HairStrandPlugin的迭代總結(jié)

來(lái)源： 52vr | 責(zé)任編輯：傳說(shuō)的落葉 | 發(fā)布時(shí)間： 2019-06-13 08:17 | 瀏覽量：

這篇文章介紹了HairStrandPlugin在迭代過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題以及思考。

背景

HairStrandPlugin的1.0版本推出到現(xiàn)在也已經(jīng)過(guò)去快一個(gè)月了，在這段期間我也一直在不停調(diào)試這個(gè)插件以及模擬代碼，在此記錄一下迭代過(guò)程中碰到的一些問(wèn)題以及對(duì)應(yīng)的思考。

代碼層次的迭代

長(zhǎng)度約束（Distance Constraint）邏輯迭代

問(wèn)題描述

在參考TressFX的論文和代碼過(guò)程中，我個(gè)人收獲很大，但是開(kāi)源的TressFX似乎還是藏起了一些黑科技。誠(chéng)然，在系統(tǒng)偏向穩(wěn)定的情況下，TressFX的效果非常好，而且針對(duì)于中短發(fā)的約束收斂也做的很不錯(cuò)，此外還使用GPU進(jìn)行多線程模擬，大大提升了運(yùn)算效率。

但是略有蛋疼的是——在不太穩(wěn)定的系統(tǒng)下，TressFX針對(duì)于長(zhǎng)度的收斂還是不夠的，在TressFXSimulation.hlsl中能夠找到如下代碼：

[代碼]：

					
									01
								
									void ApplyDistanceConstraint(inout float4 pos0, inout float4 pos1, float targetDistance, float stiffness = 1.0)
							
									02
								
									{
							
									03
								
									    float3 delta = pos1.xyz - pos0.xyz;
							
									04
								
									    float distance = max(length(delta), 1e-7);
							
									05
								
									    float stretching = 1 - targetDistance / distance;
							
									06
								
									    delta = stretching * delta;
							
									07
								
									    float2 multiplier = ConstraintMultiplier(pos0, pos1);
							
									08
								
									09
								
									    pos0.xyz += multiplier[0] * delta * stiffness;
							
									10
								
									    pos1.xyz -= multiplier[1] * delta * stiffness;
							
									11
								
									}

這意味著在頭發(fā)高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中（例如角色急速?zèng)_刺、墜下山崖等），發(fā)絲依然有可能被拉長(zhǎng)，以下的截圖來(lái)自原生的TressFX的可執(zhí)行文件。

可以看到當(dāng)模型進(jìn)行位移時(shí)，頭發(fā)還是出現(xiàn)了拉扯的情況。這還僅僅是小位移，聯(lián)想到古墓麗影中勞拉運(yùn)動(dòng)速度比這高的情況還是比較多的，因此大概可以推測(cè)還有黑科技沒(méi)有批露出來(lái)。

誠(chéng)然這種狀況可以通過(guò)調(diào)節(jié)例如迭代次數(shù)、Substeptime來(lái)進(jìn)行改善，但畢竟僅僅是改善而已，無(wú)法徹底解決。而且單一的調(diào)整上面的數(shù)值還會(huì)影響整個(gè)發(fā)絲的質(zhì)感，工作量還是比較大。

插件在《隱龍傳：影蹤》的實(shí)裝過(guò)程也遇到了這個(gè)問(wèn)題。由于《隱》是一個(gè)動(dòng)作游戲，角色的運(yùn)動(dòng)速度有時(shí)會(huì)很高（例如主角在空中的重下劈速度達(dá)到了100m/s），因此在最初的實(shí)裝中頭發(fā)不可避免地被拉長(zhǎng)了。

解決方案

最終的解決方案是在進(jìn)行發(fā)絲設(shè)計(jì)時(shí)先離線計(jì)算出各個(gè)粒子與發(fā)根粒子的穩(wěn)定距離，然后在模擬的過(guò)程中檢測(cè)距離的大小關(guān)系。如果距離過(guò)大了，則強(qiáng)制將粒子推至穩(wěn)定距離的位置。

這樣的方案能夠是Iteration數(shù)量大大減少，目前來(lái)看針對(duì)于每根發(fā)絲來(lái)說(shuō)只需要進(jìn)行一次Iteration即可。而且發(fā)絲的表現(xiàn)效果也更加穩(wěn)定，當(dāng)主角在山崖間快速跳躍的時(shí)候發(fā)絲也并不會(huì)被拉長(zhǎng)。

上圖是初次實(shí)裝后的效果，可以看到長(zhǎng)度被約束到了一個(gè)穩(wěn)定值（鋸齒狀的震顫來(lái)源于阻尼沒(méi)有調(diào)整好，大家無(wú)視即可……）。

LOD的實(shí)現(xiàn)

