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传送门：[UOD2021]虚幻引擎中Groom毛发系统的流程和应用 | Epic Games 孙丹璐_哔哩哔哩_bilibili

 

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一. 资产与导入

1.1 Groom 毛发系统中常见名词

1. Strand：生成的最终视觉上看到的毛发

• 人类的毛发尺寸大约在 0.0017 - 0.0018 cm，建议控制在 0.008 cm
• 发际线、鬓角、碎发的尺寸，建议控制在 0.0065 -0.007 cm

2. Guide：引导线，用于动画和模拟

• 人类大约有 10 万根头发，用于引擎渲染，建议控制 Guide 数量在 5 万左右

3. Curve：曲线（毛发/引导线数量）
4. Vertices：毛发组的顶点数量（由 DCC 软件中设置的 CV 值决定，Vertices/Curves = CV count）

• CV 值：在 DCC 软件中制作毛发时，设置的控制顶点
• CV 值越多，毛发表现效果越好，相应的处理时间越久，性能开销越大
• 为了在实时领域应用 Groom 毛发，需要在 DCC 软件中控制 CV 的数量（启用 Uniform CVs 则毛发形态更平均；禁用，则利于表现如卷发等的程序化生成的毛发）
• CV 值的设计，需要综合考虑毛发形态及应用平台，建议：

• 影视项目，卷发不超过 80
• 游戏项目，长直发不超过 30

 

• 毛发资产的通用优化思路：

• 在 DCC 软件中，控制 CV 点数量，控制最终毛发顶点的整体数量
• 优化密度、宽度（参考真实世界中毛发尺寸，以密度减半，宽度*2为起点，根据效果进行调整）

 

 

1.2 毛发资产导入

1. 导出为 Alembic 格式

• 以 Maya Xgen 毛发为例，将毛发转换为可交互式毛发后，以 Alembic 格式，只导出 Strand（单帧或多帧）
• 在 DCC 软件中制作的毛发，是根据 Guide 和修改器规则生成的，导入引擎的是最终生成好的发丝，即 Strand
• 默认情况下，Alembic 中只有 Strand 信息，可以根据命名规则写入特定数据（如：groom_guide、groom_color、groom_root_uv、groom_closest_guide、groom_guides_weights）
• 导入引擎后，依据 Alembic 写入的数据生成：

• 单帧 Groom Asset
• 多帧 Groom Cache（默认导入会生成 2 个 Cache 文件）

• guides_cache：记录每帧每个 guide curve 的 position 数据（需打开 Groom 毛发的 Simulation 模拟，从第 0 帧开始播放）
• strands_cache：记录每帧每个 strand curve 的 position 数据

 

2. 转换为三角面

• 将 Groom Cache 附着在蒙皮表面，还需提供一个绑定资产
• 绑定资产存储了毛发发丝在目标骨骼上投射的信息，计算的是 Strand 根部与蒙皮后最近的三角面重心坐标
• 皮肤发生形变后，默认在皮肤的 Local Space 计算毛发位置，再转换到蒙皮后的世界空间，为了防止特殊部位毛发做表情时发散（如中间图）导致表情不自然

 

• 添加 RBF 径向基约束，以保证夸张表情下的毛发形态自然

 

• 在 Groom 毛发资产中，启用 RBF 径向基约束

 

 

二. 裁剪与 LOD

1. 为了高效绘制 Groom 资产，Strand 会被引擎自动划分为多个 Cluster，以在 GPU 上运行 LOD 和剔除信息

• 渲染 Groom 时，Cluster 会根据屏幕覆盖率和可见性，进行细粒度 LOD 选择，方便以屏幕实际的显示为基础， 相应的平衡渲染与性能开销
• 如果在 Groom Editor 中手动创建了多层 Strand LOD，每层都有自己的 Cluster 信息和 Cluster LOD 信息

 

• 基于 Groom 毛发的物理模拟，每帧对 Cluster 生成 AABB ，获取 AABB 数据，在 GPU 上进行细粒度裁剪和 LOD 切换

 

2. 裁剪顺序依次按：视锥裁剪 -> 距离裁剪 -> HZB 遮挡裁剪

 

3. 对裁剪后的结果计算 LOD，在 Cluster 的 LOD 信息，减少了每个 Cluster 中的 Strand 数量，和每个 Curve 中的顶点数量，从而产生的毛发空隙感，用宽度补足

