ShaderX7 2.4.

Fast Skin ShadingJohn Hable, George Borshukov, Jim Hejl

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

Introduction• 많은 게임들이 일반적인 라이팅 모델을 피부에도 적용함으로 플라스틱 같은 느낌이 나 피부 같은 느낌이 없다 .

• 피부는 판지와 같은 pure diffuse surface 와는 매우 다르다 .– 근본적인 차이는 피부 안에서 빛들의 반사가 매우 다름에 있다 .– 피부는 투명도의 단계가 다른 여러 layer 로 구성 되어 있다 .

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

Background• GPU Gems 3 [d’EonGPUGems07]• Subsurface scattering

– Step1 : 빛이 피부에 닿음• diffuse light 를 라이트맵에 렌더링

– Step2 : 빛이 피부 아래에서 반사 됨 • 라이트맵을 블러링함으로 시뮬레이션

– Step3 : 빛이 피부 밖으로 빠져나감 . 카메라에 의해 보여짐• 블러링된 빛을 diffuse map 에 multiplying 함으로 시뮬레이션

Diffuse• 피부의 한 점의 diffuse 를 계산하기 위해서는 그 점 주변의 들어오는 빛의 intensity 를 알아야 한다 .• diffusion dipole 로 거의 해결되었다 . [Donner05]

– 빛과 점의 거리에 따라 red, green, blue 의 intensity 가 다른 커브를 발견 .• diffusion dipole 을 blur 들의 합으로 분해할 수 있다 .

– real-time 으로 실행할 수 있다 .• 5 번의 7x7 gaussian blur 가 1 번의 50x50 gaussian blur 보다 빠르다 .• blur 회수를 조절하여 다양한 피부 타입을 나타내는것이 가능하다 .

Variance (mm^2)

Red Green Blue

0.0064 0.233 0.455 0.6490.0484 0.100 0.336 0.3440.187 0.118 0.198 00.567 0.113 0.007 0.0071.99 0.358 0.004 07.41 0.078 0 0

Our Contributions• blur 의 samping pattern 을 변경함으로 additional er-

ror 를 많이 줄일 수 있었다 .– d’Eon 과 Leubke 의 테크닉을 시뮬레이션 하지만 좀더 적은 tap을 이용한다 . (~12 samples)

• 두개의 “링”을 이용하여 블러를 시뮬레이션 함으로 좋은 결과를 얻었다 .– 각각의 링을 6 섹션으로 나눔 ( 총 12 섹션 )– 섹션마다 jittered sample 을 한다 .– sample 에 맞는 weight 를 적용한다 .

Our Contributionsfloat3 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 passfloat3 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 depth 를 기록한다 .• depth = dot(N, V) * 0.5 + 0.5

– High-Z 를 사용하여 오직 앞면의 폴리곤에 blur 를 적용한다 .• 위의 공식에서는 depth 가 0.5 이상인 픽셀만 blur 를 적용하면 된다 .

• Texture Size– Light map blur 텍스쳐는 원래의 Diffuse

texture 보다 작은것을 이용한다 .(512x512 fp16RGBA buffer)

Þ Sharpness 가 많이 사라지는 문제 발생Þ Capture 장비 일 경우 자동 Blur 현상Þ 최종 합성 단계에서 diffuse map 과의 합성

Our Contributions• Shadow

– Light map 렌더링 패스에서 shadow 를 alpha channel 에 포함– lighting 을 픽셀마다 두번 해야 되는 단점이 있다 .

• Diffuse component 를 계산하는 것은 Specular component 보다 저렴하므로 큰 문제는 아니다 .– Light map 이 블러링 되면서 자연스러운 soft shadow 를 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 term 이 있어야 한다 .– grazing angle 에서 specular highlight 가 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 Map 을 추가하여 Specular 를 제어 한다 .– 드라마틱하게 향상되지는 않지만 추천하는 방법

• Subsurfacy Map 을 추가하여 subsurface scattering 을 제어– 크게 향상되지는 않지만 다른 느낌을 준다 .– 다양한 느낌을 원한다면 이용 할 만 하다 .

(older dark-skinned male VS young white female)

Final Shaderfloat 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 이용하는 것을 추천

– 데모에 사용된 머리는 XYZRGB 로 스캔되었음• Gamma correction 이 핵심적으로 필요함

– 적절한 gamma correction 이 diffuse map 들에 적용되어야 한다 .

• Normal map 이 중요함– 실제 얼굴의 표면은 매우 울퉁불퉁하다 .– Subsurface scattering 은 모습을 부드럽게 한다 .

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

– Xbox360 에서 512x512 buffer blur step 을 0.45ms 에 실행한다 .• Doug Jones Demo 에 비해 품질이 떨어지는 부분이 있다 .

– “fleshiness”• 적은 커널을 사용함으로 red channel 의 넓은 blur 를 정확히 표현하지 못한다 .

– 미묘한 부분의 생략• Stretching 에 약간의 문제가 있음• low stretch 부분이 high stretch 부분과 만나는 지점• 알아차릴만한 blurring artifacts 가 발생함• 귀 주변과 같은 부분