由于發(fā)絲的模型是依照樣條曲線來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)構(gòu)建的，因此導(dǎo)致發(fā)絲的網(wǎng)格會(huì)比較密，這樣一來(lái)對(duì)GPU的消耗就有可能比較大（雖然我知道這個(gè)插件主要是CPU殺手……）。

因此花了一些精力用于動(dòng)態(tài)LOD的構(gòu)建了，難度不大也沒(méi)什么好說(shuō)的，距離越遠(yuǎn)則網(wǎng)格越稀疏而已……

發(fā)絲插值

工具鏈問(wèn)題

發(fā)絲插值是一個(gè)很蛋疼的事，而這個(gè)蛋疼不是來(lái)源自技術(shù)而是來(lái)源自工具鏈。

由于《隱》的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)人數(shù)比較少，因此很多時(shí)候都只能使用現(xiàn)有的工具來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。由于模型師的習(xí)慣，針對(duì)于發(fā)型的設(shè)計(jì)是使用Maya的Shave插件，然后直接導(dǎo)出曲線數(shù)據(jù)，再在UE4中進(jìn)行導(dǎo)入操作。

但是這樣一來(lái)，發(fā)絲與發(fā)絲之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就被破壞了。導(dǎo)出之后的曲線數(shù)據(jù)不帶有“哪三根曲線是在同一個(gè)三角面上”的信息，因此原本想好的三角面插值就難以實(shí)現(xiàn)了。

這個(gè)問(wèn)題嘛……實(shí)際上不隸屬與這個(gè)插件，難度也不大，但是由于涉及到工具鏈改變所帶來(lái)的成本因此暫時(shí)就這樣擱下了。目前的發(fā)絲插值是針對(duì)發(fā)絲插值總數(shù)進(jìn)行隨機(jī)的兩兩發(fā)絲配對(duì)，然后在渲染的時(shí)候在這兩根發(fā)絲之間進(jìn)行插值即可。

插值發(fā)絲的碰撞結(jié)算

這個(gè)問(wèn)題目前也還沒(méi)解決。發(fā)絲的插值的出現(xiàn)的目的主要是用于解決模擬發(fā)束太少而導(dǎo)致發(fā)絲稀疏的問(wèn)題，換句話說(shuō)，可能針對(duì)于類似于馬尾之類的簡(jiǎn)單發(fā)型，只需要四五根發(fā)絲進(jìn)行模擬結(jié)算，然后在這些發(fā)絲之間進(jìn)行插值即可，這樣能夠大大節(jié)省CPU運(yùn)算時(shí)間。

但是這樣的潛在問(wèn)題在于如果這幾根發(fā)絲之間有一些進(jìn)行了碰撞結(jié)算而其他的沒(méi)有進(jìn)行碰撞結(jié)算該怎么辦？如果直接進(jìn)行插值的話勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致有一些發(fā)絲直接進(jìn)入了碰撞體內(nèi)，但是如果針對(duì)于插值發(fā)絲再進(jìn)行碰撞結(jié)算則一來(lái)計(jì)算量將增大不少，二來(lái)只有碰撞結(jié)算而無(wú)長(zhǎng)度約束將導(dǎo)致發(fā)絲的極度詭異的狀況。

目前來(lái)看，插件提供的插值功能只適用與單側(cè)馬尾這一類走向統(tǒng)一，發(fā)束簡(jiǎn)單的發(fā)型。如果日后能夠解決三角面插值的問(wèn)題的話，這個(gè)問(wèn)題也將得到一定程度的解決。

線條網(wǎng)格（Line Primitive）

不同于三角網(wǎng)格，Line Primitive是用于線條的繪制。隨著現(xiàn)在機(jī)器性能的提升，大量的Line Primitive也不再是幻想了。

在這個(gè)迭代后，開(kāi)發(fā)者可以選擇是否使用LinePrimitive進(jìn)行模擬，并且也可以工作正常。但是可以預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題是：除非插值發(fā)絲的問(wèn)題得到解決，否則使用LinePrimitive勢(shì)必帶來(lái)極高的CPU運(yùn)算量。

或者……如果與TressFX一樣，將模擬邏輯寫(xiě)到GPU上，應(yīng)該也能解決這個(gè)問(wèn)題。

質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)

這個(gè)東西其實(shí)很簡(jiǎn)單也不需要多說(shuō)——越靠近發(fā)根的粒子質(zhì)量越大，越遠(yuǎn)離發(fā)根的粒子質(zhì)量越小。這樣一來(lái)在進(jìn)行物理模擬的時(shí)候?qū)⒏诱鎸?shí)。

下一步的計(jì)劃

GPU！GPU！GPU！

工具鏈！工具鏈！工具鏈！

GrowMesh的對(duì)應(yīng)邏輯。