dinamis cairan untuk meningkatkan dinamika keyhair mereka model dengan istilah yang mewakili rambut -to - rambut interaksi .
Pekerjaan kami dibangun berdasarkan model ini melalui penambahan volumetrik pendekatan dinamika dan rendering. Pendekatan kami adalah berdasarkan pengamatan rambut yang berperilaku dan dianggap menjadi
bahan massal dalam interaksinya dengan lingkungan . Sebagai contoh, kita sering melihat rambut penampilan sebagai permukaan dengan pencahayaan efek sesuai dengan permukaan " normals " meskipun permukaan yang tidak benar ada. Dalam klasik Phong iluminasi , kompleks hamburan cahaya off microfacets permukaan telah disederhanakan ke pengaruh teramati dari cahaya yang mencerminkan tentang permukaan normal. dalam hal ini kertas kami menggunakan permukaan level set dari Osher dan Fedkiw [ 2002 ]
dan Sethian [ 1993] untuk secara otomatis membangun permukaan rambut. dari permukaan rambut ini kita peroleh normals untuk digunakan dalam pencahayaan .
Demikian pula dengan perilaku optik , kita sering dapat melihat dinamika yang perilaku rambut tubuh sebagai bahan kolektif . Bahan ini ditandai dengan ketahanan geser , ketahanan terhadap kompresi , dan
redaman viskos . Mewakili interaksi masing-masing individu rambut dengan lingkungannya adalah mahal . Kami mengembangkan model volumetrik yang memungkinkan kita untuk meningkatkan rambut tunggal murah dinamika untuk memasukkan rambut untuk interaksi rambut .
Karena rambut dapat menutup jalan atau menonjolkan fitur wajah , itu adalah penting unsur kinerja , dan kami ingin kemampuan untuk mengendalikan gerakannya . Simulasi rambut , seperti semua simulasi fisik , sulit untuk mengarahkan sambil menjaga masuk akal gerak . Treuille et al . [ 2003 ] telah memperkenalkan metode volumetrik untuk mengarahkan simulasi partikel tidak berhubungan seperti asap . Terinspirasi oleh mereka pendekatan , kami memperkenalkan kekuatan simulasi berdasarkan pada rambut volumetrik density, yang mengarahkan sekelompok rambut terhubung partikel terhadap bentuk yang diinginkan .

Dalam tulisan ini kami juga membangun model fisik analog volume seperti perilaku dinamis dari bahan viskoelastik dan perilaku optik awan untuk meningkatkan sifat-sifat dinamis dan diberikan rambut individu .
2 Work Related Kajiya dan Kay [ 1989] menganggap setiap rambut silinder tak terhingga tipis ,
dan menghitung diffuse dan respon cahaya specular berdasarkan vektor 3D mewakili arah rambut. Bank [ 1994] generalizes Pendekatan Kajiya terhadap dimensi sewenang-wenang . Lengyel [ 2000 ] dan Lengyel et al . [ 2001 ] membawa metode Kajiya dan Kay [ 1989] dan Bank [ 1994] ke dunia real time dengan rendering volumetrik data sebagai satu set tekstur dipetakan irisan melalui volume. Menjadi model yang didasarkan Kajiya , menderita dari punggung menarik yang sama, sebagaimana dijelaskan pada bagian 4 .
Lokovic dan Veach [ 2000 ] memperkenalkan peta bayangan mendalam untuk mendekati rambut diri membayangi . Mertens et al . [2004] menerapkan teknik GPU real time mirip dengan bayangan gelap . dalam bayangan adalah peta di mana setiap pixel mengkodekan fungsi piecewise linear menggambarkan bagaimana intensitas perubahan cahaya di sepanjang cahaya ray melalui pixel itu. Karena bayangan gelap tergantung lokasi cahaya , mereka harus menghitung ulang untuk setiap cahaya dalam adegan , membuat mereka mahal untuk digunakan dalam rendering. untuk pemantik profesional yang digunakan untuk bekerja dengan permukaan tertanam dalam Ruang 3D , bayangan gelap , karena kurangnya normals permukaan , lakukan tidak menyediakan kontrol artistik intuitif . Sebuah model berbasis fisik dari interaksi - rambut ringan baru-baru ini dijelaskan oleh Marschner et al . [ 2003 ] . Dalam pekerjaan mereka yang mereka anggap hamburan cahaya di dalam satu rambut, dan melacak hingga dua sinar yang tersebar . Metode ini menghasilkan gambar yang sangat realistis rambut gelap, di mana sebagian besar cahaya yang diserap
setelah dua peristiwa pencar . Untuk rambut pirang , bagaimanapun, di mana cahaya menyebarkan beberapa kali off rambut tetangga sebelum diserap, Pendekatan ini tidak mencapai tingkat yang sama seperti untuk realisme gelap rambut.

