¿Cómo funciona el renderizado de cabello en tiempo real?

Es de conocimiento común que la simulación y el renderizado de cabello es particularmente desafiante y de hecho son raros los ejemplos en juegos que proponen pelos creíbles. Es bastante fácil imaginar lo difícil que es simular realmente la gran cantidad de fibras y simular los diversos eventos de dispersión que pueden ocurrir entre tantos hilos, y mucho menos el hecho de que cada uno de ellos es translúcido.

¿Alguien puede formalizar cuáles son los principales desafíos en el procesamiento del cabello, especialmente para escenarios en tiempo real? ¿Cómo se superan con las técnicas más avanzadas? ¿Hay algunos modelos teóricos estándar de facto utilizados?

Para aclarar, en tiempo real no necesariamente me refiero a un contexto de juego.

Perdón por la mala calidad de mi respuesta. Actualmente no tengo acceso a una computadora y editar desde mi teléfono no es una tarea sencilla. En particular, me encantaría poder pegar imágenes.

Yo diría que los principales desafíos de simular el cabello son:

• replicando su reacción muy específica a la iluminación (como material)
• replicando su propiedad volumétrica (como una geometría)
• animándolos de manera realista

Aquí hay una lista de referencias que reuní sobre el tema, ordenadas cronológicamente (principalmente sobre la parte de representación) :

1. JAMES T. KAJIYA, TIMOTHY L. KAY, renderizando pieles con texturas tridimensionales , 1989
2. JEROME LENGYEL, EMIL PRAUN, ADAM FINKELSTEIN, HUGUES HOPPE, Piel en tiempo real sobre superficies arbitrarias , 2000
3. STEPHEN R. MARSCHNER, HENRIK WANN JENSEN, MIKE CAMMARANO, Dispersión de luz de fibras de cabello humano , 2003
4. ARMIN BRUDERLIN, SUNIL HADAP, TAE-YONG KIM, NADIA MAGNENAT-THALMANN, ULRICH NEUMANN, YIZHOU YU, STEVE WORLEY, Modelado, animación y renderizado fotorrealistas de cabello, Curso Siggraph 2003
5. THORSTEN SCHEUERMANN, Renderizado y sombreado del cabello, ShaderX3, 2004
6. THORSTEN SCHEUERMANN, Renderizado y sombreado del cabello , ATI / GDC 2004
7. THORSTEN SCHEUERMANN, Renderizado y sombreado práctico del cabello en tiempo real , ATI / Siggraph 2004
8. THORSTEN SCHEUERMANN, Renderizado y sombreado práctico del cabello en tiempo real , ATI / Siggraph 2004 (diapositivas)
9. MARTIN KOSTER, JORG HABER, HANS-PETER SEIDEL, Representación en tiempo real del cabello humano utilizando hardware gráfico programable , 2004
10. HUBERT NGUYEN, WILLIAM DONNELLY, Animación y renderizado de cabello en la demostración de Nalu , GPU Gems 2 (Capítulo 23), 2005
11. LENA PETROVIC, MARK HENNE, JOHN ANDERSON, Métodos volumétricos para simulación y renderizado de cabello , Pixar 2006
12. CHRISTOPHE HERY, RAVI RAMAMOORTHI, Muestreo de importancia de los reflejos de las fibras capilares , Pixar 2007
13. SARAH TARIQ, LOUIS BAVOIL, Renderizado de cabello en tiempo real en la GPU , Siggraph 2008.
14. ARNO ZINKE, CEM YUKSEL, ANDREAS WEBER, JOHN KEYSER, Aproximación de dispersión dual para dispersión rápida y múltiple en el cabello , Siggraph 2008
15. IMAN SADEGHI, HEATHER PRITCHETT, HENRIK WANN JENSEN, RASMUS TAMSTORF, un sistema de sombreado de cabello amigable con los artistas , 2010
16. EUGENE D'EON, GUILLAUME FRANCOIS, MARTIN HILL, JOE LETTERI, JEAN-MARIE AUBRY, Un modelo de reflectancia capilar que ahorra energía , 2011
17. XUAN YU, JASON C. YANG, JUSTIN HENSLEY, TAKAHIRO HARADA, JINGYI YU, Un marco para representar efectos de dispersión complejos en el cabello , 2012
18. JIAWEI OU, FENG XIE, PARASHAR KRISHNAMACHARI, FABIO PELLACINI, ISHair: Muestreo de importancia para la dispersión del cabello , 2012
19. SARAH INVERNIZZI, Sobre la representación del cabello con base física , 2013
20. WOLFGANG ENGEL, Renderizado de cabello en Tomb Raider , 2013
21. EUGENE D'EON, STEVE MARSCHNER, JOHANNES HANIKA, Muestreo de importancia para modelos de fibra capilar con base física , 2013
22. TIMOTHY MARTIN, WOLFGANG ENGEL, NICOLAS THIBIEROZ, JASON YANG Y JASON LACROIX, TressFX: Procesamiento avanzado de cabello en tiempo real , GPU Pro 5, 2015
23. LEONID PEKELIS, CHRISTOPHE HERY, RYUSUKE VILLEMIN, JUNYI LING, un modelo de dispersión de luz basado en datos para el cabello , Pixar 2015

Todavía no leí todo este material, pero aquí hay un poco de lo que recuerdo (estoy más interesado en las soluciones en tiempo real):

• Kajiya-kay sentó las bases para una representación realista del cabello / pelaje
• Marschner propuso un modelo mejorado, y señaló que el cabello tiene dos reflejos especulares distintos (uno blanco debido a la reflexión directa, el otro coloreado y brillante debido a la reflexión dentro de la fibra capilar)
• Scheuermann propuso aproximaciones para simular el comportamiento descrito por Marschner, aproximaciones adecuadas para el tiempo real (utilizando trucos como dos reflejos especulares separados, desplazamiento especular diseñado por el artista y exponente, texturas de ruido). También propuso usar tres pases de renderizado (opaco, transparente atrás y frente) de polígonos para simular las cualidades "volumétricas" del cabello.
• La mayoría de los juegos de los que escuché parecen usar enfoques de Scheuermann para sombrear el cabello. Sin embargo, esta no es una solución que ahorre energía. Sin embargo, creo que d'Eon intenta solucionar este problema en el documento de 2011.
  Otro tema de interés es el uso de teselación, que también se ha utilizado recientemente para reemplazar el enfoque poligonal y simular hebras de cabello individualmente.

El mundo de renderizado sin conexión intenta resolver desafíos más avanzados. Creo que la mayoría de ellos se describen en las referencias anteriores.