 

4. 由于上述引擎的 Cluster LOD 切分机制，因此在创作毛发资产时，需按真实世界中的毛囊分布制作毛发，避免从一个点生成全头的毛发，避免通过毛发长度制作发型

 

5. Cluster 默认按距离生成，详见 GroomBuilder.cpp 中的 BuildClusterData 部分

 

 

 

三. 抗锯齿与 OIT

1. 根据 Cluster 完成了裁剪和 LOD 后，需要根据对应的数据绘制发丝，常碰到如下问题：

1. 当像素尺寸远大于头发尺寸，产生锯齿问题

• • 头发尺寸一般引擎内设置为：0.06-0.12 毫米
  • 像素尺寸：1080P像素分辨率，在 1 米处的一个像素大小约为 1 毫米

2. 光线照射到高散射率的头发，产生 OIT 问题

• • 头发本身不透明，但够薄且散射率高，光照效果呈透明物体状
  • 一个像素中有多根头发，需要确定多根头发的前后关系以计算散射情况

 

2. 引擎实现了如下 3 种光栅化抗锯齿的解决方案：

1. MSAA

• • 效果和效率综合最好
  • 原理：光栅化阶段，每个像素有多个采样点
  • 在引擎内，构成毛发的 Groom 是由一段一段四边形（两个三角面）组成，渲染处理时，四边形面向相机进行 MSAA 计算，在亚像素空间，计算并记录距相机最近的 N 个毛发片段数据，最终，通过 2 个 Pass 获取 Visibility 和 Transmittance 信息

 

• • 配置 MSAA 数据：r.HairStrands.Visibility.MSAA.SamplePerPixel 2/4/8（几倍的 MSAA 就相当于光栅化阶段要申请几倍的分辨率，显存开销大）

 

• • 在毛发资产上勾选 Use Stable Resterization，改善孤立毛发的锯齿问题

 

• • 改善毛发边缘，发梢末端形成半透效果：r.HairStrands.ViewTransmittancePass（在 4K 分辨率下，开启 4xMSAA，可以节省 1-2 ms ）

 

2. PPLL

• • 效果最好，性能最低
  • Per-Pixel Link List，链表式存储每个像素绘制到的 N 根毛发信息（N 取决于设置的最大数值），但链表式结构对 GPU 不友好
  • 配置 PPLL 数据：r.HairStrands.Visibility.PPLL 1（默认 0）r.HairStrands.Visibility.PPLL.SamplePerPixel 4/8/16

 

3. Raster Compute

• • 低配置下效率最高，可以精确计算每段毛发渲染在哪几个像素，抗锯齿效果好
  • 利用 Compute Shader 做了光栅化，并记录毛发数量和毛发平均半径，用于计算毛发透射率
  • 开启 Raster Compute：r.HairStrands.Visibility.ComputeRaster 1
  • Raster Compute 中毛发每个片段的最大长度：r.HairStrands.Visibility.ComputeRaster.MaxPixelCount
  • Raster Compute 中毛发每个像素的采样最大数量：r.HairStrands.Visibility.ComputeRaster.SamplePerPixel 1/2/3/4

 

3. 方案选择：

1. 高配置方案参考

 

2. 中配置方案参考

 

4. 由于上面 3 种光栅化抗锯齿方案处理的毛发片段数量不一致，因此都会被写入一个线性 Buffer，记录每个像素上最近的 N 个毛发片段信息（如：Coverage、Base Color、Tangent等），方便后续用 Compute Shader 高效并行的对每个片段着色

 

5. 总采样数量决定了效率，速度变化较快时，可以相应调整发丝宽度以减少重投影问题

 

6. Stat GPU 或 GPU 抓帧中 HairStrandsVisibility 的开销参考：

 

 

四. 光影

4.1 光照

1. 通过上面计算，可以初步确定哪些像素需要绘制毛发，及绘制毛发的必要信息，接下来进行光影计算

 

2. 头发光照模型：

1. Single Scattering - Marschner

• • 材质中的 Hair Shadering Mode
  • 主流基于物理的头发丝的光照模型 BSDF，从微观角度，抽象毛发为一节一节的圆柱体，分析毛发光照为以下 3 个主要部分：

 

• • R 光线直接反射

 

• • TT 穿过头发内部的透射

 

• • TRT 穿过头发内部的折射

 

