Реалистичная визуализация волос Александр Шубин

Описание задачи Многосоставные объекты: Многосоставные объекты: волосы, мех, трава, волосы, мех, трава, одежда, струи воды, одежда, струи воды, щетина щётки и т.п. щетина щётки и т.п. Много мелких подобъектов, Много мелких подобъектов, сложное взаимодействие, сложное взаимодействие, рендеринг рендеринг

Актуальность задачи Задачи кино и анимации Задачи кино и анимации Виртуальные презентации с использованием моделей людей (виртуальный помощник) Виртуальные презентации с использованием моделей людей (виртуальный помощник)

Актуальность задачи Виртуальное тестирование косметических средств Виртуальное тестирование косметических средств (лаки, краски для волос) (лаки, краски для волос) Моделирование причёсок Моделирование причёсок (в том числе с помощью (в том числе с помощью спец средств) спец средств)

Актуальность задачи Интернет торговля Интернет торговля (парики, шубы) (парики, шубы) Реклама стайлинг студий Реклама стайлинг студий

Подзадачи Дизайн (причёска) Дизайн (причёска) Физическая модель Физическая модель Визуализация Визуализация (рассеивание (рассеивание света, затенение) света, затенение)

Простые методы Метод текстур Метод текстур Трёхмерная модель Трёхмерная модель Трёхмерная текстура задаёт слои меха Не гибко, не реалистично Волосы – статическая модель Совсем не гибко, абсолютно не реалистично

Дизайн Огромное количество различных стрижек, причёсок, укладок и пр. Огромное количество различных стрижек, причёсок, укладок и пр. Подзадачи Подзадачи прикрепление волос к черепу придание общей формы изящные детали

Дизайн Прикрепление волос к черепу Использование двухмерной карты Использование двухмерной карты Непосредственно на модели Непосредственно на модели Однородное распределение Однородное распределение

Дизайн Придание общей формы Геометрические методы Параметрические Параметрические поверхности (NURBS,…) поверхности (NURBS,…) Пучки и обобщённые Пучки и обобщённые цилиндры цилиндры Иерархия обобщённых Иерархия обобщённых цилиндров цилиндров

Дизайн Придание общей формы Физические методы Метод консольных балок Метод консольных балок Метод потоков Метод потоков жидкости жидкости Метод полей векторов Метод полей векторов движения движения

Дизайн Придание общей формы Использование изображений С помощью фотографий С помощью фотографий С помощью эскизов С помощью эскизов

Дизайн Придание общей формы Оценка методов Форма причёски Контролируемость Время работы вручную Обобщённыецилиндрыразличнаявысокаямного Поверхности только прямые волосы высокаямало Физические методы сложно детализировать неудобнаясредне Фото должна существовать отсутствуетмало Эскизы сложно детализировать средняямало

Дизайн Изящные детали Локоны и волнистость функции смещения функции смещения пучки с главными прядями метод статичных эластичных ветвей

Дизайн Изящные детали Объёмные волосы Геометрические методы: объёмные примитивы Геометрические методы: объёмные примитивы Физические методы: Физические методы: взаимные соударения взаимные соударения

Дизайн Изящные детали Эффект мокрых волос и геля Дополнительные статические и динамические связи Дополнительные статические и динамические связи Геометрические методы: изменяем размер пучка Геометрические методы: изменяем размер пучка Физические методы: изменяем массу волос Физические методы: изменяем массу волос

Физическая модель На голове человека может быть больше волос На голове человека может быть больше волос Точной физической модели не существует Точной физической модели не существует Волос – анизотропный деформируемый объект, покрытый наклонными пластинами Волос – анизотропный деформируемый объект, покрытый наклонными пластинами Подзадачи Подзадачи физика отдельных прядей физика всей причёски

Физическая модель Отдельные пряди Многопружинные системы Многопружинные системы волос представляется системой частиц, соединённых жёсткими пружинами и стержнями волос представляется системой частиц, соединённых жёсткими пружинами и стержнями Одномерные проективные уравнения Одномерные проективные уравнения

Физическая модель Отдельные пряди Жёсткие многозвеньевые цепи Жёсткие многозвеньевые цепи Динамичные супер-спирали Динамичные супер-спирали Волос представляется кусочно-спиральным Наиболее аккуратно моделирует курчавость

Физическая модель Отдельные пряди Многопружин- ные системы Проектив- ные уравнения Много- звеньевые цепи Супер- спирали Учёт кривизны дададада Учёт скручивания нетнетдада Учёт нерастя- жимости нетдадада Курчавостьнетнетнетда Ограничениялегкотяжело тяжело для сложн.

Физическая модель Вся причёска Волосы как непрерывная среда Динамика флюидов Динамика флюидов Свободно соединённые частицы Свободно соединённые частицы отдельные волосы прикреплены к ближайшим флюидам волосы описываются объёмом на единицу площади каждая частица представляет определённое количество волосяного материала

Физическая модель Вся причёска Волосы как непрерывная среда Интерполяция между направляющими волосами Интерполяция между направляющими волосами Свободная деформация формы Свободная деформация формы механическая модель определяется для сетки вокруг головы волосы интерполируют деформацию сетки

Физическая модель Вся причёска Волосы как отдельные группы волосяные полосыволосяные полосы метод пучков метод пучков

Физическая модель Вся причёска Иерархические методы Несколько уровней детализации Несколько уровней детализации Адаптивная кластеризация Адаптивная кластеризация отдельные волосы, пучки, отдельные волосы, пучки, полосы полосы адаптивное дерево пучков

Визуализация Очень мелкие объекты рендеринга Очень мелкие объекты рендеринга Рассеивание света Рассеивание света Затенение и Затенение и самозатенение самозатенение явное и неявное представления

Визуализация Рассеивание света Используется аналог Используется аналог метода BRDF функций метода BRDF функций для одномерных кривых для одномерных кривых Измерения показали наличие трёх зеркальных пиков Измерения показали наличие трёх зеркальных пиков

Визуализация Рассеивание света Модель Kajiya & Kay Модель Kajiya & Kay Модель Goldman`а Модель Goldman`а Модель Marschner`а Модель Marschner`а изменение азимутального угла в рассеянном свете продольное разделение трёх зеркальных пиков

Визуализация Затенение Сильно повышает реалистичность Сильно повышает реалистичность Основные подходы Основные подходы трассировка лучей дробные карты глубины

Визуализация Затенение волосяной объём делится на объём, перпендикулярно источнику светаволосяной объём делится на объём, перпендикулярно источнику света Для каждого слоя вычисляется функция распределения света Для каждого слоя вычисляется функция распределения света

Визуализация Способы ускорения Аппроксимация геометрии волос (двухмерные примитивы, LOD) Аппроксимация геометрии волос (двухмерные примитивы, LOD) Интерактивный объёмный рендеринг (частицы волосяного материала, воксельные сетки) Интерактивный объёмный рендеринг (частицы волосяного материала, воксельные сетки) Использование современного графического оборудования (GPU) Использование современного графического оборудования (GPU)

Нерешённые проблемы Дизайн: Дизайн: Физика: Физика: Визуализация: Визуализация: сложные причёски с гибким контролем за короткое время сложные причёски с гибким контролем за короткое время уход от статических моделей уход от статических моделей сложные реалистичные формы и движения в реальном времени реализация точной модели рассеивания света и самозатенения в реальном времени

Спасибо за внимание!