一种针对移动端的头发建模和渲染方案
孙正忠 1，2，3
【摘 要】摘要：文中基于快速建模个性头发并在手机上实时渲染高质量头发的目的，采用了玛雅的毛发建模系统对头发进行建模，并用Python脚本一键导出建模好的发丝曲线数据，在移动端利用Kaijiya-Kay的光照模型对头发进行实时渲染。其中，玛雅的毛发建模系统是被广大三维建模工作者所普遍采用的一种建模头发的方法，具有很强的通用性。同时，开发者通过脚本导出玛雅中建好的发丝模型，并直接应用到移动端渲染程序中，这大大提高了开发效率。测试结果表明，本文的方法针对上万根发丝的头发模型，在iPhone 5s上仍可达到每秒25帧以上的渲染速度，满足了绝大多数移动应用的需求。 【期刊名称】电子设计工程 【年(卷),期】2018(026)023 【总页数】5
【关键词】头发建模；玛雅；头发渲染；移动端 稿件编号：201803083
基金项目：上海市优秀学术带头人计划项目（17XD1402900）
在计算机图形学和三维人体重建领域，头发的建模和渲染一直以来都是最具有挑战性的部分。近年来，随着虚拟现实（Virtual Reality，VR）和增强现实（Augmented Reality，AR）的崛起，虚拟人物越来越多的出现在我们的移动设备中。利用数十台相机搭建的360度光场环拍系统可以对真人进行动态的采集和重建，使人体的三维模型可以栩栩如生的呈现在人们面前[1]。但是头发由于其数量众多，纤细以及半透明等特点，在人体的三维重建中一直都是最难重
建的部分之一，往往最终也只能以面片和贴图的形式来进行渲染呈现。这就大大影响了人物模型在移动端中的显示效果。
而在电影和动画片的制作中，为了得到高质量的头发渲染效果，通常需要对发丝来进行高精度的人工建模，并结合基于物理的头发渲染算法，通过多重反射和折射，历时几个小时最终才能渲染出一张高质量的图像[2]。这在对实时性要求很高的VR和AR应用中是难以接受的，尤其要放到移动端的话，这更是不可能的事情。
文中将提出一种适用于移动端的头发建模和基于发丝的实时渲染的解决方案。开发者可以利用玛雅（Maya）等常见的三维建模软件，快速建模发丝，并直接导入移动端进行高质量的实时渲染。
1 头发建模
如今最常用的三维建模软件主要有3dsMax和Maya。在3ds Max中主要以Cem Yuksel博士的Hair Farm毛发制作插件最具代表性[3]。而Maya汇集了当今最先进的头发建模方法[4]，并提供了多种多样的头发建模插件和工具。例如 nHair，Shave，Yeti，XGen，XGen交互式修饰等。这些插件建模头发的主要思路总结起来有两种方式[5-9]：
1）选定一块头皮，在该头皮上建模主头发线条，以此来确定发型的基本形状，软件会根据主头发线条自动插值出更多的发丝，进而形成较为浓密的头发。例如nHair，XGen等工具。这种方法比较适用于长发的建模。
2）软件根据所选定头皮自动生成头发，用户可以改变头发的长度和浓密，并利用提供的笔刷像理发一样对生成的头发进行修剪和造型，将其塑造成自己想要的样子。例如XGen交互式修饰。这种方法对于短发的建模非常好用。
2 头发渲染
2.1 移动端头发渲染方法
目前移动端用到的头发往往是面片加贴图的形式[10]，如图1所示。虽然比较生硬，效果不够真实，但是由于其建模简单，渲染速度快等优点，目前仍是移动端头发渲染的首选。而通过发丝渲染出来的头发，能够看到一根根发丝飘逸的效果，具有极佳的视觉效果[11-12]，如图2所示。但由于其巨大的计算量，在移动端往往无法支撑如此高质量的渲染。因此，如何在移动端实现快速的发丝渲染就成了众多图形学开发者研究的方向。 2.2 光照模型
目前基于发丝的头发渲染使用最广泛的光照模型是Kajiya-Kay[13]和Marschner[14]两种模型。 2.2.1 Kajiya-Kay光照模型
Kajiya-Kay光照模型是最早提出的针对头发的光照模型，由于其良好的渲染效果而被广泛应用。该光照模型把头发的光照看成由漫反射和镜面反射两部分共同作用的结果，并用一个光滑的、半径很小的圆柱体来近似表征一根发丝。 Kajiya-Kay光照模型中重要的向量和角度，如图3所示。其中，单位切线向量（t）表示头发的切线方向，光线向量（l）指向光源的方向，反射向量（r）指向反射光的方向，即最大镜面反射的方向。眼睛向量（e）指向观察者眼睛的方向。角度θ和φ分别是切线向量和光线向量的夹角，切线向量和眼睛向量的夹角。
根据Lambert光照模型，漫反射部分的光强可以通过以下公式来计算： 其中，Kd表示漫反射的系数。
一种针对移动端的头发建模和渲染方案
