ShaderX7 2.4.

Fast Skin Shading John Hable, George Borshukov, Jim Hejl

Shader Study ( http://cafe.naver.com/shader ) 임용균

Introduction

• 많은 게임들이 일반적인 라이팅 모델을 피부에도 적용함 으로 플라스틱 같은 느낌이 나 피부 같은 느낌이 없다.

• 피부는 판지와 같은 pure diffuse surface와는 매우 다르 다.

– – 근본적인 차이는 피부 안에서 빛들의 반사가 매우 다름에 있다.

피부는 투명도의 단계가 다른 여러 layer로 구성 되어 있다.

• 피부 밑에서 빛이 어떻게 통과하는지에 대한 빠른 시뮬 레이션의 구현 (PS3, Xbox 360 수준을 목표)

Background

• • GPU Gems 3 [d’EonGPUGems07] Subsurface scattering – – – Step1 : 빛이 피부에 닿음 •

diffuse light를 라이트맵에 렌더링

Step2 : 빛이 피부 아래에서 반사 됨 •

라이트맵을 블러링함으로 시뮬레이션

Step3 : 빛이 피부 밖으로 빠져나감. 카메라에 의해 보여짐 •

블러링된 빛을 diffuse map에 multiplying함으로 시뮬레이션

Diffuse

• • • 피부의 한 점의 diffuse를 계산하기 위해서는 그 점 주변의 들어오는 빛의 intensity를 알아야 한다.

diffusion dipole로 거의 해결되었다. [Donner05] – 빛과 점의 거리에 따라 red, green, blue의 intensity가 다른 커브를 발견.

diffusion dipole을 blur들의 합으로 분해할 수 있다.

– real-time으로 실행할 수 있다.

• • 5번의 7x7 gaussian blur가 1번의 50x50 gaussian blur보다 빠르다.

blur 회수를 조절하여 다양한 피부 타입을 나타내는것이 가능하다.

Variance (mm^2)

0.0064

0.0484

0.187

0.567

1.99

7.41

Red

0.233

0.100

0.118

0.113

0.358

0.078

Green

0.455

0.336

0.198

0.007

0.004

0

Blue

0.649

0.344

0 0.007

0 0

Our Contributions

• • blur의 samping pattern을 변경함으로 additional error 를 많이 줄일 수 있었다.

– d’Eon과 Leubke의 테크닉을 시뮬레이션 하지만 좀더 적은 tap을 이용한다. (~12 samples)

두개의 “링”을 이용하여 블러를 시뮬레이션

결과를 얻었다.

– – – 각각의 링을 6섹션으로 나눔 (총 12섹션) 섹션마다 jittered sample을 한다.

sample에 맞는 weight를 적용한다.

함으로 좋은

Our Contributions

{ float3 blurJitteredWeights[13] =

{ 0.220441, 0.437000, 0.635000 }, { 0.076356, 0.064487, 0.039097 }, { 0.116515, 0.103222, 0.064912 }, { 0.064844, 0.086388, 0.062272 }, { 0.131798, 0.151695, 0.103676 }, { 0.025690, 0.042728, 0.033003 }, { 0.048593, 0.064740, 0.046131 }, { 0.048092, 0.003042, 0.000400 }, { 0.048845, 0.005406, 0.001222 }, { 0.051322, 0.006034, 0.001420 }, { 0.061428, 0.009152, 0.002511 }, { 0.030936, 0.002868, 0.000652 }, { 0.073580, 0.023239, 0.009703 },

}; { float2 blurJitteredSamples[13] =

{ 0.000000, 0.000000 }, { 1.633992, 0.036795 }, { 0.177801, 1.717593 }, { -0.194906, 0.091094 }, { -0.239737, -0.220217 }, { -0.003530, -0.118219 }, { 1.320107, -0.181542 }, { 5.970690, 0.253378 }, { -1.089250, 4.958349 }, { -4.015465, 4.156699 }, { -4.063099, -4.110150 }, { -0.638605, -6.297663 }, { 2.542348, -3.245901 },

};

Our Contributions

•

blur pass

float3 totalColor = 0; float2 strectch = tex2D(StretchTextureBlurred, uv.xy).rg; float shadow = tex2D(LightMap, uv.xy).a; for (int i=0; i<=12; i++) totalColor += SubsurfaceJitterSampler(uv.xy, stretch, i);

Our Contributions

• High-Z – – Light map 렌더링 패스에서 depth를 기록한다.

