人體皮膚真實(shí)感實(shí)時(shí)渲染研究

楊蒙召 王寬全

摘要：人體皮膚是一種高度散射的半透明材質(zhì)，與光線之間的交互過程很難建模和模擬，因此皮膚的真實(shí)感實(shí)時(shí)渲染比較困難。從基于模糊化處理的渲染、基于紋理空間的渲染和基于屏幕空間的渲染等三方面，對皮膚真實(shí)感實(shí)時(shí)渲染進(jìn)行綜述，詳細(xì)分析了每種方法實(shí)現(xiàn)的思路和原理，方法之間的改進(jìn)和差異，對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍作了總結(jié)和比較等，最后給出了將來研究的方向。

關(guān)鍵詞：人體皮膚； 模糊化處理； 紋理空間； 屏幕空間

中圖分類號：TP39141 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（2013）06-0033-03

0引言

目前，隨著三維游戲、影視動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，真實(shí)感渲染技術(shù)也在不斷進(jìn)步和普及應(yīng)用中。在影視娛樂行業(yè)，角色人物往往很難完成某些特效動作，比如人物從高樓墜下、人物在海面上行走或者某些超難度動作等，但是借助渲染技術(shù)可以設(shè)計(jì)和主人公外觀逼真的虛擬人，幫助完成這些場景中的特效動作，如此這般已經(jīng)制造出品了多部優(yōu)秀的電影，比如《黑客帝國》、《指環(huán)王》、《阿凡達(dá)》和《冰河世紀(jì)》等好萊塢經(jīng)典電影。在當(dāng)今的三維虛擬人物設(shè)計(jì)中，都在追求電影級別的高真實(shí)感，這就帶來了龐大的圖形圖像數(shù)據(jù)，占用的內(nèi)存也很多，每一幀的計(jì)算量相應(yīng)都大。這就使得人物和場景的移動和切換均會變得較慢，從而給用戶帶來延遲感和停頓感。如此就要求虛擬人外觀在具有真實(shí)感和形象感的同時(shí)，渲染的幀速也必須日愈改進(jìn)，以滿足交互性和實(shí)時(shí)性，這一需求已成為當(dāng)前虛擬人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

人體皮膚渲染方法可以分為離線渲染（Offline Rendering）和實(shí)時(shí)渲染（Real-time Rendering），離線渲染強(qiáng)調(diào)渲染的真實(shí)感，而實(shí)時(shí)渲染則強(qiáng)調(diào)渲染的實(shí)時(shí)性，離線渲染常常為實(shí)時(shí)渲染提供一些研究思路和理論基礎(chǔ)。從皮膚渲染的研究內(nèi)容來看，包括皮膚材質(zhì)的生理分析、皮膚屬性的測量、測量設(shè)備的開發(fā)、渲染算法的研究和實(shí)現(xiàn)等等，由于本文所關(guān)注是渲染算法的研究，因此僅從渲染方法的研究進(jìn)展方面進(jìn)行綜述。

本文結(jié)構(gòu)如下： 第1部分介紹基于模糊化處理的實(shí)時(shí)渲染；第2部分闡述基于紋理空間的實(shí)時(shí)渲染；第3部分論述基于屏幕空間的實(shí)時(shí)渲染；第4部分對本文進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1基于模糊化處理的實(shí)時(shí)渲染

2003年，Borshukov和Lewis[1]首次提出使用自定義的內(nèi)核高斯函數(shù)對二維的漫反射光照紋理，進(jìn)行模糊化處理，在紋理空間中模擬次表面散射，在繪制皮膚時(shí)，通過微小的顏色漂移來表現(xiàn)人體皮膚的散射效果。通過觀察，可發(fā)現(xiàn)皮膚自然的次表面散射效果，會導(dǎo)致粗糙的皮膚變得模糊化，這類似于二維圖像的模糊化，因此可以對皮膚的高頻紋理信息進(jìn)行多次高斯模糊化處理，來模擬皮膚的次表面散射現(xiàn)象。高斯函數(shù)的參數(shù)采用紅、綠、藍(lán)三種顏色光在半透明皮膚材質(zhì)中的傳播系數(shù)，該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用在電影《黑客帝國》及其續(xù)集中，采用真實(shí)感的虛擬人，充當(dāng)電影中的人物角色，方便地實(shí)現(xiàn)了影視人物特效，同時(shí)滿足了觀眾的視覺要求。但其合成的高斯權(quán)重參數(shù)并未參考任何物理模型，而是依憑藝術(shù)家的感覺進(jìn)行手工調(diào)節(jié)。

