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文獻探討

2.1 Practical Real-Time Hair Rendering and Shading

在初期的頭髮呈現中,由於製作髮絲過於複雜與困難,因此在Thorsten Scheuermann 所發表的研究 [1]中提出了替代的方式進行頭髮的呈現。

實際上由於人類平常整理頭髮的習慣,頭髮是可以視作一片一片的髮片,因 此在這篇論文中,Thorsten Scheuermann 透過建模做出類似髮片形狀的模型,接 著再在其上貼上模擬頭髮陰影與光澤的貼圖,藉此做出逼近真實的頭髮模型 (如 圖1)。

這種做法的優點在於不會消耗大量資源,而缺點則是因為髮型被固定,因此 頭髮的彈性較差,並不能做出過於自由的物理模擬,但也因為髮型被固定的關 係,反而適合髮型不太需要劇烈變化的卡通風格角色使用。

圖 1 使用頭髮模型呈現毛髮之示意圖 [1]

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2.2 Hair Rendering in Tomb Raider

在由Hodes Stephan 與 Engel Wolfgang 所提出的研究 [2]中所講述的是為了遊 戲《古墓奇兵》中的主角蘿拉的頭髮而研發出的頭髮呈現(如圖2),基於遊戲的 性質,必須讓主角的頭髮能呈現出披頭散髮的模樣,也因此前一個以模型呈現 的頭髮並不適合在此遊戲中使用。

因此研究人員選擇改用guide hair 的方式進行,這個方法是透過較少數的幾根 由設計者自行繪製的髮絲作為引導,在引導髮絲的周邊以演算法的方式生成出 近似於真實頭髮生長模式的其他髮絲,這樣便能透過對guide hair 的控制來產生 出物理模擬的效果 (如圖3)。

這個研究所提出的方式直到現今的電子遊戲中也時常可被見到,但就算使用 了較少的髮絲進行模擬,其運算上依然會造成效能的下降,導致在某些較於古 老的機器中遊戲畫面的幀率可能無法維持在60 FPS,也因此許多有使用到類似技 術的電子遊戲中依然會製作並保留2.1的方式所呈現出的頭髮(如圖2左),以便讓 效能較不好的機器也能執行遊戲程式。

圖 2 左為使用2.1之方法所呈現出的頭髮;右為發表中提到新的呈現方式 [2]

圖 3 Guide Hair 示意圖 [2]

2.3 NVIDIA Hairworks

NVIDIA Hairworks [3]為近期一個由 NVIDIA 發表運用 DirectX 的毛髮呈現與 物理模擬之技術(如圖4),它能實現的效果與效能十分完善,也可以搭配 Maya、

3D MAX 等建模軟體使用。Hairworks 使用的一樣是 guide hair 的技術,它本身除 了趨近相片般逼真的毛髮呈現外,也實現了讓毛髮隨著風或其他拉力進行接近 於真實的物理模擬(如圖5),展現出有如真實頭髮一般的效果。

圖 4 NVIDIA Hairworks 之範例結果 [3]

圖 5 NVIDIA Hairworks 中的 Fur Ball 範例 [3]

2.4 Fins and Shells

這個實作方式的概念最早是由Kajiya and Kay 於1989年所提出 [4],而後經由 後人改良而成。有別於上面所有的毛髮呈現方式,上述的呈現方式都是必須要 透過現有的髮型模型或是已經預先設定好的guide hair 才能進行毛髮繪製,而這 個方法不需要任何前置作業便能直接在模型上生成並繪製毛髮。

它是透過加點的方式,將原本使用隨機噪點產生的貼圖往三角片的法線方向 做延伸,藉此產生出像是毛皮般的效果 (如圖6)。

這個呈現方式所生成出來的毛髮效果並不如前兩者的好,但其優點是不需要 做任何前置作業便能直接生成出毛髮的效果,並且可以透過geometry shader 的 計算處理來加速,快速簡單地呈現出毛髮。

圖 6 Fins and shells 結果示意圖 [5]

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