人体皮肤真实感实时渲染研究

杨蒙召 王宽全

摘要：人体皮肤是一种高度散射的半透明材质，与光线之间的交互过程很难建模和模拟，因此皮肤的真实感实时渲染比较困难。从基于模糊化处理的渲染、基于纹理空间的渲染和基于屏幕空间的渲染等三方面，对皮肤真实感实时渲染进行综述，详细分析了每种方法实现的思路和原理，方法之间的改进和差异，对各种方法的优缺点和适用范围作了总结和比较等，最后给出了将来研究的方向。

关键词：人体皮肤； 模糊化处理； 纹理空间； 屏幕空间

中图分类号：TP39141 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2013）06-0033-03

0引言

目前，随着三维游戏、影视动画、虚拟现实等产业的迅猛发展，真实感渲染技术也在不断进步和普及应用中。在影视娱乐行业，角色人物往往很难完成某些特效动作，比如人物从高楼坠下、人物在海面上行走或者某些超难度动作等，但是借助渲染技术可以设计和主人公外观逼真的虚拟人，帮助完成这些场景中的特效动作，如此这般已经制造出品了多部优秀的电影，比如《黑客帝国》、《指环王》、《阿凡达》和《冰河世纪》等好莱坞经典电影。在当今的三维虚拟人物设计中，都在追求电影级别的高真实感，这就带来了庞大的图形图像数据，占用的内存也很多，每一帧的计算量相应都大。这就使得人物和场景的移动和切换均会变得较慢，从而给用户带来延迟感和停顿感。如此就要求虚拟人外观在具有真实感和形象感的同时，渲染的帧速也必须日愈改进，以满足交互性和实时性，这一需求已成为当前虚拟人设计的重点和难点。

人体皮肤渲染方法可以分为离线渲染（Offline Rendering）和实时渲染（Real-time Rendering），离线渲染强调渲染的真实感，而实时渲染则强调渲染的实时性，离线渲染常常为实时渲染提供一些研究思路和理论基础。从皮肤渲染的研究内容来看，包括皮肤材质的生理分析、皮肤属性的测量、测量设备的开发、渲染算法的研究和实现等等，由于本文所关注是渲染算法的研究，因此仅从渲染方法的研究进展方面进行综述。

本文结构如下： 第1部分介绍基于模糊化处理的实时渲染；第2部分阐述基于纹理空间的实时渲染；第3部分论述基于屏幕空间的实时渲染；第4部分对本文进行了总结和展望。

1基于模糊化处理的实时渲染

2003年，Borshukov和Lewis[1]首次提出使用自定义的内核高斯函数对二维的漫反射光照纹理，进行模糊化处理，在纹理空间中模拟次表面散射，在绘制皮肤时，通过微小的颜色漂移来表现人体皮肤的散射效果。通过观察，可发现皮肤自然的次表面散射效果，会导致粗糙的皮肤变得模糊化，这类似于二维图像的模糊化，因此可以对皮肤的高频纹理信息进行多次高斯模糊化处理，来模拟皮肤的次表面散射现象。高斯函数的参数采用红、绿、蓝三种颜色光在半透明皮肤材质中的传播系数，该项技术成功应用在电影《黑客帝国》及其续集中，采用真实感的虚拟人，充当电影中的人物角色，方便地实现了影视人物特效，同时满足了观众的视觉要求。但其合成的高斯权重参数并未参考任何物理模型，而是依凭艺术家的感觉进行手工调节。

Borshukov和Lewis在2005年开设的SIGGRAPH课程中[2]，又进一步使用两个简单分布曲线：一个比较平坦起伏的曲线，另一个形如尖峰的曲线，分别刻画表皮层较窄的扩散和真皮层较宽的扩散，如此形象地模拟光线在皮肤内部的散射效果，但是该技术未能有效捕捉皮肤微妙的多层次散射效果。

在Borshukov等人方法的基础上，Gosselin[3]于2004年使用Poisson圆盘分布函数，模糊化辐射照度图，借助于两个缓存，对扩散光照图执行多次模糊，最后基于GPU图形硬件，实时取得了一个柔和的、真实感的外观。另外，Gosselin还执行三个GPU加速技术，即背面剔除、视区裁剪和距离裁剪，增强了渲染的实时性。

Green[4]则提出使用深度图模拟光线衰减和吸收，采用高斯模糊模拟纹理空间的漫反射。该研究指出对光线吸收的模拟是半透明材质最重要的因素之一，光线在皮肤中传播得越远，吸收和散射得就越厉害，为了模拟这种效果，采用深度图[5]估算光在物体中传播的距离，具体如图1所示，从而估算得到入射光线到出射光线的指数衰减情况。