Dalam simulasi Anjyo et al . [ 1992 ] , dan Rosenblum et al . [ 1991 ] telah mengembangkan rambut massa-pegas model dinamis tunggal . dalam hal ini pendekatan dinamika sehelai rambut diwakili dengan baik , tetapi
kompleks interaksi hair - to- rambut adalah komputasi terlalu mahal. Untuk mengatasi masalah ini , Plante et al . [ 2001 ] memperkenalkan berlapis Model seuntai untuk mewakili cluster rambut. Dalam simulasi gumpalan ini bertabrakan atau geser terhadap satu sama lain tergantung pada orientasi mereka . bangsal
et al . [ 2003 ] memperpanjang Plante itu [ 2001 ] bekerja dengan memperkenalkan sebuah hirarki model selektif dibagi silinder umum . masing-masing silinder merupakan seikat rambut yang dibagi berdasarkan pada LOD metrik . Demikian pula Bartails et al . [ 2003 ] menggunakan pohon gumpalan adaptif untuk model pemecahan dinamis dan penggabungan cluster rambut. metrik untuk pengelompokan gumpalan , tidak seperti Ward [ 2003 ] render LOD , adalah berdasarkan kompleksitas lokal gerak simulasi . Metode ini adalah yang terbaik cocok untuk pergerakan drastis rambut . Semua metode di atas mengandalkan
pada mewakili hair oleh kelompok statis atau dinamis . dalam simulasi Hasil yang dihasilkan oleh metode ini , pembangunan klaster rambut sering terlihat .
Bando et al . [ 2003 ] telah memperkenalkan pendekatan volumetrik untuk simulasi rambut -to - rambut interaksi . Model simulasi mereka adalah berdasarkan partikel terhubung secara longgar dan konektivitas rambut perubahan selama simulasi . Sebaliknya kita model rambut individu sebagai helai , dan menggunakan pendekatan volumetrik jaringan tetap untuk rambut -to - rambut interaksi . Hal ini memungkinkan kita untuk mensimulasikan dan langsung rambut - dos bergaya dengan gel rambut , di mana bentuk sisa rambut melengkung ( gambar 6 ( a) dan gambar 1) .
Karya oleh Hadap dan Magnenat - Thalmann [ 2001 ] dalam banyak cara yang paling relevan sehubungan dengan diskusi kita simulasi teknik . Dalam tulisan mereka mereka mengikuti pendekatan yang sama dengan kita dalam bahwa mereka mencampur rantai rambut point model dengan cairan seperti pasukan yang mewakili dinamika rambut. Pelaksanaan kedua sistem, Namun sangat berbeda. Pendekatan mereka mengikuti Smooth Partikel Hidrodinamika (SPH) formalisme yang mewakili rambut tohair kekuatan sebagai pasukan partikel-to-partikel menggunakan tumpang tindih kernel sementara pendekatan kami dibangun di atas pendekatan grid mirip dengan Euler Model fluida. Kami telah memilih pendekatan jaringan baik untuk
kesamaan pelaksanaan dengan levelset metode render serta diperpanjang dari pendekatan ini untuk memungkinkan kami untuk menambah fungsi tambahan seperti penargetan kepadatan dan orientasi
tergantung hair-to-rambut kopling. Trueille et al. [2003] telah mengembangkan metode volumetrik untuk
mengarahkan simulasi asap. Mereka memperkenalkan pasukan simulasi berdasarkan perbedaan densitas antara bentuk tertentu dan diinginkan. Karena kita menganggap rambut menjadi volume partikel dengan tingkat tinggi konektivitas, kami menggunakan metode yang sama untuk membuat volumetrik
kekuatan, dalam simulasi partikel rambut terhubung.

