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2012年11月23日到24日举办的【SQUARE ENIX 开放会议 2012】中，提出了很多暗示次世代游戏开发的最新技术，继续前篇的，是在开放会议第2天进行的，关于【Agni's Philosophy】的实时图形技术解说会议的中篇介绍。
前篇中，是对Agni's Philosophy的基本信息，以及【渲染管线的细节】【阴影生成】【全局照明】【环境光的自遮蔽】【皮肤表现】【眼球Shader】解说部分的报告，这次的中篇，主要是Agni和老人角色使用的毛发部分的解说。
第一篇：【Agni's Philosophy】使用的图形技术解说（前篇）
第三篇：【Agni's Philosophy】使用的最新图形技术（后篇）
Remi Driancourt（SQUARE ENIX 技术推进部 高级研发工程师）
制作头发和胡须的最新技术（1）~【线段方法】和【香蕉叶方法】 虽然存在感很普通，但要表现真实面部外观的重要的要素，就是【毛发】和【胡须】。现实世界里，【假发】和【假胡子】很容易被识破，人类【对脸的观察】是非常严格的。
所以，在Agni's Philosophy中，胡须和毛发的表现，也是要相当留意制作的部分，实际上，技术上挑战的部分也很多。
毛发的构造与光的传播模式图
Remi Driancourt氏介绍了关于头发的表现在实时3D图形的实现方面的几种技术。
第一种是，负荷比较高的，近年来在高端GPU上实现了的方法【全部头发用线段（Line Strip，Strand）来表现的方法】。 第二种是从PlayStation 2时代开始使用了10多年的古典的方法，用合适大小的板型多边形贴上毛发的Texture，在把这个作为一块头发来植入的方法。日本这种方法一般被称作【毛ヒレ(鳍)】，技术推进部把它称为【Banana Leaf】。
还有一种Driancourt氏没有介绍的毛发表现经常使用的方法。就是把毛发的断面图的Texture使用在堆积多层的多边形上来渲染的方法。称作Shell方法，近年来在动物的体毛表现使用的方法。
Agni's Philosophy的毛发表现，采用的把是Banana Leaf和Line Strip两种方法用LOD混合使用来实现
话说回来，Driancourt氏在这用Line Strip表现和Banana Leaf来表现的方法里进行选择，决定适当的把两种方法组合来使用。
因为线段方法有着负荷高，而品质也很高的特点，另外，Banana Leaf的方法的表现，比Line Strip的方法差，但可以低负荷的作出简单有体积感的毛发表现。这样，实际两种方法的使用的话，远景的时候增加Banana Leaf的使用率，进行LOD（Level of Detail）的控制，构筑了在品质和性能之间灵活变更的结构。
没有头发和胡子
只有Banana Leaf方法的头发
Banana Leaf方法制作的头发和Line Strip方法的头发组合的状况 制作头发和胡须的最新技术（2） Line Strip方法头发的模拟和Tessellation 前篇中也提到了，本作的【毛发】和【胡须】，是角色在【Maya】上进行3D建模是加入NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）曲线的控制点参数，在直接继承到Luminous Studio的实时渲染引擎里的形式进行绘制的。 由于角色运动或其他原因导致头发和胡须摇动的情况，对这个NURBS曲线的控制点使用物理模拟和动画。
给予头发运动的处理，把这个【NURBS控制点】作为粒子来看，用弹簧链接进行基本的弹簧物理的实现。因为旋转控制点不合适时变得不自然，避免这个在各个Joint部位加入角度控制。还有，基于粒子的弹簧物理是在GPU里用GPGPU进行的，几乎没有使用CPU
毛发的物理模拟 髪の毛の物理的な挙動デモ 用GPGPU实现的弹簧物理模拟来控制的主人公Agni的毛发。后半部分老人的胡须Demo中，可以看出毛发也有进行碰撞判断的样子。
