原理化毛发 BSDF

黑色素浓度下的原理化毛发BSDF节点。

仅 Cycles

原理化毛发 BSDF 是一个基于物理的,易于使用的着色器,用于渲染头发和毛发。

Tip

逼真的头发应该在每条发股间具有些许差异。该着色器利用 随机色彩随机粗糙度 来实现上述效果。实现方式是将 黑色素/粗糙度 的比值重新映射到 \(色彩/糙度 \pm 随机化\%\)

输入

颜色

发股的RGB颜色。仅在直接着色模式下起作用。

Hint

使用以下公式将所选颜色转换为吸收系数(参见 4.2 章 [CBTB16]):

\[\sigma_{a} = \frac{\ln(Color)} {\left(5.969 - 0.215\beta_{N} + 2.532\beta_{N}^{2} - 10.73\beta_{N}^{3} + 5.574\beta_{N}^{4} + 0.245\beta_{N}^{5}\right)^{2}}\]

在指定了径向粗糙度的情况下,\(\beta_{N}\) 是应用随机化后头发的径向粗糙度。

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-color.jpg

使用直接着色参数化头发颜色。(顶部为RGB参数。)

黑色素

色素的绝对值。范围: \([0, 1]\) 对应于 \([0\%, 100\%]\)

Hint

这是对下面基础指数函数的线性映射:

\[melanin\_qty = -\ln(\max(1.0 - Melanin, 0.0001))\]
../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-melanin.jpg

黑色素。

黑色素红

褐黑素与真黑素的比例。范围: \([0, 1]\) 对应于 \([0\%, 100\%]\)

Hint

The ratio formula is: \(eumelanin = Melanin*(1.0-MelaninRedness)\), \(pheomelanin = Melanin*MelaninRedness\).

在随机化后,得到的最终值会通过下式转化为吸收浓度(参见 6.1 章 [EFHLA11], 范围调整为 \([0, 1]\)):

\[\begin{split}\sigma_{a} = eumelanin * \left[\begin{matrix} 0.506 \\ 0.841 \\ 1.653 \\ \end{matrix}\right] + pheomelanin * \left[\begin{matrix} 0.343 \\ 0.733 \\ 1.924 \\ \end{matrix}\right]\end{split}\]
../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-melanin-redness.jpg

黑色素红。

染色

生成染发效果。不受随机化的影响。可以通过将颜色设置为白色来禁用它。

Hint

计算方式是通过将上面的 颜色 转换并添加到黑色素浓度的吸收系数中。

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-tint.jpg

染色效果。黑色素值设定为 0.1,其余为RGB数值。

吸收系数

吸收系数 \(\sigma\)

粗糙度

指定在发干方向上平滑的闪光量。值过低会使头发平滑到看起来几乎是金属的,使闪光看起来像 光斑 ;而将其设置得太高将导致兰伯式的外观。

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-roughness.jpg

糙度。

径向粗糙度

指定在头发正常方向上平滑的闪光量。值过低会集中闪光;当它设置得太高时,光线会分散到线的宽度上。

Hint

从数学层面上理解为:该参数可以映射到逻辑分布的比例因子 \(s\) 上 (参见 4.1 章 [CBTB16])。

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-radial-roughness.jpg

径向粗糙度。

涂层

通过将粗糙度降低到给定的数值,来模拟第一次光反射(漫反射),进而模拟出一层闪亮的毛发。范围: \([0, 1]\) 对应于将原始糙度调节至 \([0\%, 100\%]\)

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-coat.jpg

涂层。

IOR

折射率 (IOR) 定义光线改变方向的程度。折射率设定为1.0时,光线可直接透过;值越高,折射越强。默认值为 \(1.55\)

偏移量

通过增加头发角质层相对于发股的角度来倾斜头发的闪烁。人类的头发通常具有较低的偏移值。

随机色彩

对于每根发股,通过 \(随机系数\) 改变黑色素浓度。范围: \([0, 1]\) 对应于初始黑色素浓度 \([0\%, 100\%]\)

Hint

The melanin concentration is multiplied by \(randomFactor\), where \(randomFactor = 1.0 + 2.0*(Random - 0.5) * RandomColor\).

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-random-color.jpg

随机色彩。

随机粗糙度

对于每根发股,通过 \(随机系数\) 改变糙度。范围: \([0, 1]\) 对应于初始糙度值 \([0\%, 100\%]\)

Hint

使用的公式与 随机色彩 中的一致。

../../../_images/render_shader-nodes_shader_hair-principled_demo-random-roughness.jpg

随机粗糙度。

随机

产生随机数。如果没有与其它节点相连,则从 毛发信息 ‣ 随机 中获取随机数。

属性

颜色参数化

该着色器共有三种 参数化 的方式来对毛发进行着色。

直接着色

选择所需的RGB颜色,着色器会粗略计算必要的 吸收系数 (吸收系数详细说明见下文)。

黑色素浓度

现实生活中,真黑素(在棕黑色头发中普遍存在)和褐黑素(红色头发)的数量和比例决定着毛发的颜色。该模式利用输入的 黑色素 数值来确定两者的数量,利用输入的 黑色素红 的值来确定两者的比例,进而实现对毛发进行着色。提高浓度会加深毛发颜色(下面的五个颜色示例都是在 黑色素红 设定为 \(1\) 时的结果):

  • 白色(黑色素值设为 \(0\)

  • 亚麻色 (黑色素值设为 \(0.25\))

  • 淡红色 (黑色素值设为 \(0.5\))

  • 棕色 (黑色素值设为 \(0.75\))

  • 黑色 (黑色素值设为 \(1\))

设定好上述参数后,可利用 染色 输入项来实现染发的效果。

吸收系数

指定由 Beer-Lambert law. 定律确定的衰减系数 \(\sigma_{a}\)。该模式主要针对技术用户,以便于他们直接使用文献中报道的系数。

输出

BSDF

标准着色器输出。

参考文献

This shader is an implementation of the paper by Chiang et al. [CBTB16], which was used in the Disney film, "Zootopia"®.

CBTB16(1,2,3)

Chiang, M. J. , Bitterli, B. , Tappan, C. and Burley, B. (2016), A Practical and Controllable Hair and Fur Model for Production Path Tracing. Computer Graphics Forum, 35: 275-283. doi:10.1111/cgf.12830

EFHLA11

d'Eon, E. , Francois, G. , Hill, M. , Letteri, J. and Aubry, J. (2011), An Energy‐Conserving Hair Reflectance Model. Computer Graphics Forum, 30: 1181-1187. doi:10.1111/j.1467-8659.2011.01976.x