Comment fonctionne le rendu des cheveux en temps réel?

Il est de notoriété publique que la simulation et le rendu des cheveux sont particulièrement difficiles et en fait rares sont les exemples dans les jeux qui proposent des cheveux crédibles. Il est assez facile d'imaginer à quel point il est difficile de simuler réellement la grande quantité de fibres et de simuler les divers événements de diffusion qui peuvent se produire entre autant de brins, sans parler du fait que chacun d'eux est translucide.

Quelqu'un peut-il formaliser quels sont les principaux défis du rendu des cheveux, en particulier pour les scénarios en temps réel? Comment ceux-ci sont surmontés par des techniques de pointe? Y a-t-il des modèles théoriques standard de facto utilisés?

Pour clarifier, en temps réel, je ne veux pas nécessairement dire dans un contexte de jeu.

Désolé pour la mauvaise qualité de ma réponse. Je n'ai pas accès à un ordinateur actuellement et la modification à partir de mon téléphone n'est pas une tâche simple. En particulier, j'aimerais pouvoir coller des images.

Je dirais que les principaux défis de la simulation des cheveux sont:

• reproduisant leur réaction très spécifique à l'éclairage (en tant que matériau)
• reproduisant leur propriété volumétrique (comme une géométrie)
• les animer de manière réaliste

Voici une liste de références que j'ai rassemblées sur le sujet, classées chronologiquement (principalement sur la partie de rendu) :

1. JAMES T. KAJIYA, TIMOTHY L. KAY, Rendu de fourrure aux textures tridimensionnelles , 1989
2. JEROME LENGYEL, EMIL PRAUN, ADAM FINKELSTEIN, HUGUES HOPPE, La fourrure en temps réel sur les surfaces arbitraires , 2000
3. STEPHEN R. MARSCHNER, HENRIK WANN JENSEN, MIKE CAMMARANO, Diffusion de lumière à partir de fibres de cheveux humains , 2003
4. ARMIN BRUDERLIN, SUNIL HADAP, TAE-YONG KIM, NADIA MAGNENAT-THALMANN, ULRICH NEUMANN, YIZHOU YU, STEVE WORLEY, Modélisation photoréaliste des cheveux, animation et rendu , cours Siggraph 2003
5. THORSTEN SCHEUERMANN, Rendu et ombrage des cheveux , ShaderX3, 2004
6. THORSTEN SCHEUERMANN, Rendu et ombrage des cheveux , ATI / GDC 2004
7. THORSTEN SCHEUERMANN, Rendu et ombrage pratiques des cheveux en temps réel , ATI / Siggraph 2004
8. THORSTEN SCHEUERMANN, Rendu et ombrage pratiques des cheveux en temps réel , ATI / Siggraph 2004 (diapositives)
9. MARTIN KOSTER, JORG HABER, HANS-PETER SEIDEL, Rendu en temps réel des cheveux humains à l'aide de matériel graphique programmable , 2004
10. HUBERT NGUYEN, WILLIAM DONNELLY, Animation de cheveux et rendu dans la démo Nalu , GPU Gems 2 (Chapitre 23), 2005
11. LENA PETROVIC, MARK HENNE, JOHN ANDERSON, Méthodes volumétriques pour la simulation et le rendu des cheveux , Pixar 2006
12. CHRISTOPHE HERY, RAVI RAMAMOORTHI, Importance de l'échantillonnage des réflexions des fibres capillaires , Pixar 2007
13. SARAH TARIQ, LOUIS BAVOIL, Rendu des cheveux en temps réel sur le GPU , Siggraph 2008.
14. ARNO ZINKE, CEM YUKSEL, ANDREAS WEBER, JOHN KEYSER, Approximation à double diffusion pour une diffusion multiple rapide dans les cheveux , Siggraph 2008
15. IMAN SADEGHI, HEATHER PRITCHETT, HENRIK WANN JENSEN, RASMUS TAMSTORF, An Artist Friendly Hair Shading System , 2010
16. EUGENE D'EON, GUILLAUME FRANCOIS, MARTIN HILL, JOE LETTERI, JEAN-MARIE AUBRY, An Energy-Conserving Hair Reflectance Model , 2011
17. XUAN YU, JASON C. YANG, JUSTIN HENSLEY, TAKAHIRO HARADA, JINGYI YU, A Framework for Rendering Complex Scattering Effects on Hair , 2012
18. JIAWEI OU, FENG XIE, PARASHAR KRISHNAMACHARI, FABIO PELLACINI, ISHair: Échantillonnage d'importance pour la dispersion des cheveux , 2012
19. SARAH INVERNIZZI, Sur le rendu physique des cheveux , 2013
20. WOLFGANG ENGEL, Rendu des cheveux dans Tomb Raider , 2013
21. EUGENE D'EON, STEVE MARSCHNER, JOHANNES HANIKA, Échantillonnage d'importance pour les modèles de fibres capillaires à base physique , 2013
22. TIMOTHY MARTIN, WOLFGANG ENGEL, NICOLAS THIBIEROZ, JASON YANG ET JASON LACROIX, TressFX: Advanced Real-Time Hair Rendering , GPU Pro 5, 2015
23. LEONID PEKELIS, CHRISTOPHE HERY, RYUSUKE VILLEMIN, JUNYI LING, Un modèle de diffusion de la lumière basé sur les données pour les cheveux , Pixar 2015

Je n'ai pas encore lu tous ces documents, mais voici un peu de ce dont je me souviens (je suis plus intéressé par les solutions en temps réel):

• Kajiya-kay a jeté les bases d'un rendu réaliste des cheveux et de la fourrure
• Marschner a proposé un modèle amélioré et a noté que les cheveux ont deux reflets spéculaires distincts (l'un blanc en raison de la réflexion directe, l'autre coloré et mousseux en raison de la réflexion à l'intérieur de la fibre capillaire)
• Scheuermann a proposé des approximations pour simuler le comportement décrit par Marschner, des approximations adaptées au temps réel (en utilisant des astuces telles que deux reflets spéculaires distincts, un décalage spéculaire conçu par l'artiste et un exposant, des textures de bruit). Il a également proposé d'utiliser trois passes de rendu (opaques, transparentes verso et avant) de polygones pour simuler les qualités "volumétriques" des cheveux
• La plupart des jeux dont j'ai entendu parler semblent utiliser des approches Scheuermann pour l'ombrage des cheveux. Cependant, ce n'est pas une solution d'économie d'énergie. Néanmoins, je pense que d'Eon tente de résoudre ce problème dans le document de 2011.
  Un autre sujet d'intérêt est l'utilisation de la tessellation, qui a également été utilisée récemment pour remplacer l'approche polygonale et simuler les mèches de cheveux individuellement.

Le monde du rendu hors ligne tente de résoudre des défis plus avancés. Je pense que la plupart d'entre eux sont décrits dans les références ci-dessus.