虽然头发的NURBS控制点的位置可以很好的对用动画，但如果直接这样连接的话，就会变成折线一样的头发。而这里需要【柔顺的头发】。立刻想到了使用DirectX 11中增加的可编程Shader【Tessellation Stage】的方法，Agni's Philosophy中，使用了DirectX 11平台的GPGPU功能【Compute Shader】进行头发的Tessellation。
制作【柔顺头发】的Tessellation处理，是用Compute Shader进行的。
在Maya建模阶段加入的 Line Strip方法的头发和胡须，实际上并不是全部的毛发。制作的，可以也可以说是“代理”毛发和胡须，这样直接绘制的话，根数不足可以透过看到皮肤，感觉是【非常薄的毛发】状态。
这样就必须要进行【增毛】处理，也就要增加头发的线段（Line Strip）。 说到【增加线段】，一般会考虑使用Geometry Shader来进行多边形的增点，不过Agni's Philosophy的增毛是在Tessellation Stage中进行的，继之前的【使用Compute Shader做线段的分割】后，也是出乎意料的实现。
【Tessellation是把多边形做细分的Shader Stage】理解的话，但【用Tessellation Stage增加线段】的说法可能就难以理解。 知道DirectX 11的Tessellation Stage，作为分割对象的图元（ primitive）除了三角形和四边形外，还有线段可以选择的人应该很多。实际上，这时是把输入的线段生成感觉像平行线一样的等高线（Isoline）。
俄勒冈州立大学的论文，Tessellation Pattern的图解
Isoline Tessellation输入的线段生成等高线，NVIDIA的Sarah Tariq的论文
Agni's Philosophy中，线段生成的头发是用Tessellation Stage的Isoline Tessellation来进行增发处理的
这种用【Isoline Tessellation】复制增发的线段头发，如果不做处理看起来就像是工整排列的【成簇的头发】。只是单纯表现的话，或许这样就可以的。 但是，也可以在Domain Shader中，把复制的头发分别向不同方向变化。例如，螺旋状变化的拉斯塔法里式发绺（Dreadlocks），用适当的振幅变化，来实现卷曲的头发。总之，是对【Isoline Tessellation】中生成的平行线进行Displacement Mapping那样的印象。
作品中开头出现的老人生动的胡须，就是通过这种方法来实现的。 还有，改变变化的方式，还可以作出下面动画里看到的变化丰富卷发的表现。
对每个线段头发进行Displacement Mapping也可以作出卷发的表现
胡须运动的生成和模拟 髭のインタラクションデモムービー 胡须碰撞判断的显示，卷曲胡须的生成演示
增加毛发让外观变的丰富，不过毛发在画面上的粗细平均也只有1个像素，角色距离相机远或近，头发和胡须的外观就变得不稳定，为了改善这个问题，Driancourt氏加入了使用Geometry Shader让线段多边形化（Billboard化）的处理 具体里的，是对于构成头发和胡须的每个线段的两个顶点，用Geometry Shader 增加两个顶点，变化为4变形。
因为Billboard化也变得有面积，可以像Banana Leaf方法的头发和胡须那样贴上Texture。所以，阴影处理的效果，也是Banana Leaf方法所带来的整体感的附加优点。
线段的毛发和胡须最终通过Geometry Shader增加顶点来多边形化
不论是头发还是胡须，实际在Agni's Philosophy中，是用Compute Shader，Tessellation Stage，Geometry Shader等新技术一起来实现的
头发和胡须的渲染管线，把Compute Shader，Tessellation Stage，Geometry Shader一起使用来渲染
没有胡须
在Maya建模时使用NURBS控制点直线连接的胡子
使用Compute Shader进行Tessellation处理后的状态