利用深度图，一旦计算得到光在物体中的传播距离，就可以用一个指数项刻画光线的衰减，再结合传统的光照明模型，就可以模拟光线在薄层部分的背光效果，增强皮肤的半透明性。

2基于纹理空间的实时渲染

NVIDIA的Eugene dEon等人[6，7]提出了纹理空间扩散方法（Texture Space Diffusion， TSD），利用高斯函数卷积线性之和，在纹理空间中模拟次表面散射，比较准确地近似Donner等人的多极子对偶方法[8]，得到了接近物理真实的皮肤绘制效果。对比NVIDIA和Donner的离线绘制结果，皮肤渲染的效果虽然几乎不分上下，但NVIDIA在Gefore 8800却可以达到实时的绘制速度。TSD渲染流程如图2所示。

通过观察和物理实验，d Eon 等人指出光线在皮肤中次表面扩散剖面（Diffusion Profile），类似于高斯函数曲线，因此可以利用高斯函数卷积和模拟次表面散射。通常四个高斯函数就可以很好地近似单一薄层的漫反射剖面，然而对于Donner等人刻画的三层皮肤模型，需要使用六个高斯函数线性求和，才能很好地近似皮肤的漫反射剖面。

为了防止网格的纹理参数化，出现纹理扭曲现象，需要在纹理高斯卷积过程中，添加UV空间的拉伸矫正处理。对于半透明性所表现出来的背光效果，d Eon等人则采用改进的半透明深度图（Translucent Shadow Map， TSM）方法[9]进行计算。

对于皮肤表面的高光反射，d Eon等人使用一个基于物理的KS反射模型（Kelemen Szirmay-Kalos， KS）[10]，并允许调整面部不同的粗糙度，真实模拟了表面反射。

为了进一步提高纹理空间渲染的实时性，Jimenez和Gutierrez等人[11]从三个方面提出优化机制对渲染过程进行改进。首先，剔除辐射照度图（Culled Irradiance Map），每次渲染时，无需对所有像素点进行处理，由于自身几何遮挡，有些像素点根本不在视角范围之内，所以可以利用背面剔除技术（Backface Culling Techniques）在辐射照度图剔除遮挡像素点。其次，采用基于深度的辐射照度图（Depth-based Irradiance Map），根据渲染头像的视角距离深度，调整辐射照度图的尺寸。最后，裁剪辐射照度图（Clipped Irradiance Map），在传统的渲染管线中，视锥外面的头像某一部分会被裁剪，因此不必对这部分进行计算，在渲染之前，可以采用变化矩阵，计算出被裁减的部分，在渲染时，不需对此部分进行计算。在显卡 GeForce 8800 GTX的平台上，Jimenez等人取得每帧的加速度为1.10到2.77之间。

Hable等人[12]提出了一种快速次表面散射（Fast Subsurface Scattering）方法。该方法使用背面消隐技术，也对纹理空间方法进行优化，而且此法在13个抖动采样点（Jittered Sampling）上，采用12个抖动步长（Jittered Tap）的模糊核，计算一个二维的卷积，很好地解释了直接反射、中级散射和红色光相对远的散射，得到了真实感皮肤的模拟。

3基于屏幕空间的实时渲染

Jimenez等人[13]提出了屏幕空间渲染方法（Screen Space Rendering， SSR），对于次表面散射的模拟，不同于TSD方法对初始辐射照度图（Irradiance Map）进行高斯模糊然后求和，SSR 方法则利用Gillham 等人的方法[14] 将深度图（Depth Map）线性化处理，结合二维抖动采样[12]和6个一维的高斯核，直接对最终的渲染图像进行卷积模糊。

对于表面高光反射，该方法同样采用KS模型[10]实现表面反射的模拟。最后结合次表面散射和表面反射模拟，得到近似TS的渲染结果，其渲染流程如图3 所示。

SSR追求和TSD相同级别的真实感，然而却在屏幕空间的后处理阶段执行散射模拟，由此简化了渲染流程。同时在渲染每一帧时，SSR借助于GPU所提供的深度模板缓冲区（Stencil Buffer）和颜色缓存（Color Buffer），利用模板测试决定是否更新相应像素点的颜色值，可以很容易剔除不需要处理的像素，在很大程度上提升了渲染的执行速度，尤其当着色目标向远离视点的方向移动，所占的屏幕区域愈来愈小时，效果则更为突出，因此SSR取得了优于TSD的实时性。