• • 最终头发光照 = R+TT+TRT
  • 其中，R 相当于头发的第一层高光，TRT 相当于头发的第二层高光，TT 相当于头发背面看到的高光

 

• • r.HairStrands.Components.R
  • r.HairStrands.Components.TRT
  • r.HairStrands.Components.TT

 

2. Multi Scattering - Dual Scattering

• • 浅发的吸收率低，发丝间的散射效果很重要

 

• • 采用Dual Scattering 双重散射模型：将复杂散射现象分为 2 部分：

• • Global Scattering 全局散射：宏观评估光线穿过纤维毛发的方式
  • Local Scattering 局部散射：通过简单的模型评估光线在单根毛发周围的反弹

 

• • r.HairStrands.Components.GlobalScattering
  • r.HairStrands.Components.LocalScattering

 

3. Deep Opacity Maps（Deep Shadow）：

• 为每个光源创建专属阴影贴图，将毛发的吸收信息存储在多个 Deep Opacity Maps 中：将头发光栅化生成深度纹理，对毛发进行二次光栅，根据深度纹理距离，累加 4 层头发数量到不同 Deep Opacity Maps 的不同通道中，用 PCF/PCSS Kernel 查询毛发数量

 

• 在灯光的细节面板上，开启 Deep Shadow

 

• r.HairStrands.DeepShadow.DebugMode 1：查看 Deep Opacity Maps 的 4 层数据的对应情况

 

• r.HairStrands.DebugMode 4：查看开启了 Deep Shadow 的灯光，渲染生成的 Deep Opacity Maps

 

• r.HairStrands.DeepShadow.DebugDOMIndex：选择观察具体某盏灯光的 Deep Opacity Maps 信息

 

4. Density Volume，Voxelization 密度体积

• 密度体积是引擎毛发着色、环境光遮蔽、环境光照的默认机制
• 密度体积会提供当前视口中毛发的密度/厚度信息，并迅速计算出光线在毛发密度上产生的渲染效果
• 将毛发在密度体积中体素化（ 体素化是一种将3D物体分解成小立方体（体素）的过程，以便于进行更复杂的渲染计算 ），可以复用给多个灯光，并提供天光对头发的照明

 

• r.HairStrands.Voxelization 1：引擎默认开启密度体积
• r.ShaderPrintEnable 1：启用着色器打印功能

 

• r.HairStrands.Voxelization.Virtual.VoxelWorldSize： 设置头发体素化过程中使用的世界空间大小（体素大小，大体素，降低精度但提高性能；小体素，提高精度但降低性能）
• r.HairStrands.Voxelization.Virtual.DensityScale： 调整头发体素化过程中毛发密度的比例（增加密度，毛发浓密；减少密度，毛发稀疏）
• r.HairStrands.Voxelization.Virtual.DrawDebugPage：绘制体素化调试

 

• r.HairStrands.DebugMode 8：查看毛发的密度体积，需要同时开启r.ShaderPrintEnable 1

 

 

4.2 阴影

1. 不透明物体对毛发的投影：Shadow Map
2. 毛发对不透明物体的投影：Deep Shadow（Deep Opacity Maps）、Voxel Tracing 密度体积

 

3. Deep Shadow（Deep Opacity Maps）

• 毛发间的阴影：

• r.HairStrands.DeepShadow.Resolution： 设置用于渲染头发深度阴影贴图的分辨率
• r.HairStrands.DeepShadow.SuperSampling： 控制 SuperSampling 超采样设置（超采样是一种反走样技术，通过以比最终输出更高的分辨率渲染图像，然后缩小到目标分辨率来平滑边缘和减少锯齿效果）
• r.HairStrands.DeepShadow.KernelType 0/1/2/3/4

• 0：linear
• 1：PCF_2*2
• 2：PCF_6*4（默认为 2）
• 3：PCSS
• 4：PCF_6*6_Accurate

 

• 当灯光据毛发过近时，开启 DeepShadow，则毛发间的阴影会过于明显，显得毛发粗糙，因此不需要每盏灯都开启 DeepShadow

 

• 毛发对其他物体的投影：

• r.HairStrands.DeepShadow.ShadowMaskKernelType 0/1/2/3/4

• 0：2*2
• 1：4*4
• 2：Gaussian 8
• 3：Gaussian 16
• 4：Gaussian 8 with transmittance（默认为 4，细发丝不投影）