在Tessellation Stage中实现 等高线（Isoline Tessellation）后的增加毛发的状态
进一步强化增加毛发效果
利用Tessellation Stage的Domain Shader，把毛发末端捻在一起加入位移变化。
扭曲变化的卷发
加大扭曲幅度（降低频率）的状态
毛发末端给予分支的控制，变成分叉 制作头发和胡须的最新技术（3）头发胡须的阴影处理 实际的头发，是细微的圆筒状，半透明的，在这个表面产生镜面反射。这时，产生的高光，CG称作一次高光（Primary Hilight），比起发色的影响，它受光源颜色影像更强烈。 而且，渗透到头发内的一部分光，受到头发本身颜色的影响再射出。这个出射光，在视线上增加了第二次高光。 渗透到头发中的光，再从头发中透射出来。因为是从头发中渗透的，比起光原来颜色，高光受毛发颜色影响更大。
关于毛发这种特殊的阴影处理，加州理工学院的James T. Kajiya在1985年的论文【Anisotropic Reflection Models】非常有名，现在Kajiya-Kay的着色模型也成为了毛发渲染的参考。
Driancourt氏在去年的开放会议时，揭露是用Kajiya-Kay方法来实现的，由于有在制作阶段要求美术师可以修改高光的要求，切换成了基于康奈尔大学的Steve Marschner的论文【Light Scattering from Human Hair Fibers】的方法。Marschner方法在SEGA和Tri-Ace的游戏【永恒终焉（End of Eternity）】中也有使用，算是近年来使用案例增多的一个技术。
Agni's Philosophy的毛发阴影处理采用了Marschner的方法
Marschner方法的阴影处理最核心的地方，就是毛发的切线向量（Tangent）。通过摄动切线或位移，使阴影产生变化，调想要表现的发质。 Driancourt在在下面的截图里提到的具体示例，修改切线向量，给发质粗糙的感觉，或按一定方向位移，移动高光的出现方式，
关闭Marschner方法，左边是Line Strip方法，右边是Banana Leaf制作的头发
打开Marschner实现的一次高光
打开Marschner实现的二次高光
位移切线向量的例子，高光整体向发梢端移动。
给予切线向量噪波晃动的示例，头发变得粗糙
黄色光源阴影处理的结果 渗透到头发里再射出的二次高光，有意图的产生颜色的偏移
然后，是对Agni's Philosophy的头发和胡须，使用Line Strip的生成方法，与Banana Leaf方法的基于多边形的混合技术的说明。
Driancourt提到接下来要解决的，是用两种不同生成方法的头发和胡须外观的一体化，变得没有不协调感。既有Line Strip，又有Banana Leaf，没有处理的话就会看起来像【两种头发】。 特别成问题的是，两种方法制作的头发，使用环境CubeMap时反射周围环境的表现，以及使用前篇中解说到的全局照明系统光照后的不一致感。
这个主要问题的，是线段（Line Strip）方法的头发。最初的线段方法的头发，并没有表示【面朝向】的法线向量。这样，就需要计算出【两个虚拟的法线向量】，再合成来使用。一个法线向量是由切线向量和视线向量的外积来求出，还有一个向量，是这个要阴影处理的像素坐标和头发区域中心坐标（Bounding Box的中心）来计算求出。 前者法线是对应视线移动计算出的大幅变化的特性，后面的法线是相反的相对移动变化稳定。Agni's Philosophy，就是把这两个法线合成来获取他们的中间特性。
两种方法计算出虚拟的法线向量
切线向量和视线向量的外积求出虚拟法线向量
阴影处理的对应像素的坐标与毛发空间中心坐标（Bounding Box的中心）计算求出虚拟法线向量。
两个虚拟法线向量合成的结果
下面展示的是，实际使用了前篇介绍的用SH Irradiance Volume做全局照明效果的画面，和使用环境Cubemap的画面的截图 Line Strip和Banana Leaf两种方法的头发阴影的表现和Driancourt考虑的一样，有很大差异，但结果确实是很接近的结果。
