Wie funktioniert das Echtzeit-Rendern von Haaren auf dem neuesten Stand der Technik?

Es ist allgemein bekannt, dass die Simulation und das Rendern von Haaren eine besondere Herausforderung darstellen und in der Tat selten Beispiele für Spiele sind, die glaubwürdige Haare vorschlagen. Es ist ziemlich einfach sich vorzustellen, wie schwierig es ist, die große Menge an Fasern und die verschiedenen Streuereignisse, die zwischen so vielen Strängen auftreten können, zu simulieren, geschweige denn, dass jeder von ihnen durchscheinend ist.

Kann jemand formalisieren, was die wichtigsten Herausforderungen beim Rendern von Haaren sind, insbesondere für Echtzeitszenarien? Wie werden diese durch modernste Techniken überwunden? Gibt es einige theoretische De-facto-Standardmodelle?

Zur Verdeutlichung, für Echtzeit meine ich nicht unbedingt in einem Spielekontext.

Entschuldigen Sie die schlechte Qualität meiner Antwort. Ich habe derzeit keinen Zugriff auf einen Computer, und das Bearbeiten von meinem Telefon aus ist keine einfache Aufgabe. Insbesondere würde ich gerne Bilder einfügen können.

Ich würde sagen, dass die größten Herausforderungen bei der Simulation von Haaren sind:

• Replikation ihrer sehr spezifischen Reaktion auf Licht (als Material)
• Replizieren ihrer volumetrischen Eigenschaft (als Geometrie)
• realistisch animieren

Hier ist eine Liste von Referenzen, die ich zu diesem Thema gesammelt habe, chronologisch geordnet (hauptsächlich über den Rendering-Teil) :

1. JAMES T. KAJIYA, TIMOTHY L. KAY, Pelz mit dreidimensionalen Texturen , 1989
2. JEROME LENGYEL, EMIL PRAUN, ADAM FINKELSTEIN, HUGUES HOPPE, Echtzeit-Fell über beliebigen Oberflächen , 2000
3. STEPHEN R. MARSCHNER, HENRIK WANN JENSEN, MIKE CAMMARANO, Lichtstreuung von menschlichen Haarfasern , 2003
4. ARMIN BRUDERLIN, SUNIL HADAP, TAE-YONG KIM, NADIA MAGNENAT-THALMANN, ULRICH NEUMANN, YIZHOU YU, STEVE WORLEY, Fotorealistische Haarmodellierung , Animation und Rendering , Kurs Siggraph 2003
5. THORSTEN SCHEUERMANN, Hair Rendering and Shading , ShaderX3, 2004
6. THORSTEN SCHEUERMANN, Haare rendern und schattieren, ATI / GDC 2004
7. THORSTEN SCHEUERMANN, Praktisches Echtzeit-Rendern und Schattieren von Haaren , ATI / Siggraph 2004
8. THORSTEN SCHEUERMANN, Praktisches Echtzeit-Rendern und Schattieren von Haaren , ATI / Siggraph 2004 (Folien)
9. MARTIN KOSTER, JORG HABER, HANS-PETER SEIDEL, Echtzeit-Rendering von Menschenhaar mit programmierbarer Grafikhardware , 2004
10. HUBERT NGUYEN, WILLIAM DONNELLY, Haaranimation und Rendering in der Nalu-Demo , GPU Gems 2 (Kapitel 23), 2005
11. LENA PETROVIC, MARK HENNE, JOHN ANDERSON, Volumetrische Methoden zur Simulation und zum Rendern von Haaren , Pixar 2006
12. CHRISTOPHE HERY, RAVI RAMAMOORTHI, Wichtigkeitsprobe von Reflexionen von Haarfasern , Pixar 2007
13. SARAH TARIQ, LOUIS BAVOIL, Echtzeit- Haarwiedergabe auf der GPU , Siggraph 2008.
14. ARNO ZINKE, ANDREAS WEBER, CEM YUKSEL, JOHN KEYSER, Dual Scattering Approximation für schnelle Mehrfachstreuung im Haar , Siggraph 2008
15. IMAN SADEGHI, HEATHER PRITCHETT, HENRIK WANN JENSEN, RASMUS TAMSTORF, Ein künstlerfreundliches Haarschattierungssystem , 2010
16. EUGENE D'EON, GUILLAUME FRANCOIS, MARTIN HILL, JOE LETTERI, JEAN-MARIE AUBRY, Ein energiesparendes Haarreflexionsmodell , 2011
17. XUAN YU, JASON C. YANG, JUSTIN HENSLEY, TAKAHIRO HARADA, JINGYI YU, Ein Framework für das Rendern komplexer Streueffekte auf das Haar , 2012
18. JIAWEI OU, FENG XIE, PARASHAR KRISHNAMACHARI, FABIO PELLACINI, ISHair: Wichtigkeitsprobe für Haarstreuung , 2012
19. SARAH INVERNIZZI, über physikalisch basierte Haarwiedergabe , 2013
20. WOLFGANG ENGEL, Haarwiedergabe im Tomb Raider , 2013
21. EUGENE D'EON, STEVE MARSCHNER, JOHANNES HANIKA, Stichprobenerhebung für physikalisch basierte Haarfasermodelle , 2013
22. TIMOTHY MARTIN, WOLFGANG ENGEL, NICOLAS THIBIEROZ, JASON YANG UND JASON LACROIX, TressFX: Advanced Real-Time Hair Rendering , GPU Pro 5, 2015
23. LEONID PEKELIS, CHRISTOPHE HERY, RYUSUKE VILLEMIN, JUNYI LING, Ein datengetriebenes Lichtstreumodell für Haare , Pixar 2015

Ich habe noch nicht alle diese Materialien gelesen, aber hier ist ein wenig von dem, woran ich mich erinnere (ich bin mehr an den Echtzeitlösungen interessiert):

• Kajiya-kay legte den Grundstein für eine realistische Darstellung von Haaren und Fell
• Marschner schlug ein verbessertes Modell vor und stellte fest, dass das Haar zwei unterschiedliche Glanzlichter aufweist (eines weiß aufgrund der direkten Reflexion, das andere farbig und funkelnd aufgrund der Reflexion innerhalb der Haarfaser).
• Scheuermann schlug Näherungswerte vor, um das von Marschner beschriebene Verhalten zu simulieren, Näherungswerte, die für Echtzeit geeignet sind (unter Verwendung von Tricks wie zwei getrennten Glanzlichtern, vom Künstler entworfenem Spiegelversatz und Exponenten, Rauschtexturen). Er schlug auch vor, drei Rendering-Durchgänge (undurchsichtige, transparente Rückseite und Vorderseite) von Polygonen zu verwenden, um die "volumetrischen" Eigenschaften von Haaren zu simulieren
• Die meisten Spiele, von denen ich gehört habe, scheinen Scheuermann-Ansätze für das Schattieren von Haaren zu verwenden. Dies ist jedoch keine energiesparende Lösung. Dennoch denke ich, dass d'Eon versucht, dieses Problem in der Veröffentlichung von 2011 zu beheben.
  Ein weiteres interessantes Thema ist die Verwendung von Tessellation, die kürzlich auch verwendet wurde, um den polygonalen Ansatz zu ersetzen und Haarsträhnen einzeln zu simulieren.

Die Welt des Offline-Renderns versucht, fortgeschrittenere Herausforderungen zu lösen. Ich denke, die meisten von ihnen sind in den obigen Referenzen beschrieben.