2 Work Related

Kajiya dan Kay [ 1989] menganggap setiap rambut silinder tak terhingga tipis , dan menghitung diffuse dan respon cahaya specular berdasarkan vektor 3D mewakili arah rambut. Bank [ 1994] generalizes Pendekatan Kajiya terhadap dimensi sewenang-wenang . Lengyel [ 2000 ] dan Lengyel et al . [ 2001 ] membawa metode Kajiya dan Kay [ 1989] dan Bank [ 1994] ke dunia real time dengan rendering volumetrik
data sebagai satu set tekstur dipetakan irisan melalui volume. Menjadi model yang didasarkan Kajiya , menderita dari punggung menarik yang sama , sebagaimana dijelaskan pada bagian 4 .Lokovic dan Veach [ 2000 ] memperkenalkan peta bayangan mendalam untuk mendekati rambut diri membayangi . Mertens et al . [2004] menerapkan teknik GPU real time mirip dengan bayangan gelap . dalam bayangan adalah peta di mana setiap pixel mengkodekan fungsi piecewise linear menggambarkan bagaimana intensitas perubahan cahaya di sepanjang cahaya ray melalui pixel itu. Karena bayangan gelap tergantung lokasi cahaya , mereka harus menghitung ulang untuk setiap cahaya dalam adegan , membuat mereka mahal untuk digunakan dalam rendering. untuk pemantik profesional yang digunakan untuk bekerja dengan permukaan tertanam dalam
Ruang 3D , bayangan gelap , karena kurangnya normals permukaan , lakukan tidak menyediakan kontrol artistik intuitif . Sebuah model berbasis fisik dari interaksi - rambut ringan baru-baru ini dijelaskan oleh Marschner et al . [ 2003 ] . Dalam pekerjaan mereka yang mereka anggap hamburan cahaya di dalam satu
rambut, dan melacak hingga dua sinar yang tersebar . Metode ini menghasilkan gambar yang sangat realistis rambut gelap, di mana sebagian besar cahaya yang diserap setelah dua peristiwa pencar . Untuk rambut pirang , bagaimanapun, di mana cahaya menyebarkan beberapa kali off rambut tetangga sebelum diserap ,
Pendekatan ini tidak mencapai tingkat yang sama seperti untuk realisme gelap rambut.
Dalam simulasi Anjyo et al . [ 1992 ] , dan Rosenblum et al . [ 1991 ] telah mengembangkan rambut massa-pegas model dinamis tunggal . dalam hal ini pendekatan dinamika sehelai rambut diwakili dengan baik , tetapi
kompleks interaksi hair - to- rambut adalah komputasi terlalu mahal.
Untuk mengatasi masalah ini , Plante et al . [ 2001 ] memperkenalkan berlapis Model seuntai untuk mewakili cluster rambut. Dalam simulasi gumpalan ini bertabrakanatau geser terhadap satu sama lain tergantung pada orientasi mereka . bangsalet al . [ 2003 ] memperpanjang Plante itu [ 2001 ] bekerja dengan memperkenalkan sebuah hirarki model selektif dibagi silinder umum . masing-masing silinder merupakan seikat rambut yang dibagi berdasarkan pada LOD metrik . Demikian pula Bartails et al . [ 2003 ] menggunakan pohon gumpalan adaptifuntuk model pemecahan dinamis dan penggabungan cluster rambut. metrik untuk pengelompokan gumpalan , tidak seperti Ward [ 2003 ] render LOD , adalah berdasarkan kompleksitas lokal gerak simulasi . Metode ini adalah yang terbaik cocok untuk pergerakan drastis rambut . Semua metode di atas mengandalkan pada mewakili hair oleh kelompok statis atau dinamis . dalam simulasi
Hasil yang dihasilkan oleh metode ini , pembangunan klaster rambut sering terlihat . Bando et al . [ 2003 ] telah memperkenalkan pendekatan volumetrik untuk simulasi rambut -to - rambut interaksi . Model simulasi mereka adalah berdasarkan partikel terhubung secara longgar dan konektivitas rambut perubahan selama simulasi . Sebaliknya kita model rambut individu sebagai helai , dan menggunakan pendekatan volumetrik jaringan tetap untuk rambut -to - rambut interaksi . Hal ini memungkinkan kita untuk mensimulasikan dan langsung rambut - dos bergaya dengan gel rambut , di mana bentuk sisa rambut melengkung ( gambar 6 ( a)
dan gambar 1) . Karya oleh Hadap dan Magnenat - Thalmann [ 2001 ] dalam banyak cara yang paling relevan sehubungan dengan diskusi kita simulasi teknik . Dalam tulisan mereka mereka mengikuti pendekatan yang sama dengan kita dalam bahwa mereka mencampur rantai rambut point model dengan cairan seperti pasukan yang mewakili dinamika rambut. Pelaksanaan kedua sistem Namun sangat berbeda . Pendekatan mereka mengikuti Smooth Partikel Hidrodinamika ( SPH ) formalisme yang mewakili rambut tohair kekuatan sebagai pasukan partikel - to- partikel menggunakan tumpang tindih kernel sementara pendekatan kami dibangun di atas pendekatan grid mirip dengan Euler Model fluida . Kami telah memilih pendekatan jaringan baik untuk kesamaan pelaksanaan dengan levelset metode render serta diperpanjang dari pendekatan ini untuk memungkinkan kami untuk menambah fungsi tambahan seperti penargetan kepadatan dan orientasi
tergantung hair -to - rambut kopling . Trueille et al . [ 2003 ] telah mengembangkan metode volumetrik untuk
mengarahkan simulasi asap . Mereka memperkenalkan pasukan simulasi berdasarkan perbedaan densitas antara bentuk tertentu dan diinginkan .Karena kita menganggap rambut menjadi volume partikel dengan tingkat tinggi konektivitas , kami menggunakan metode yang sama untuk membuat volumetrik kekuatan , dalam simulasi partikel rambut terhubung .

