shader study

1. Cheap Realistic Skin Shading

2. Overview
• 일반적인 Skin Models
• New Skin Model
– Ideas
– BRDF
– Layers
– Back Scattering
– Blended Normals
– Shadows
– Extras
• 결과
• 결론

3. 일반적인 Skin Models
• Red wrapped lighting
– http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch16.html
• Texture-space diffusion
– http://http.developer.nvidia.com/GPUGems3/gpugems3_ch14.html
• Texture-space diffusion (12-tap)
– http://advances.realtimerendering.com/s2010/Hable-Uncharted2(SIGGRAPH 2010 Advanced RealTime Rendering
Course).pptx
• Screen-space diffusion
– http://giga.cps.unizar.es/~diegog/ficheros/pdf_papers/TAP_Jimenez_LR.pdf
• Blended Normals
– http://advances.realtimerendering.com/s2010/Hable-Uncharted2(SIGGRAPH 2010 Advanced RealTime Rendering
Course).pptx
• Offline “Fast-Skin Shaders”
– http://www.google.ca/#hl=en&source=hp&biw=1920&bih=965&q=fast+skin+shader&aq=f&aqi=g-
m5&aql=&oq=&gs_rfai=&fp=bc38547320fe36d4

4. 일반적인 Skin Models
• 가장 현실적으로 표현할 수 있는 기술들이 인기가
있음
• 각 모델에는 장,단점이 있음
– 계산 비용은 매우 저렴하지만 조잡함
– 계산 비용이 크면 퀄리티가 우수함
• 어느정도 완성된(꾸며진) 조명에서는 잘 되지만 날카로운
조명에서는 안좋음
• 그 중간의 대안이 필요함
– 저렴하고 퀄리티가 좋아야 함

5. New Skin Model
• 물리적계산 없음
• 정확한 계산은 않하지만 보기에 좋음
• 다른 기술들을의 핵심 개념을 사용함
• Fast-Skin Shader, Human Skin Shader…
– 멀티 레이어 사용
– 물리적 기반 BRDF.
– 일반적으로 표현해야 할 것
• 그림자 가장자리의 붉은 표현
• 부드러운 표현
• 거친 표현 낮추기

6. New Skin Model - Ideas
• 다른 모델의 개념을 사용
– Kelemen/Szirmay-Kalos BRDF 사용
• 최적화와 상대적으로 계산 비용이 저렴
• 미리 계산하여 텍스쳐를 저장하여 사용함
– “Fast-Skin Shaders”의 멀티레이어를 사용
• 질감레이어 사용 (epidermal(표피), subdermal(피부,진피)).
• 조금 블러링 된 Epidermal layer
• 많이 블러링 된 Subdermal layer
• Diffuse(0.5) + Subdermal(0.2) + Epidermal(0.3)
– normal map을 혼합하여 부드러운 Blended Normals 을
사용

7. New Skin Model - BRDF
• Kelemen/Szirmay-Kalos BRDF 최적화
– fresnel to texture 저장
• 왜 하나의 specular term을 사용?
– beckmann texture 4개의 채널을 가질 수 있음
– 쉐이더에서 계산대신 4개의 float값을 사용
– Weigh them은 간단한 dot product 사용하여 구함

8. New Skin Model – BRDF (Code)
미리 계산하여 텍스쳐를 뽑음
정밀하게 계산할 필요가 없음// Computes beckmann distribution
// To bake to texture: texCoord.x = NdotH, texCoord.y = Exp
float4 GetBeckmannDistribution( float NdotH, float Exp )
{
// Some roughness weights
float4 m = half4(1, 0.12, 0.023, 0.012) * (Exp * Exp);
float alpha = acos( NdotH );
float ta = tan( alpha );
float4 val = 1.0 / (m * pow(NdotH, 4.0)) * exp(-(ta * ta) / m);
// Scale the value to fit within [0-1]
return 0.5 * pow( val , 0.1 );
}
// Computes fresnel reflectance (can be computed on the fly no problem)
// To bake to texture: HdotV = texCoord.x, texCoord.y = F0
float GetFresnelKS( float3 HdotV, float F0 )
{
float base = 1.0 - HdotV;
float exponential = pow( base, 5.0 );
return exponential + F0 * ( 1.0 - exponential );
}
Code modified from NVIDIA’s implementation.