SSR 方法还能解决 TSD 方法中遇到的缩放和细缝问题（Scaling and Seam Issues），由编程实现角度和算法复杂度进行衡量，也优于TSD方法，但是SSR方法渲染的环境应在DX10以上，而且当光线从物体后面照亮时，在透明度的模拟方面，该方法渲染的结果也没有TSD准确。

国内针对皮肤真实感实时渲染的研究还不多见，2009年，王家良[15]介绍了皮肤渲染所取得的部分研究成果，最后实现了毛发的渲染，虽然一定程度上增加了皮肤的真实感，但并不是针对皮肤本身的渲染。2011年，浙江大学的蔡飞龙[16]在其博士论文的第六章，借鉴NVIDIA的纹理空间扩散方法，利用商业渲染器Vray，实现了适合京剧脸谱的真实感绘制，但是在渲染算法本身并未取得任何实质性改进，只是将渲染对象做了稍微改变。同时，由于高精度的表情动画数据难以捕获和制作，还没有办法实现真实感的脸谱动画。

4结束语

随着图形可编程硬件GPU功能的不断提升，近年来，借助于高级着色语言和CG技术，使得针对人体皮肤的真实感实时渲染研究，已经有了很大的突破和可观的成果，能够满足影视娱乐、三维游戏和其他虚拟场景的需要。经典的渲染方法，如模糊化渲染、纹理空间渲染和屏幕空间渲染，能够得到真实感的人体皮肤，这些方法虽然取得真实感的面部，但是渲染的帧速仍然较少，实时性也较低。在某些应用中，比如大型三维游戏和互动虚拟场景中，除了对画面的真实感要求以外，更加强调渲染的实时性，以保证操纵场景人物时系统运行的流畅性，没有延迟感和停顿感。另外，真实感算法的设计不能太过于复杂，要易于和当前GPU可编程渲染管线结合。

参考文献：

[1]BORSHUKOV G， LEWIS J P. Realistic human face rendering for the matrix reloaded[C]//ACM SIGGRAPH Sketches and Applications Program. California： ACM， 2003：13–23.

[2]BORSHUKOV G， LEWIS J. Realistic human face rendering for the matrix reloaded[C]//ACM Siggraph 2005 Courses. Los Angeles： ACM， 2005：13-23.

[3]GOSSELIN D. Real time skin rendering[C]//Game Developer Conference， D3D Tutorial. San Jose： GDC， 2004，9.

[4]GREEN S. Real-time approximations to subsurface scattering[J]. GPU Gems， 2004：263–278.

[5]HERY C. Implementing a skin bssrdf[C]//ACM SIGGRAPH Computer Graphics. San Diego： ACM， 2003：73–88.

[6]dEON E， LUEBKE D. Advanced techniques for realistic real-time skin rendering[M]. Gpu gems 3， 2007：293–347.

[7]dEON E. NVIDIA Demo team secrets-advanced skin rendering[C]//Game Developer Conference， San Francisco： GDC， 2007.

[8]DONNER C， JENSEN H W. Light diffusion in multi-layered translucent materials[J]. ACM Transactions on Graphics， 2005， 24（3）：1032–1039.

[9]DACHSBACHER C， STAMMINGER M. Translucent shadow maps[C]//Proceedings of the 14th Eurographics Workshop on Rendering. Leuven： Eurographics Association， 2003：197–201.

[10]KELEMEN C， SZIRMAY-KALOS L. A microfacet based coupled specular-matte BRDF model with importance sampling[C]//Eurographics Short Presentations. Manchester： Eurographics Association， 2001：25–34.

[11]JIMENEZ J， GUTIERREZ D. Faster rendering of human skin[C]//Proceedings of the Congreso Espanol de Informatica Grafica. Zaragoza： Eurographics Association， 2008：21–28.

[12]HABLE J， BORSHUKOY G， HEJL J. Fast skin shading[J]. Shader X7， 2009：161–173.

[13]JIMENEZ J， SUNDSTEDT V， GUTIERREZ D. Screen-space perceptual rendering of human skin[J]. ACM Transactions on Applied Perception， 2009， 6（4）：3–13.

[14]GILLHAM D. Real-time depth-of-field implemented with a post processing-only technique[J]. Shader X5： Advanced Rendering Techniques， 2007：163–175.

[15]王家良. 人体皮肤实时渲染的初步研究[D]. 青岛：青岛大学， 2009.

[16]蔡飞龙. 京剧脸谱数字化建模与绘制技术研究[D]. 杭州：浙江大学， 2011.