Come funziona la resa dei capelli in tempo reale allo stato dell'arte?

È risaputo che la simulazione e il rendering dei capelli sono particolarmente difficili e in effetti rari sono gli esempi nei giochi che propongono capelli credibili. È abbastanza facile immaginare quanto sia difficile simulare effettivamente l'elevata quantità di fibre e simulare i vari eventi di scattering che possono verificarsi tra così tanti fili, per non parlare del fatto che ognuno di essi è traslucido.

Qualcuno può formalizzare quali sono le principali sfide nella resa dei capelli, in particolare per gli scenari in tempo reale? Come possono essere superati con tecniche all'avanguardia? Esistono alcuni modelli teorici standard di fatto utilizzati?

Per chiarire, per tempo reale non intendo necessariamente in un contesto di gioco.

Ci scusiamo per la cattiva qualità della mia risposta. Al momento non ho accesso a un computer e la modifica dal mio telefono non è un compito semplice. In particolare mi piacerebbe poter incollare le immagini.

Direi che le principali sfide della simulazione dei capelli sono:

• replicando la loro reazione molto specifica all'illuminazione (come materiale)
• replicando la loro proprietà volumetrica (come geometria)
• animandoli in modo realistico

Ecco un elenco di riferimenti che ho raccolto sull'argomento, ordinati cronologicamente (principalmente sulla parte di rendering) :

1. JAMES T. KAJIYA, TIMOTHY L. KAY, Rendering di pelliccia con trame tridimensionali , 1989
2. JEROME LENGYEL, EMIL PRAUN, ADAM FINKELSTEIN, HUGUES HOPPE, Real-Time Fur over Arbitrary Surfaces , 2000
3. STEPHEN R. MARSCHNER, HENRIK WANN JENSEN, MIKE CAMMARANO, Light Scattering from Human Hair Fibers , 2003
4. ARMIN BRUDERLIN, SUNIL HADAP, TAE-YONG KIM, NADIA MAGNENAT-THALMANN, ULRICH NEUMANN, YIZHOU YU, STEVE WORLEY, Modellazione fotorealistica di capelli, Animazione e rendering , Corso Siggraph 2003
5. THORSTEN SCHEUERMANN, Rendering e ombreggiatura dei capelli , ShaderX3, 2004
6. THORSTEN SCHEUERMANN, Rendering e ombreggiatura dei capelli , ATI / GDC 2004
7. THORSTEN SCHEUERMANN, Pratica resa e ombreggiatura dei capelli in tempo reale , ATI / Siggraph 2004
8. THORSTEN SCHEUERMANN, Pratica resa e ombreggiatura dei capelli in tempo reale , ATI / Siggraph 2004 (diapositive)
9. MARTIN KOSTER, JORG HABER, HANS-PETER SEIDEL, Rendering in tempo reale dei capelli umani utilizzando hardware grafico programmabile , 2004
10. HUBERT NGUYEN, WILLIAM DONNELLY, Animazione e rendering dei capelli nella demo di Nalu , GPU Gems 2 (capitolo 23), 2005
11. LENA PETROVIC, MARK HENNE, JOHN ANDERSON, Metodi volumetrici per la simulazione e la resa dei capelli , Pixar 2006
12. CHRISTOPHE HERY, RAVI RAMAMOORTHI, Importanza campionamento di riflessi da fibre di capelli , Pixar 2007
13. SARAH TARIQ, LOUIS BAVOIL, Rendering dei capelli in tempo reale sulla GPU , Siggraph 2008.
14. ARNO ZINKE, CEM YUKSEL, ANDREAS WEBER, JOHN KEYSER, approssimazione a doppia dispersione per la dispersione rapida multipla dei capelli , Siggraph 2008
15. IMAN SADEGHI, HEATHER PRITCHETT, HENRIK WANN JENSEN, RASMUS TAMSTORF, Un sistema di ombreggiatura dei capelli amico degli artisti , 2010
16. EUGENE D'EON, GUILLAUME FRANCOIS, MARTIN HILL, JOE LETTERI, JEAN-MARIE AUBRY, un modello di riflessione dei capelli a risparmio energetico , 2011
17. XUAN YU, JASON C. YANG, JUSTIN HENSLEY, TAKAHIRO HARADA, JINGYI YU, un framework per il rendering di effetti di scattering complessi sui capelli , 2012
18. JIAWEI OU, FENG XIE, PARASHAR KRISHNAMACHARI, FABIO PELLACINI, ISHair: Importance Sampling for Hair Scattering , 2012
19. SARAH INVERNIZZI, On Physically Based Hair Rendering , 2013
20. WOLFGANG ENGEL, Rendering dei capelli in Tomb Raider , 2013
21. EUGENE D'EON, STEVE MARSCHNER, JOHANNES HANIKA, Campionamento dell'importanza dei modelli di fibre capillari a base fisica , 2013
22. TIMOTHY MARTIN, WOLFGANG ENGEL, NICOLAS THIBIEROZ, JASON YANG E JASON LACROIX, TressFX: Rendering avanzato dei capelli in tempo reale , GPU Pro 5, 2015
23. LEONID PEKELIS, CHRISTOPHE HERY, RYUSUKE VILLEMIN, JUNYI LING, un modello di diffusione della luce basato sui dati per capelli , Pixar 2015

Non ho ancora letto tutto questo materiale, ma ecco un po 'di ciò che ricordo (sono più interessato alle soluzioni in tempo reale):

• Kajiya-kay ha posto le basi per una resa realistica di peli / pellicce
• Marschner ha proposto un modello migliorato e ha notato che i capelli hanno due distinti punti salienti speculari (uno bianco a causa della riflessione diretta, l'altro colorato e scintillante a causa della riflessione all'interno della fibra capillare)
• Scheuermann ha proposto approssimazioni per simulare il comportamento descritto da Marschner, approssimazioni adatte per il tempo reale (usando trucchi come due punti salienti speculari separati, offset speculare e esponente disegnati dall'artista, trame del rumore). Ha anche proposto di utilizzare tre passaggi di rendering (opachi, trasparenti davanti e dietro) di poligoni per simulare le qualità "volumetriche" dei capelli
• La maggior parte dei giochi di cui ho sentito parlare sembrano usare approcci di Scheuermann per l'ombra dei capelli. Tuttavia, questa non è una soluzione per il risparmio energetico. Tuttavia, penso che d'Eon tenti di risolvere questo problema nel documento del 2011.
  Un altro argomento di interesse è l'uso della tassellatura, che è stata recentemente utilizzata anche per sostituire l'approccio poligonale e simulare individualmente le ciocche di capelli.

Il mondo del rendering offline tenta di risolvere sfide più avanzate. Penso che la maggior parte di essi sia descritta nei riferimenti sopra.