Borshukov和Lewis在2005年開設(shè)的SIGGRAPH課程中[2]，又進(jìn)一步使用兩個(gè)簡單分布曲線：一個(gè)比較平坦起伏的曲線，另一個(gè)形如尖峰的曲線，分別刻畫表皮層較窄的擴(kuò)散和真皮層較寬的擴(kuò)散，如此形象地模擬光線在皮膚內(nèi)部的散射效果，但是該技術(shù)未能有效捕捉皮膚微妙的多層次散射效果。

在Borshukov等人方法的基礎(chǔ)上，Gosselin[3]于2004年使用Poisson圓盤分布函數(shù)，模糊化輻射照度圖，借助于兩個(gè)緩存，對擴(kuò)散光照圖執(zhí)行多次模糊，最后基于GPU圖形硬件，實(shí)時(shí)取得了一個(gè)柔和的、真實(shí)感的外觀。另外，Gosselin還執(zhí)行三個(gè)GPU加速技術(shù)，即背面剔除、視區(qū)裁剪和距離裁剪，增強(qiáng)了渲染的實(shí)時(shí)性。

Green[4]則提出使用深度圖模擬光線衰減和吸收，采用高斯模糊模擬紋理空間的漫反射。該研究指出對光線吸收的模擬是半透明材質(zhì)最重要的因素之一，光線在皮膚中傳播得越遠(yuǎn)，吸收和散射得就越厲害，為了模擬這種效果，采用深度圖[5]估算光在物體中傳播的距離，具體如圖1所示，從而估算得到入射光線到出射光線的指數(shù)衰減情況。

利用深度圖，一旦計(jì)算得到光在物體中的傳播距離，就可以用一個(gè)指數(shù)項(xiàng)刻畫光線的衰減，再結(jié)合傳統(tǒng)的光照明模型，就可以模擬光線在薄層部分的背光效果，增強(qiáng)皮膚的半透明性。

2基于紋理空間的實(shí)時(shí)渲染

NVIDIA的Eugene dEon等人[6，7]提出了紋理空間擴(kuò)散方法（Texture Space Diffusion， TSD），利用高斯函數(shù)卷積線性之和，在紋理空間中模擬次表面散射，比較準(zhǔn)確地近似Donner等人的多極子對偶方法[8]，得到了接近物理真實(shí)的皮膚繪制效果。對比NVIDIA和Donner的離線繪制結(jié)果，皮膚渲染的效果雖然幾乎不分上下，但NVIDIA在Gefore 8800卻可以達(dá)到實(shí)時(shí)的繪制速度。TSD渲染流程如圖2所示。

通過觀察和物理實(shí)驗(yàn)，d Eon 等人指出光線在皮膚中次表面擴(kuò)散剖面（Diffusion Profile），類似于高斯函數(shù)曲線，因此可以利用高斯函數(shù)卷積和模擬次表面散射。通常四個(gè)高斯函數(shù)就可以很好地近似單一薄層的漫反射剖面，然而對于Donner等人刻畫的三層皮膚模型，需要使用六個(gè)高斯函數(shù)線性求和，才能很好地近似皮膚的漫反射剖面。

為了防止網(wǎng)格的紋理參數(shù)化，出現(xiàn)紋理扭曲現(xiàn)象，需要在紋理高斯卷積過程中，添加UV空間的拉伸矯正處理。對于半透明性所表現(xiàn)出來的背光效果，d Eon等人則采用改進(jìn)的半透明深度圖（Translucent Shadow Map， TSM）方法[9]進(jìn)行計(jì)算。

對于皮膚表面的高光反射，d Eon等人使用一個(gè)基于物理的KS反射模型（Kelemen Szirmay-Kalos， KS）[10]，并允許調(diào)整面部不同的粗糙度，真實(shí)模擬了表面反射。

為了進(jìn)一步提高紋理空間渲染的實(shí)時(shí)性，Jimenez和Gutierrez等人[11]從三個(gè)方面提出優(yōu)化機(jī)制對渲染過程進(jìn)行改進(jìn)。首先，剔除輻射照度圖（Culled Irradiance Map），每次渲染時(shí)，無需對所有像素點(diǎn)進(jìn)行處理，由于自身幾何遮擋，有些像素點(diǎn)根本不在視角范圍之內(nèi)，所以可以利用背面剔除技術(shù)（Backface Culling Techniques）在輻射照度圖剔除遮擋像素點(diǎn)。其次，采用基于深度的輻射照度圖（Depth-based Irradiance Map），根據(jù)渲染頭像的視角距離深度，調(diào)整輻射照度圖的尺寸。最后，裁剪輻射照度圖（Clipped Irradiance Map），在傳統(tǒng)的渲染管線中，視錐外面的頭像某一部分會被裁剪，因此不必對這部分進(jìn)行計(jì)算，在渲染之前，可以采用變化矩陣，計(jì)算出被裁減的部分，在渲染時(shí)，不需對此部分進(jìn)行計(jì)算。在顯卡 GeForce 8800 GTX的平臺上，Jimenez等人取得每幀的加速度為1.10到2.77之間。

