不论你玩不玩3D游戏，你肯定都能感到如今的3D游戏人物的形象是越来越逼真，这多亏了性能日益强大的电脑芯片，以及科研机构在人类动力学、步态分析及骨骼肌机械学上投入的数十亿美元科研经费。但你是否有注意到，3D游戏中的男性角色通常都是一头木桩似的短发，而女性角色的发型通常也如跟板刷一样死板且生硬。这并不是幕后的3D美工人员在偷工减料，而是因为我们的3D人像复制技术始终难以逼真地还原人类发型。其中原因也很简单，毕竟一个常见的卷发都由数百万条不规则曲线相互编织相互交错而成，要模拟此结构实属难上加难。
不过这事儿看起来已经有望解决了。来自普林斯顿大学和南加州大学的研究人员们即将在6月召开的 Siggraph 2013（世界图形图像学术大会）上发布他们的“Structure-Aware Hair Capture”（缩写为SAHC）系统。在SAHC的支持下，3D建模人士不需要煞费苦心地手工绘图，也不需要依赖某种高分辨度的动作捕捉设备，仅凭几帧的图像便可以制作出美丽、真实而动感十足的3D秀发。先来看看下面这个演示视频。
从上面这个视频中我们可以看到，通过分析几帧拍摄角度不同的发型图像，SAHC系统首先会制作出一套3D点云数据，也就是一组组相互分离的零散头发碎缕。我们都知道，以长卷发为例，不论你在任何角度为其拍摄多少照片，总会有很大一部分头发因为被掩盖而不可见，你只能看到这个结构最表层的那一部分头发。所以当计算机分析这些图像数据并制作3D模型时，也只能模拟出那些可见的头发结构片段。由于不可见部分的存在，这些结构彼此之间处于相互分离状态。
要将这些相互分离的头发结构拼接还原成长卷发，需要强大的分析能力，而这就是SAHC最关键的功能。SAHC的连接与走势分析技术（connection and direction analysis）能够判断这些头发碎缕间的连接关系，判断哪一些头发碎缕来自于同一缕头发，并将头发片段还原为栩栩逼真的长发。
将不同结构片段连接在一起的示样。虚线标明了每个结构的走势，蓝线表示两个独立结构间可连接，红线表示两个独立结构间不可连接。
所以，SAHC系统的绘图流程可以概括为：采集图像信息→使用3D方向场制作点云数据→把这些点云还原成分散的头发碎缕→通过连接与走势分析技术判断这些头发碎缕间的连接关系→将头发片段连接为完整的束状图形→最后把束状图形还原为头发。如下图所示。
SAHC绘图流程概览。点这里查看大图
除了这种长卷发之外，SAHC能够3D模拟的发型还包括长直发、短直发、中等长短的蓬乱发型，也就是爱因斯坦的那种爆炸头。虽然通过视频我们发现，SAHC模拟出的发型还存在一些不理想的地方，但考虑到这是一款全自动的3D绘图系统，这种结果已经令人印象深刻。如果想追求更逼真的效果，我们的3D艺术家只要在此基础上再稍作处理即可。如果你对SAHC系统有兴趣，可以前往查看完整的研究报告。
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信息来源：Extremtech，Researchers finally crack realistic, real-time rendered hair in video games
图片来源：Extremtech
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