9. New Skin Model – BRDF (Code)
float KelemenSzirmayTex( float3 N, float3 L, float3 V, float Exp, float F0 )
{
// Pretty straightforward
float NdotL = saturate(dot(N, L));
float h = L + V;
float H = normalize(h);
float HdotV = dot(H, V);
// Get fresnel from texture; 0.028 is a good value for F0
float fFresnel = tex2D(fresnelTex, float2(HdotV, F0));
// float fFresnel = GetFresnelKS(HdotV, F0 ); // Math version.
// Get beckmann distributions from texture
float4 fBeckmann = pow(2.0 * tex2D(beckmannSampler, float2(NdotH, Exp)), 10);
float4 fSpec = max( (fBeckmann * fFresnel) / dot( h, h ), 0 );
// Weight results using dot product
float result = saturate( NdotL ) * dot(fSpec, half4(1.0, 0.625, 0.075, 0.005));
return result;
}

10. New Skin Model – BRDF (Result)

11. New Skin Model - Layers
• 멀티 레이어를 만듬
– 레이어 마다 새로운 텍스쳐 생성
– 실제 해상도 보다 텍스쳐가 작으면 비용이 저렴함
– 라이트 레이어
• 블러된 상태에서 라이트를 계산
• Diffuse는 않함
• ~0.8 – 0.9 for epidermal.
• ~0.7 – 0.8 for subdermal.
– 각 텍스쳐에 조명을 적용함
Epidermal = 0.3, Subdermal = 0.2, Diffuse = 0.5

12. New Skin Model – Layers (Textures)
Diffuse Epidermal Subdermal
Back Scattering Specular Normal

13. New Skin Model – Layers (Image)

14. New Skin Model – Back Scattering
• 매우 간단함
– N·L과 간단한 계산
• 반투명 텍스쳐에 마스크 채널사용
– Subdermal(진피) map 알파채널 사용
– 버텍스 칼라값을 사용할수도 있음
• 날카로운 그림자를 사용안함
– 소프트 그림자를 사용하여 산란(backscattering)효과
– Translucent shadow maps.
– 그림자 영역이 재대로 가려지지 않을 수 있음
• 아직 기술이 불완전함

15. New Skin Model – Back Scattering (Code)
float3 BackLighting(float3 lightColor, float NdotL, float shadowMap, float transTex)
{
// Calculate back scattering.
float backLight = lerp(NdotL, 1.0, transTex) - lerp(NdotL, 1.0, 0.4);
float3 result = saturate(backLight) * lightColor * shadowMap * backScatterStrength * backScatterColor;
return result;
}

16. New Skin Model – Back Scattering (Image)

17. New Skin Model – Blended Normals
• blended normals 사용
– 언차티드 2 에서 사용
• 버택스 노말의 N·L 계산과 노말맵의 N·L 계산
– 다른 레이어들의 계산을 디퓨즈 채널에 통합
• 각 채널에 대한 강도를 설정
– 완벽하게 부드러운 normal은 필요하지 않음
– 사용할 수 있는 좋은 범위:
» Red = 0.5 – 0.7
» Green/Blue = 0.15 – 0.4
– Intensity 는 설정할수 있음
» 0-1

18. New Skin Model – Blended Normals (Code)
float3 BlendNormals(float lightDiffusion, float vertexNdotL, float bumpNdotL, float3
lightPos)
{
// 값은 조정이 가능
float redIntensity = lerp(0.0f, 0.6f, skinDiffusionAmount);
float greenBlueIntensity = lerp(0.0f, 0.4f, skinDiffusionAmount);
float red = lerp(vertexNdotL, bumpNdotL, redIntensity);
float greenBlue = lerp(vertexNdotL, bumpNdotL, greenBlueIntensity);
greenBlue = min(red, greenBlue); // 필요없는 부분 제거
float3 result = float3(red, greenBlue.xx);
return saturate(result);
}

19. New Skin Model – Blended Normals (Image)

20. New Skin Model – Shadows
• 확산 과정(라이트계산?)에서 그림자를
포함하지 않는 것에 대해 보상해야 함
• 2 Options:
– 블러된 그림자맵을 레이어에 사용
• 그림자에 블러를 사용하면 비용이 있음
• 오브젝트당 한다면 안 좋음

21. New Skin Model - Shadows (cont.)
• 선명한 그림자
– pow() 사용하여 선명한 그림자를 만듬
– Subdermal 사용하지 않음
– Epidermal 작은값을 사용 (~2-4).
– Diffuse 큰값을 사용 (~8-16).
– 상대적으로 그림자를 선명도를 조절
• 그림자 영역에 반사되는 붉은색(피)영역이 보임

