《夺宝奇兵古老之圈》里的琼斯博士帽子一戴、鞭子一甩最抢戏的其实不是那张脸而是他后脑勺那撮被风吹得乱七八糟的头发。我第一次在游戏里把镜头怼到他后脑勺的时候愣了几秒——这发丝不是贴图糊上去的是一根一根有体积、有高光、有透光的。后来翻资料才知道MachineGames 这套头发用的是 Unreal Engine 的 Groom 系统配合 Strands 做光栅化渲染。这篇就聊聊这套发丝渲染到底是怎么跑起来的以及我在自己项目里复现类似效果时踩过的那些坑。1. 为什么这撮头发值得单独拿出来讲1.1 发丝渲染在游戏里一直是个吃力不讨好的活先说个背景。游戏里的头发过去十几年基本是三种做法一种是卡片面片hair cards用几片带透明通道的贴图叠出头发形状一种是壳层shell一层层套壳模拟体积还有一种是直接拿模型雕一坨靠法线贴图糊弄。这三种方案有个共同问题——近看就露馅。卡片面片在特写镜头下边缘是硬的壳层会有明显的层间缝隙雕出来的模型则完全没有发丝该有的透光和散射。《夺宝奇兵古老之圈》是个大量使用过场动画和特写镜头的游戏琼斯博士的脸经常占满屏幕三分之一。这种情况下传统方案根本撑不住。所以 MachineGames 选了 Groom——这是 Unreal Engine 里专门做毛发和发丝的系统核心思路是把头发当成一根根真实的曲线strand来处理而不是面片。1.2 Groom 和 Strands 到底解决了什么问题Groom 解决的是头发怎么被描述的问题。它用一组引导曲线guide curves来控制整体发型再用插值生成成千上万根发丝。每根发丝是一条带厚度的曲线有根部和尖端的粗细变化有沿着发丝走向的 UV可以采样颜色、粗糙度、透光等属性。Strands 解决的则是这些发丝怎么被画到屏幕上的问题。传统光栅化管线处理三角形很在行但发丝是曲线直接光栅化要么把曲线拆成极细的三角形带性能爆炸要么就得用专门的 strand 渲染路径。Unreal 的 Strands 方案本质上是一套针对发丝的几何着色和光栅化流程把曲线在屏幕空间里展开成可着色的像素。这两者配合起来才有了琼斯博士那撮近看依然成立的头发。1.3 这套方案适合谁来参考如果你在做写实向的角色特写、过场动画或者任何需要头发经得起镜头怼脸的项目这套东西值得研究。但如果你做的是移动端、风格化卡通、或者角色永远在中远景那 Groom 大概率是杀鸡用牛刀性能和制作成本都不划算。我下面会具体讲这个边界在哪。2. Groom 资产从 DCC 到引擎的完整链路2.1 在 DCC 里做头发引导曲线才是真正的骨架Groom 资产的源头不在引擎里而在 DCC 工具里常见的是 Maya 的 XGen、Houdini 的毛发工具或者专门的毛发插件。核心产物是一组引导曲线通常几百到几千根不等。这些引导曲线决定了发型的整体走向、分缝、层次。这里有个很多人第一次做会犯的错以为引导曲线越多越好。实际上引导曲线太多插值出来的发丝会失去随机感看起来像一顶假发套。琼斯博士那种略带凌乱、有碎发的效果靠的是适量引导曲线 插值时的随机扰动。我一般会把引导曲线控制在 800 到 1500 根之间具体看发型复杂度然后靠插值参数去补密度。每根引导曲线上还会带属性常见的有Root/Tip 粗细根部粗、尖端细模拟真实发丝UV 走向沿着发丝长度方向的坐标用来采样渐变颜色与粗糙度可以逐段变化做出发根深、发梢浅的效果透光属性控制光线穿过发丝时的散射强度这些属性在导出成 Groom 资产通常是.groom文件或 Alembic 缓存时会一并带过去。2.2 导入引擎后的第一道坎插值密度和性能的平衡Groom 导入 Unreal 之后引擎会根据引导曲线插值出最终的渲染发丝。这个插值倍率是个关键参数。插值倍率低发丝稀疏近看能看到缝隙插值倍率高发丝密到爆炸性能直接跪。我实测下来的经验是先按目标镜头距离定密度。如果角色最近只会出现在中景插值倍率可以压得很低如果是特写就得往上堆。琼斯博士这种要怼脸的插值出来的发丝数量是相当可观的这也是为什么这套方案对性能有要求。