• depth = dot(N, V) * 0.5 + 0.5

High-Z를 사용하여 오직 앞면의 폴리곤에 blur를 적용한다.

• 위의 공식에서는 depth가 0.5이상인 픽셀만 blur를 적용하면 된다.

• Texture Size – Light map blur 텍스쳐는 원래의 Diffuse texture보다 작은것을 이용한다.

(512x512 fp16RGBA buffer)  Sharpness가 많이 사라지는 문제 발생  Capture 장비 일 경우 자동 Blur 현상  최종 합성 단계에서 diffuse map과의 합성

Our Contributions

• Shadow – – – Light map 렌더링 패스에서 shadow를 alpha channel에 포함 lighting을 픽셀마다 두번 해야 되는 단점이 있다.

• Diffuse component를 계산하는 것은 Specular component보다 저렴하므로 큰 문제는 아니다.

Light map이 블러링 되면서 자연스러운 soft shadow를 얻을 수 있다.

Specular

• • • • 피부는 실제적으로 매우 광택이 있다.

Phong 모델은 적합하지 않음 – 하나의 퐁 모델이 나타내는 범위로는 비슷하게 표현이 불가능 적합한 Specular 모델은?

– – – 여러 개의 범위를 나타낼수 있는 모델이어야 한다. built-in fresnel term이 있어야 한다.

grazing angle에서 specular highlight가 더 밝아야 한다.

Kelemen-Szirmay-Kalos [Kelemen01]

모델을 사용 – 그러나 비용이 비싸다.

Variation Across the Face

• 얼굴의 모든 부분에 하나의 라이팅 모델을 적용하는 것은 맞 지 않다.

– – 특정 부분은 다른 부분보다 더 밝다.

부위마다 subsurface scattering 효과도 다르다.

• Specular Map을 추가하여 Specular를 제어 한다.

– 드라마틱하게 향상되지는 않지만 추천하는 방법 • Subsurfacy Map을 추가하여 subsurface scattering을 제어 – – 크게 향상되지는 않지만 다른 느낌을 준다.

다양한 느낌을 원한다면 이용 할 만 하다. (older dark-skinned male VS young white female)

Final Shader

float diffuse = saturate(dot(lightVec, normal)); float finalShadow = tex2D(LightmapCombineBlur, uv.xy).w; float3 readModelColor = pow(tex2D(HeadDiffuse, uv.xy), 2.2); float4 outColor = float4(0, 0, 0, 1); float3 linearLightColor = pow(lightColor, 2.2) * lightBrightness; float3 diffusePoint = Kd * linearLightColor * diffuse * finalShadow; float lightmapAmount = tex2D(StretchTexture, uv.xy).b; float3 diffuseBlurred = Kd * tex2D(LightmapCombinedBllur, float2(uv.x, uv.y)).rgb; diffuseColor = blurJitteredWeights[0] diffusePoint + lerp((float3(1, 1, 1) – blurJitteredWeights[0]) * diffusePoint, diffuseBlurred, lightmapAmount); specular = KelemenSzirmauKalosSpec(normalize(viewVec), normal, lightVec, eccentricity, rolloff, weight); outColor.rgb = Ao * Ka * realModelColor + (diffuseColor * realModelColor + kS * linearLightColor * specular * finalShadow);

Data Preparation

• 실사적인 결과물을 얻기 위해서는 스캔 데이터를 이용하 는 것을 추천 – 데모에 사용된 머리는 XYZRGB로 스캔되었음 • Gamma correction이 핵심적으로 필요함 – 적절한 gamma correction이 diffuse map들에 적용되어야 한다.

• Normal map이 중요함 – – 실제 얼굴의 표면은 매우 울퉁불퉁하다.

Subsurface scattering은 모습을 부드럽게 한다.

Conclusion

• • 기존의 방법들(Doug Jones Demo)과 비슷한 결과물을 내면서 속도는 10배 정도 빠르다.

– Xbox360에서 512x512 buffer blur step을 0.45ms에 실행한다.

Doug Jones Demo에 비해 품질이 떨어지는 부분이 있다.

– – “fleshiness” • 적은 커널을 사용함으로 red channel의 넓은 blur를 정확히 표현하지 못한다.

미묘한 부분의 생략 • • • • Stretching에 약간의 문제가 있음 low stretch부분이 high stretch부분과 만나는 지점 알아차릴만한 blurring artifacts가 발생함 귀 주변과 같은 부분