22. New Skin Model - Shadows (cont.)
• Blended Shadows.
– 붉은(피) 표현의 그림자에 대해서 각 레이어의 그림자
선명도를 줄임
• 2개의 shadowpow.xy을 사용하여 계산
• 값을 미리 지정
• red 와 green/blue 채널을 혼합
– 빨간색 가장자리 색
– 가장자리일 경우 빨간색 채도 감소
• subdermal layer ( – ).
• epidermal layer ( – ).
• diffuse ( – ).
• 결과가 좋으면 무시할 수 있음

23. New Skin Model – Shadows (Code)
float3 BlendShadows(float2 shadowPow, float shadowMap)
{
float shadowR = pow(shadowMap, shadowPow.x); // subdermal
float shadowGB = pow(shadowMap, shadowPow.y); // epidermal
// Blend shadows
float red = lerp(shadowGB, shadowR, skinDiffusionAmount);
float greenBlue = lerp(shadowGB, shadowR, skinDiffusionAmount * 0.5);
float3 result = float3( red, greenBlue.xx );
// 그림자를 빨간색으로 만들기 위해..채도를 감소
result = lerp(result, dot(result, float3(0.33, 0.59, 0.11)), 0.75);
return saturate(result);
}

24. New Skin Model – Shadows (Image)
Pure diffuse layer Pure epidermal/subdermal layers

25. New Skin Model - Extras
• Rim Lighting
– fresnel (N·V) 계산
– rim term 계산
• Rim = smoothstep(0.0, 0.5, fresnel) * rimStrength;
– 라이트 계산뒤 specular 추가
• spec += rim * lightColor * pow(N·H, rimPower) * N·L
* shadowMap;
• Melanin(색소)
– Diffuse 텍스쳐의 luminance(휘도)를 계산
• lum = dot(diffuse, float3(0.33, 0.59, 0.11));
– diffuse 와 계산
– diffuse * lerp(1.0, diffuse*lum, melanin);

26. New Skin Model – Notes
• 선명한 그림자는 모든 레이어서 사용 할 필요가
없음
– 단순화된 그림자를 적용할 수 있음
– 피 표현에 대해 좋다
• 여러 번 blended normals 수행
– 각 레이어 계산시 노말에 대한 강도를 조절하여 다향성을 만듬
• Backscattering 색상은 제한 되지 않음
– Subdermal texture.
– 반투명 램프

27. 결과

28. 결과
Standard NdotL + Blinn-phong (physical model) Skin Shading, no SSS Skin Shading, full SSS

29. 결론
• Kelemen/Szirmay-Kalos BRDF 사용
– 텍스쳐를 구워 사용 beckmann, fresnel
• 라이트가 래핑된 레이어에 산란 (subsurface scattering)
– Epidermal, subdermal.
– Keep wrapping at a minimum to avoid washing out the lighting.
• 부드러운 노말을 사용 (blended normals )
• 그림자에 pow() 함수를 통해 선명도를 조절하여 피기가 도는
그림자를 만듬
• Backscattering 은 간단한 마스크 맵을 사용해서 N·L 계산
– 매우 저렴한 계산
• 추가 효과 적용
– rim lighting ,melanin

30. 결론
• 비용이 저렴하고 보기 좋음
• 다양한 분산효과(scattering effects)
• (bleeding shadows, back lighting)
• 여러 캐릭터에 적용할 수 있음
• 확산 방법이 정확하지 않음
• 완전하지 않음

31. Thanks for viewing! 
• References:
• Screen-Space Perceptual Rendering of Human Skin, Jorge Jimenez, Veronica Sundstedt,
Diego Gutierrez, 2009
– http://giga.cps.unizar.es/~diegog/ficheros/pdf_papers/TAP_Jimenez_LR.pdf
• Efficient Rendering of Human Skin, Eugene d'Eon, David Luebke, and Eric Enderton,
Eurographics 2007
– http://http.developer.nvidia.com/GPUGems3/gpugems3_ch14.html
• Real-Time Approximations to Subsurface Scattering, Simon Green, 2004
– http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch16.html
• Uncharted 2: Character Lighting and Shading, John Hable, 2010
• http://advances.realtimerendering.com/s2010/Hable-
Uncharted2(SIGGRAPH%202010%20Advanced%20RealTime%20Rendering%20Course).pptx
• Crafting Physically Motivated Shading Models for Game Development, Naty Hoffman, 2010
– http://renderwonk.com/publications/s2010-shading-
course/hoffman/s2010_physically_based_shading_hoffman_b.pdf
• Real-Time Realistic Skin Translucency, Jorge Jimenez, David Whelan, Veronica Sundstedt,
Diego Gutierrez, 2010
• http://giga.cps.unizar.es/~diegog/projects/IEEE/ieee.html

32. FinHead model available at Infinite-3D
http://www.youtube.com/watch?v=AX9zQ5BdAvo