3 Representasi volumetrik dari Rambut

Seperti yang telah kami sebutkan di atas salah satu tantangan berurusan dengan rambut komputer grafis adalah banyaknya mereka. Kami menggunakan ide-ide Chang et al . [ 2002 ] dan Ward et al . [ 2003 ] dan mempertimbangkan hanya subset dari rambut , yang kita sebut keyhairs . Sisa rambut yang diinterpolasi dari ini keyhairs representatif.
Representasi keyhair kami cukup baik sehingga linear  interpolasi keyhairs tidak terlihat dalam rendering, dan kami memiliki informasi yang cukup untuk menghitung sifat kolektif rambut; namun cukup kasar bahwa perhitungan sifat sebagian dapat dilakukan. Kami menggunakan representasi voxel Cartesian untuk mewakili
baik pencahayaan dan simulasi sifat rambut. Kami membangun representasi volumetrik massa rambut, dengan menghitung keyhair yang density pada setiap titik dari voxel jaringan. Setiap keyhair awalnya
direpresentasikan sebagai lambung kendali B-spline. Untuk membuat volume, kita meringkas pengaruh spasial simpul kendali keyhair. Itu pengaruh simpul keyhair adalah fungsi tenda 3D, dengan nilai satu
di lokasi keyhair vertex dan terus menurun sepanjang masing-masing sumbu koordinat, menjadi nol pada jarak yang sama dengan grid Unit. Dengan demikian, kepadatan rambut di setiap sudut voxel adalah:
Dxyz = X i (1 - | Pi x - x |) (1 - | Pi y - y |) (1 - | Pi z - z |), (1)
mana Dxyz adalah densitas pada vertex jaringan voxel yang terletak di
(X, y, z), (Pi x, Pi y, Pi z) adalah titik engan koordinat di dunia ruang, dan jumlahnya adalah hanya atas titik-titik yang terletak pada sel yang berdekatan dengan simpul tersebut.



Source : http://graphics.pixar.com/library/Hair/paper.pdf

• Twitter
• Facebook
• Google
• Tumblr
• Pinterest