提示插值倍率不要一次性拉满再往下调那样很难判断够用的临界点。正确做法是从低往高加加到近看没有明显缝隙就停多出来的密度都是浪费。2.3 LOD 策略不是所有距离都需要全密度发丝Groom 支持 LOD这一点非常关键。远处的角色不可能用全密度发丝去渲染否则一个场景里几个带 Groom 的角色就能把帧率吃光。常见的 LOD 策略是LOD 层级发丝密度适用距离说明LOD 0100%特写全密度带完整透光和阴影LOD 150%-70%中景略降密度保留体积感LOD 220%-30%远景大幅降密度靠整体轮廓LOD 3卡片替代极远直接换成面片几乎看不出差别这套 LOD 不是自动生成的需要手动配置或者写工具批量处理。我在项目里一般会写个脚本按距离阈值自动切换避免美术手动调每一层。3. Strands 光栅化发丝是怎么变成屏幕上的像素的3.1 曲线光栅化和三角形光栅化的本质区别这是整套方案里最硬核的部分也是很多人搞不清的地方。传统渲染管线光栅化的是三角形——给三个顶点算出覆盖了哪些像素。但发丝是曲线一根发丝可能只有几个像素宽甚至不到一个像素。Strands 的做法是把每根发丝在屏幕空间里展开成一条带厚度的线段然后针对这条线段做光栅化。具体来说引擎会计算发丝在屏幕上的投影根据投影长度和发丝半径决定这条发丝覆盖多少像素再把这些像素交给像素着色器去算光照。这个过程中有个关键概念叫发丝厚度strand thickness。它不是物理意义上的毫米而是屏幕空间的一个参数决定了发丝看起来有多粗。厚度调太细发丝会闪烁因为采样不足调太粗头发会变成一坨塑料。琼斯博士的头发厚度是经过精细调整的近看每根发丝都清晰但又不会粗到失真。3.2 为什么发丝渲染对光照模型有特殊要求普通的不透明表面光照模型基本就是 BRDF双向反射分布函数那一套。但发丝是半透明的圆柱体光线打上去会发生表面反射发丝表面的高光形成头发特有的光泽带透射光线穿过发丝形成边缘的透光感内部散射光线在发丝内部多次反弹形成柔和的整体亮度Unreal 的 Groom 用的是专门的发丝光照模型基于 Marschner 模型的简化版本把这三个分量分开计算。这也是为什么 Groom 头发看起来比普通贴图头发活——它的高光会随着视角和光线方向移动透光会在逆光时特别明显。我在自己项目里试过用普通材质去糊弄发丝光照结果就是头发像塑料假发完全没有真实感。后来老老实实换成 Groom 的光照模型效果立刻不一样。3.3 阴影和自阴影发丝之间怎么互相遮挡发丝渲染另一个难点是阴影。头发是一大堆互相遮挡的细丝如果每根发丝都去算阴影性能直接崩。Unreal 的做法是用深度不透明度贴图Deep Opacity Map, DOM或者体素化阴影来近似。DOM 的思路是把发丝的体积信息烘焙成一张贴图渲染阴影时采样这张贴图而不是逐发丝计算。这样既能得到头发整体的阴影形状又能保留一定的透光感光线穿过头发时会有柔和的半影。琼斯博士的头发在逆光下能看到边缘有一圈柔和的亮边这就是透光加阴影近似共同作用的结果。如果阴影做得太硬头发会像戴了个铁头盔。4. 性能账本这套方案到底吃多少资源4.1 发丝渲染的开销主要花在哪很多人以为发丝渲染的开销全在发丝数量上其实不完全是。开销主要分几块几何处理每根发丝都要做曲线细分和屏幕空间展开发丝越多越慢像素着色发丝覆盖的像素要做专门的光照计算比普通像素贵阴影计算如果开逐发丝阴影开销会翻倍透明排序发丝是半透明的需要正确的排序才能避免穿帮其中像素着色往往是大头。因为发丝很细覆盖的像素多但每个像素的利用率低容易造成 overdraw同一像素被多次着色。琼斯博士特写时头发区域的 overdraw 是相当高的。4.2 我在项目里实测的优化手段踩过几次坑之后我总结了几条比较有效的优化手段控制插值密度这是最直接的密度降一半开销基本也降一半。关键是找到够用的临界点。限制发丝长度过长的发丝在屏幕空间展开后覆盖像素多开销大。可以适当截断或者用 LOD 处理。阴影降级远处角色的发丝阴影可以用更粗糙的近似甚至直接关掉。