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 다르다.

– 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 시뮬레

이션의 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) Red Green Blue

0.0064 0.233 0.455 0.649

0.0484 0.100 0.336 0.344

0.187 0.118 0.198 0

0.567 0.113 0.007 0.007

1.99 0.358 0.004 0

7.41 0.078 0 0

Our Contributions

• blur의 samping pattern을 변경함으로 additional error를

많이 줄일 수 있었다.

– d’Eon과 Leubke의 테크닉을 시뮬레이션 하지만 좀더 적은 tap을

이용한다. (~12 samples)

• 두개의 “링”을 이용하여 블러를 시뮬레이션 함으로 좋은

결과를 얻었다.

– 각각의 링을 6섹션으로 나눔 (총 12섹션)

– 섹션마다 jittered sample을 한다.

– sample에 맞는 weight를 적용한다.

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 발생Capture 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 있

다.

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 맞지

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 내

면서 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