左边是Line Strip，右边是Banana Leaf方法制作的头发，两者全局照明效果的对比。
右边是Line Strip，左边是的Banana Leaf的头发（从后面看所以左右变化了）。两者全局照明效果的对比。
左边是Line Strip，右边是Banana Leaf方法制作的头发。使用环境Cubemap的结果比较。
右边是Line Strip，左边是的Banana Leaf的头发（从后面看所以左右变化了）。两者使用环境Cubemap的结果比较。
之间的解说演示 Agni's Philosophyの髪の毛デモ 制作头发和胡须的最新技术（4） 头发和胡须的性能和LoD控制的导入
Driancourt也提到了关于Agni's Philosophy的头发和胡须的生成手法的运行性能 开头登场的老人角色，建模阶段设定的胡须根数是295根，加入了1656个NURBS控制点。把这些用Compute Shader进行Tessellation，1656个点数据增加到7100个。执行Tessellation Stage的Isoline Tessellation增加100倍的毛发，顶点增加到了71万个。 性能的汇总在下表。数值单位是ms。
头发和胡须的绘制性能
这个表需要稍微做些介绍 横轴，是用Compute Shader和Tessellation Stage组合进行毛发增加处理的倍数1~100倍的参数表示。这里显示的就是实际的顶点数量。 纵轴是用Geometry Shader做Billboard化时【Billboard的宽度（头发的粗细）】参数从0.1~2.0，实际显示的像素数量。 Driancourt氏指出，通过这个性能测量表可以作为对应角色和相机距离关系的Lod（Level of Detail）的控制标准。给予【头发根数】x【头发的粗细】值，假设显示的【视觉的头发数量】，再检讨如何选择绘制标准。
把前面的幻灯片中【头发的根数】x【头发的粗细】=10的数据提炼到下面的表，通过这表，可以了解要获得毛发的体积感的设定【头发根数多负荷高】
给予【头发的根数】x【头发的宽度】值，假定表现的【视觉的头发数量】
总之，按照角色和相机的远近关系，减少【头发根数】的增加数量，提升【头发宽度】来获得更好的性能。Agni's Philosophy中就是加入这个LoD标准来实现的。
有无LoD控制的比较。外观没有什么变化，有LoD的性能提升了2.5倍。 制作头发和胡须的最新技术（5）头发和胡子的影子生成 Agni's Philosophy中，关于头发和胡子的影子生成，用的方法虽然简单，但也是相当的认真来实现的。 头发和胡子投射的自阴影，使用的是基本的基于Percentage Closer Filtering（后面简称PCF）的加入Soft Shadow处理的Depth ShadowMap技术。绘制每个毛发的像素时，判断【是不是影子】，并不是YES/NO的而知判断，而是对应这个像素到遮蔽物的距离来决定阴影颜色的浓淡。具体的，内次的毛发显示出深的影子，接近外侧（光源）的毛发阴影更亮。通过增加这个处理，可以作出有虚拟的周围光和透过光影响的表现。
头发和胡须的阴影生成算法，采用的基本的Depth Shadowmap技术，对应遮蔽物的距离来加入阴影，表现出毛发的透明感
还有，生成Shadowmap所需要的深度缓冲（Depth Buffer）渲染的对象，并不最终生成毛发和胡须，而是把【毛发的根数】极端的消减，【毛发的粗细】极端变粗的状态下来生成的。这样影子的显示更加稳定，同时也减轻了负荷。这种负荷的减轻，看完前段分析的应该也会明白了吧。
生成Shadowmap是在极端消减【毛发根数】，极端变粗【毛发粗细】的状态下进行的。这样阴影的样子更加稳定，性能也提升了。
下面是，增加了自阴影的胡须渲染的结果。 没有自阴影的胡须
有自阴影的胡须
有自阴影的胡须，强调阴影渐变的模板
制作头发和胡须的最新技术（6） 头发和胡须的后处理特效 Driancourt也提到了，Agni's Philosophy中采用的反走样（Antialiasing）的配置 Agni's Philosophy中，Antialiasing方法采用的是8 x MuiltiSample Anti Aliasing（MSAA），以及FXAA（Fast Approximate Anti〢liasing）并用。