 

4. Voxel Tracing 密度体积

• 毛发间的投影：

• r.HairStrands.Voxelization.Raymarching.SteppingScale：调整 Raymarching 光线行进过程中的步长比例（值越大，性能提高但渲染质量降低；值越小，渲染质量提高但性能消耗增加）
• r.HairStrands.Voxelization.Virtual.Jitter： 调整体素化过程中的 Jitter 抖动效应（0 为完全关闭，1 为有规律随机抖动，2 为持续抖动）

 

• 毛发对其他物体的投影：

• r.HairStrands.Voxelization.DensityScale.Shadow：调整影响头发阴影密度的比例（ 值越大，头发阴影越密集；值越小，阴影越空）

 

5. Deep Shadow（Deep Opacity Maps）和 Voxel Tracing 的方案对比：

1. 光影表现：

• Deep Shadow 不会计算天光，因此背光面较暗

 

• Voxel Tracing 的分辨率不足，阴影处会有噪点问题

 

• 建议：用 Voxel Tracing 密度体积计算透射，用 Deep Shadow 计算阴影

 

2. 性能开销：

• Deep Shadow（Deep Opacity Maps）和 Voxel Tracing 生成的开销都较高
• 在单个灯光的情况下（场景中包含一个平行光和一个天光），Voxel Tracing 性能持平或略优于 Deep Shadow：

• 只使用 Deep Shadow：总耗时 25.2ms，开启时会降低 HairStrands TransmittanceMask 和 Shadow Projection 的耗时

 

• 只使用 Voxel Tracing：总耗时 25.87ms，比 Deep Shadow 多计算一个天光

 

• 使用 Deep Shadow + Voxel Tracing：总耗时 28.38ms

 

• 在多个灯光的情况下（场景中包含一个平行光、一个投射光和一个天光），Voxel Tracing 的可复用的优势更明显

• 只使用 Deep Shadow：（平行光和投射光均开启 Deep Shadow）总耗时 39.10ms
• 只使用 Voxel Tracing：总耗时 33.74ms

 

• 使用 Deep Shadow + Voxel Tracing：（仅主光源开启 Deep Shadow，其他使用 Voxel Tracing）总耗时 35.17ms

 

6. Deep Shadow（Deep Opacity Maps）和 Voxel Tracing 的使用建议

1. 用于实时渲染

• 中远视角下，仅使用 Voxelization 密度体积的方案
• 特写镜头中，仅主光源开启 Deep Shadow，并限制区间为 512~1024 分辨率

2. 用于离线渲染

• 常规使用 Voxelization 密度体积 + 主光源开启 Deep shadow （区间为 1024~2048 分辨率）
• 特写镜头中依据 Sequencer 效果，逐个决定是否开启光源的 Deep Shadow（视角拉远时关闭）
• 渲染输出时（酌情）：

• 提高r.HairStrands.DeepShadow.Resolution 体素分辨率
• 开启r.HairStrandsDeepShadow.SuperSampling
• 选择r.HairStrands.DeepShadow.KernelType

 

7. Debug 调试：

• r.HairStrands.StrandWidth：设置毛发宽度
• r.HairStrands.StrandDebug：等价于 Show 视图下的分页

• 0：NoneDebug
• 1：SimHairStrands
• 2：RenderHairStrands
• 3：RenderHairRootUV
• 4：RenderHairRootUDIM
• 5：RenderHairUV
• 6：RenderHairSeed
• 7：RenderHairDimension
• 8：RenderHairRadiusVariation
• 9：RenderHairBaseColor
• 10：RenderHairRoughness
• 11：RenderVisCluster
• 12：RenderHairTangent

 

• r.HairStrands.DebugMode 1：查看毛发总体采样数量、修改的 MSAA 数据、鼠标对应的毛发像素采样数据等

 

• r.HairStrands.DebugMode 4：查看绘制的 Deep Shadow（Deep Opacity Maps）

 

• r.HairStrands.DebugMode 5：查看亚像素的采样数量（蓝色：1-2 个；黄色：3-4 个；红色：8 个）

 

• r.HairStrands.DebugMode 7：查看 Coverage 信息（绿色：完全覆盖；红色：部分覆盖，有半透感）

 

• r.HairStrands.DebugMode 8：查看密度体积信息，需要同时打开 r.ShaderPrintEnable 1

 

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