透明排序优化把发丝按深度分块排序减少排序开销。异步计算部分发丝计算可以放到异步管线里减轻主线程压力。注意优化发丝渲染时不要只看平均帧率要看最坏情况。因为发丝开销和镜头距离强相关特写镜头下的帧率才是真正要关注的。4.3 什么情况下不该用 Groom说了这么多好处也得说说边界。以下情况我建议别上 Groom移动端Groom 的开销对移动 GPU 来说太重除非是旗舰机型且只用于主角特写风格化卡通卡通头发往往需要夸张的形状和硬边高光Groom 的写实光照反而不合适角色永远在中远景这种情况下卡片面片完全够用Groom 是浪费团队没有毛发制作经验Groom 的制作流程和传统头发差别很大需要专门的美术投入琼斯博士能用 Groom是因为这是个写实向、有大量特写、且团队有相应制作能力的项目。换个场景这套方案未必是最优解。5. 复现这套效果时我踩过的坑5.1 导入 Groom 后发丝方向全乱了第一次导入 Groom 资产时发丝方向完全不对有的朝上有的朝下像被电击过。排查了半天发现是坐标系不一致——DCC 工具里的 Y 轴向上Unreal 里是 Z 轴向上导出时没有正确转换。解决办法是在导出设置里明确指定坐标系或者在导入时用引擎的转换选项。这个坑很基础但第一次做的人几乎都会踩。5.2 发丝在特定角度下闪烁发丝闪烁flickering是另一个常见问题尤其在发丝很细、镜头移动时。根本原因是采样不足——发丝在屏幕上的投影小于一个像素时光栅化会时有时无。解决办法有几个一是适当增加发丝厚度让它在屏幕上至少占一个像素二是开启时间性抗锯齿TAA或类似的时间性采样用多帧累积来稳定三是调整发丝的屏幕空间最小宽度参数。我一般会组合使用先加厚度再靠 TAA 兜底。5.3 透光效果在逆光时过曝发丝的透光效果很漂亮但很容易过曝。逆光时如果透光强度调太高头发会变成一团白光细节全丢。这个问题的根源是透光模型没有考虑能量守恒。真实发丝的透光是有上限的不可能无限亮。解决办法是给透光强度设一个合理的上限并且结合发丝的颜色和粗糙度去调。琼斯博士的头发在逆光下能看到透光但不会过曝说明这个参数调得很克制。5.4 阴影接缝和穿帮发丝阴影用近似方法做容易出现接缝和穿帮。比如头发和头皮交界处阴影可能突然断掉或者头发投在肩膀上的阴影形状不对。这类问题往往需要手动修比如调整阴影贴图的分辨率、增加过渡区域、或者用额外的几何体去补阴影。没有一劳永逸的自动方案得靠美术一点点调。6. 从这套方案里能学到什么通用的东西6.1 用对工具比用牛工具更重要Groom 是个很强的工具但它不是万能的。琼斯博士的头发效果好是因为项目需求写实、特写和工具能力Groom 的写实发丝匹配。如果需求不匹配再牛的工具也出不来好效果。这个道理放到任何渲染技术上都是一样的。选方案之前先问自己我的项目到底需要什么是写实还是风格化是特写还是中远景是 PC 还是移动端想清楚这些再决定用什么。6.2 性能优化要抓主要矛盾发丝渲染的优化手段很多但真正有效的往往是那一两个。在我的项目里控制插值密度和优化透明排序贡献了大部分性能提升其他手段都是锦上添花。优化的时候不要眉毛胡子一把抓先用性能分析工具找到瓶颈再针对性地解决。发丝渲染的瓶颈通常在像素着色和 overdraw 上先看这两块。6.3 美术和程序的配合是成败关键Groom 这套东西美术负责做头发资产程序负责调渲染参数和优化性能两边必须紧密配合。我见过美术做了一顶超精细的头发结果程序那边性能扛不住最后只能砍密度美术白干。正确的做法是美术做头发时就考虑性能预算程序提前给出密度上限和 LOD 策略两边一起定标准。琼斯博士的头发能做到既好看又跑得动背后肯定是这种配合的结果。最后分享一个我自己的小习惯每次调发丝参数我都会把镜头拉到最近然后慢慢拉远观察发丝在不同距离下的表现。因为发丝渲染的问题往往在特定距离才暴露——太近看不出 LOD 问题太远看不出密度问题。只有把整个距离范围都过一遍才能确保这套头发在任何镜头下都成立。这个习惯帮我省了很多返工的时间。