Agni's Philosophy的Antialiasing策略。景深（Depth of Field）严格来说是不需要的AA的，为了降低影像模糊结果的锯齿感，这里也列了出来。
FXAA是在PlayStation 3和Xbox 360的游戏上采用的更先进的屏幕空间处理的AA方法，检测渲染结果在垂直水平方向上的亮度差，如果有亮度差就用渐变来模糊的算法。
可能觉得8 x MSAA就足够了，但MSAA有沿多边形的轮廓像素素横切时无效的特性。MSAA，是把Pxiel Shader 1次的结果，用8倍的分辨率（8x MSAA就是8倍的分辨率）的深度缓冲采用，判断出轮廓进行反走样处理。像素边界与多边形轮廓正好吻合的话，这种AA就没有效果了，也就会产生众所周知的Artifact。相机上下移动或左右平移的影像，会有一定节奏的像素边缘的明显化。
本作使用了很多的头发和胡须，因为有着细小的几何体构造，很容易出现这种Artifact。FXAA可以把渲染结果直接使用Anti Aliasing处理，起到了降低Artifact的作用。
没有AA
使用 2x MSAA
使用 4x MSAA
使用 8x MSAA
使用 8x MSAA+FXAA
使用 8x MSAA+FXAA + DoF后的最终画面。
由于Agni's Philosophy的头发和胡须，使用Banana Leaf方法的毛发是在多边形上应用Texture，因为使用的是有半透明信息的Texture，这个的绘制品种也要注意。 Driancourt氏提到“当初也考虑到把Banana Leaf方法的多边形头发用远近来排序，不过看到主人公Agni的发型的复杂而放弃了”。最后，选择了【Alpha to Coverage】的现实的方法。
Alpha to Coverage是对应Pixel渲染有透明信息时，考虑透明度进行MSAA处理，是DirectX 10以后的GPU标准配备的功能。 Alpha to Coverage的效果是，使用了有透明要素的Texture的多边形，可以正确的AntiAliasing，顺序混乱的透明的Overwrite也可以获得不错的效果。因此，包含毛发那样的半透明的物体对象的Overwrite绘制都使用这个技术。 例如，负责SQUARE ENIX制作， BYKING负责开发的【GUNSLINGER STRATOS】中，角色的头发绘制也使用了Alpha to Coverage
头发的绘制使用的【Alpha to Coverage】
还有，绘制为了增加对比感，还使用了图像空间的后处理特效【Unsharp Masking】。具体的，头发和胡须部分有深度值的差的时候，对阴影进行加强处理。
头发和胡须使用Unsharp Masking
使用Unsharp Masking前后的比较
各向异性反射的阴影处理 Agni's Philosophy中，一部分材质采用了各向异性反射的光照模型，各向异性反射，是根据观察素材的视线角度改变反射特性的反射模型，在毛发和粗糙的金属材质表面上可以看到。对应视线角度的各向异性反射参数一般是存放在Texture里。
最终的影像上，主人公Agni和祈祷师角色【Sidoro】穿着的绸缎服装就采用了这种发射模型
衣服的反射模型使用了各向异性反射
Agni的礼服的各向异性反射模型
关闭各向异性反射和打开的状态比较
各向异性反射的演示 異方性反射のデモ
下面，是使用了前篇提到的全局照明，皮肤，眼球渲染的技术，以及这次介绍的毛发和他的AntiAliasing，PostEffect，各向异性等技术渲染的Agni's Philosophy，与Visual Works制作的预渲染版的Agni's Philosophy的比较的画面截图。
主人公Agni，几乎是同样的外观。
祈祷師Sidoro。衣服的各向异性效果也可以很好的表现。另外，色调不同是调整的缘故
中篇就到这里，后篇是，本作中使用的大气渲染和玻璃的折射表现，以及粒子表现的解说。
原作者：西川善司
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