Hable等人[12]提出了一種快速次表面散射（Fast Subsurface Scattering）方法。該方法使用背面消隱技術(shù)，也對紋理空間方法進(jìn)行優(yōu)化，而且此法在13個(gè)抖動采樣點(diǎn)（Jittered Sampling）上，采用12個(gè)抖動步長（Jittered Tap）的模糊核，計(jì)算一個(gè)二維的卷積，很好地解釋了直接反射、中級散射和紅色光相對遠(yuǎn)的散射，得到了真實(shí)感皮膚的模擬。

3基于屏幕空間的實(shí)時(shí)渲染

Jimenez等人[13]提出了屏幕空間渲染方法（Screen Space Rendering， SSR），對于次表面散射的模擬，不同于TSD方法對初始輻射照度圖（Irradiance Map）進(jìn)行高斯模糊然后求和，SSR 方法則利用Gillham 等人的方法[14] 將深度圖（Depth Map）線性化處理，結(jié)合二維抖動采樣[12]和6個(gè)一維的高斯核，直接對最終的渲染圖像進(jìn)行卷積模糊。

對于表面高光反射，該方法同樣采用KS模型[10]實(shí)現(xiàn)表面反射的模擬。最后結(jié)合次表面散射和表面反射模擬，得到近似TS的渲染結(jié)果，其渲染流程如圖3 所示。

SSR追求和TSD相同級別的真實(shí)感，然而卻在屏幕空間的后處理階段執(zhí)行散射模擬，由此簡化了渲染流程。同時(shí)在渲染每一幀時(shí)，SSR借助于GPU所提供的深度模板緩沖區(qū)（Stencil Buffer）和顏色緩存（Color Buffer），利用模板測試決定是否更新相應(yīng)像素點(diǎn)的顏色值，可以很容易剔除不需要處理的像素，在很大程度上提升了渲染的執(zhí)行速度，尤其當(dāng)著色目標(biāo)向遠(yuǎn)離視點(diǎn)的方向移動，所占的屏幕區(qū)域愈來愈小時(shí)，效果則更為突出，因此SSR取得了優(yōu)于TSD的實(shí)時(shí)性。

SSR 方法還能解決 TSD 方法中遇到的縮放和細(xì)縫問題（Scaling and Seam Issues），由編程實(shí)現(xiàn)角度和算法復(fù)雜度進(jìn)行衡量，也優(yōu)于TSD方法，但是SSR方法渲染的環(huán)境應(yīng)在DX10以上，而且當(dāng)光線從物體后面照亮?xí)r，在透明度的模擬方面，該方法渲染的結(jié)果也沒有TSD準(zhǔn)確。

國內(nèi)針對皮膚真實(shí)感實(shí)時(shí)渲染的研究還不多見，2009年，王家良[15]介紹了皮膚渲染所取得的部分研究成果，最后實(shí)現(xiàn)了毛發(fā)的渲染，雖然一定程度上增加了皮膚的真實(shí)感，但并不是針對皮膚本身的渲染。2011年，浙江大學(xué)的蔡飛龍[16]在其博士論文的第六章，借鑒NVIDIA的紋理空間擴(kuò)散方法，利用商業(yè)渲染器Vray，實(shí)現(xiàn)了適合京劇臉譜的真實(shí)感繪制，但是在渲染算法本身并未取得任何實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，只是將渲染對象做了稍微改變。同時(shí)，由于高精度的表情動畫數(shù)據(jù)難以捕獲和制作，還沒有辦法實(shí)現(xiàn)真實(shí)感的臉譜動畫。

4結(jié)束語

隨著圖形可編程硬件GPU功能的不斷提升，近年來，借助于高級著色語言和CG技術(shù)，使得針對人體皮膚的真實(shí)感實(shí)時(shí)渲染研究，已經(jīng)有了很大的突破和可觀的成果，能夠滿足影視娛樂、三維游戲和其他虛擬場景的需要。經(jīng)典的渲染方法，如模糊化渲染、紋理空間渲染和屏幕空間渲染，能夠得到真實(shí)感的人體皮膚，這些方法雖然取得真實(shí)感的面部，但是渲染的幀速仍然較少，實(shí)時(shí)性也較低。在某些應(yīng)用中，比如大型三維游戲和互動虛擬場景中，除了對畫面的真實(shí)感要求以外，更加強(qiáng)調(diào)渲染的實(shí)時(shí)性，以保證操縱場景人物時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性，沒有延遲感和停頓感。另外，真實(shí)感算法的設(shè)計(jì)不能太過于復(fù)雜，要易于和當(dāng)前GPU可編程渲染管線結(jié)合。

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