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頭髮模型 (Hair Modeling)

看了「A Survey on Hair Modeling: Styling, Simulation, and Rendering」是Kelly Ward等人發表在Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on的作品,以下是簡短的結論:

  • Survey中探討了前人所使用的方法,大致上可以歸納為:geometry-based, physically-based or image-based techniques,有用2D或3D方法,有著重在static(off-time)或dynamic(real-time)。細節相當繁複,在速度與視覺效果各有優缺,我的想法是先用model來render,再用image來texture,並且以隨機的方式來產生視覺效果。
  • Survey說現在研究頭髮以應用為取向,特別是在化妝產業互動系統。頭髮不像自然界的物體如水被物理學家研究,所以頭髮還有很多性質尚未被挖掘出,也就是缺乏頭髮物化性質的研究。目前學者定義hair modeling可細分為三類:Hairstyling、Hair Simulation、Hair rendering,分別著重在頭髮的形狀、行為和描繪。而未來的挑戰有Hairstyling、Animation、Hair rendering,主要的研究不是聚焦在physically-based真實性(化妝產業),就是著重在計算加速(虛擬環境和電玩)。

接下來是我根據paper的架構來歸納,由於方法太過繁複,現在先省略:P

I.                    Introduction

在電腦圖學中,model頭髮在結構、動作、視覺效果仍是個挑戰。頭髮之所以難以model,主要原因是頭髮的複雜度,人類的頭髮超過10萬根,整體的量有著大體積個別髮絲有著小直徑,研究者試驗了整體容積個別互動,但至今依然沒有一項技術能被現代工業定為標準。

在真實世界中,我們人的頭髮在結構和視覺效果上有很大的差異,讓model頭髮很難抓到不同的精準度,此外,為了忠實呈現視覺效果,複雜的model頭髮演算法在互動情境下有著龐大的計算量,而不同的應用也有著其挑戰與需求,再者,關於頭髮我們還有很多尚未知道的物理特質。

A.      Hair Modeling Overview

Magnenat-Thalmann定義hair modeling可細分為三類:

Hairstyling

Hair Simulation

Hair rendering

Hairstyling: 頭髮的形狀,包含頭髮的幾何性、濃密度、分散度和導向度。

Hair Simulation: 頭髮的行為,包含頭髮與物體(身體)之間的碰撞偵測和髮絲彼此之間的互動。

Hair Rendering: 頭髮的描繪,包含顏色、陰影、光散效果、透明度、反鋸齒。

一開始的研究把頭髮視為個別的髮絲或在3D中1D的曲線,基於這些基礎,研究者專注在髮絲的互動來組合出整個頭髮。儘管使用許多方法,但model整個頭髮還是個挑戰,因為有著幾何複雜度和髮絲糾纏、碰撞、陰影的天性。

有幾類的方法來分析:

Hair Shape

Hair Motion

Performance vs. Visual Fidelity

Hardware Requirements

User Control

Hair Properties

B.      Applications and Remaining Problems

未來model頭髮的研究會著重在應用上。化妝產業需要確切的物理和化學特性來測試產品,但是目前在頭髮的動態上精確的模擬相當少,所以無法準確模擬頭髮的架構、行為、碰撞和頭髮內部複雜的物理行為。

相反地,在娛樂產業,像是動畫,物理的正確性卻可退而求其次,更著重在使用者的操作上,如何達到想要的結果。

另一方面,在互動系統,像是虛擬環境和電玩,速度比視覺效果更重要。

V. NEW CHALLENGES

model頭髮的需求與日漸增,主要的研究不是聚焦在physically-based真實性(化妝產業),就是著重在計算加速(虛擬環境和電玩),有些目標已經達成部份,但是許多重要得議題仍舊存在,特別是在頭髮動畫。

A.      Hairstyling

在短時間藉高層的使用者控制來創造複雜的頭髮風格是個困難的挑戰,需要在使用者控制量和手動輸入時間量來作取捨。輸入不透過傳統的滑鼠或鍵盤,而是利用仿真手套來與頭髮互動,就可以在短時間內把辮子綁好。

頭髮風格若越著重在靜態、動態和繪圖技術上,就能越在真實頭髮互動,然而現今頭髮行為和頭髮互動依然不能滿意地被模擬,特別是在精準度。

B.      Animation

不像其它機械系統,如水已經在物理學深度地被研究,頭髮精確的行為現今很缺乏。雖然縷狀頭髮常被拿來作real-time動畫,然而頭髮風格和頭髮行為只侷限在簡單的例子。multi-resolution技術已經被拿來model頭髮重要得特色,包括動態群組髮絲分離,而且很成功地加速頭髮模擬,同時保留視覺忠實度。然而在相當複雜的風格同時具有行為的頭髮,依然無法在real-time用multi-resolution的方法來模擬。

C.      Rendering

複雜的現象如互相反射(inter-reflection)自身陰影(self-shadow),是典型光的效果,許多存在的方法已經可以產生令人信服的結果。最具挑戰性的議題在於模擬精準的互動模型,個別髮絲的分散自身陰影得計算

隨意留個言吧:)~

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