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引言: 我是一名泛开发者（Generalist developer ），大约在2年前开始着手研究3D和游戏开发相关的主题。我刚开始主要是专注于学习虚幻4和摄影测量（Photogrammetry）技术，现在在研究SD。同时，我也在研究角色和生物体的建模，对Hair & Fur生成也很感兴趣。

原文作者：Olivier Lau 开发者，TA

译者：如果大家在做毛发纹理生成工具设计，可以了解一下Olivier Lau的整体制作思路，挺有趣的。

了解头发生成

我看Johan Lithval的CGMA网络研讨会 <游戏中的头发生成>视频时，第一次了解了实时头发制作。视频中展示的品质和技术，让我感到惊叹。不过，我最后明白了各个部分是如何串联起来的。我不用Maya，所以得找其他方法来生成头发纹理。我试过很多其他的工具，但要想在合理的时间内轻松地生成毛发，并不顺利。

据我所知，通常游戏中的头发/毛发是用插片（Hair card）来做的，把发束（Hair clump）纹理映射在低模几何体上。然后会用特定的shader来实现深度、透明度、各向异性反射等多种效果。我们需要的纹理贴图的类型及Shader使用它们的方式，不一定适用所有的工作流程，这取决于Shader的运作和性能要求。我觉得，某些工作流要求一些特殊的贴图，而另外的工作流可能有时只是更改了贴图的命名而不是功能，这些会给美术师的理解造成混乱，起码刚开始我就中招了。 Hair & Fur 工具可提供10种不同贴图（含衍生的，不算上全部可能的生成方式），基本能解决大部分的需求。

与此同时，我也在研究Substance Designer，特别是我对它的编程功能很感兴趣。看Vincent Gault的 FX-Map introduction stream (法语)视频时受到启发，我才真正开始把SD和头发纹理制作结合起来。那时我明白了，大部分的SD节点都是基于一组简化的原子节点，而FX-Map实际扮演着一个高级的屏幕设备角色，通过各种选项将任意位置的图案显示到纹理中。大多数能被函数驱动。将之用于迭代上，能使FX-Map节点成为一个可自由编程的内含纹理的生成器。我开始尝试实现了一个Bézier曲线，随后发现它能被用来生成头发/毛发纹理。

在此，我想感谢Allegorithmic公司的Nicolas Wirrmann，他帮我了解了SD的编程特性、优化技巧，给了我很多建议。Hair/Fur工具的研究离不开他的支持。

Hair & Fur工具的特点

Hair & Fur工具允许用户去制作不同类型的头发和发型以用作插片，并生成PBR纹理贴图及其他头发shader所需的贴图。它还提供了tilling工具将发束合成较大的纹理，以减少渲染引擎的纹理处理量。这个工具也能用于2D创作（我们提供了样本）。Hair&Fur工具提供两种可供选择的上色模式。举个例子，深度贴图能在Hair & Fur工具外部上色，在SD或其他软件中上色。本文中，我提供了示例，模板（范本文件）和预设（基础设计），以便各位能快速做出各种发型。

虽然是在SD中运行，但因为大部分功能都内含于Substance工具中，所以你只需要你懂一点基础的Substance知识即可。Substance Academy上有一些不错的 SD的UI基础介绍 视频教程，Hair & Fur第一节教程视频中也包含了关于SD的UI介绍。

发束塑形（Hair Clump Shaping）

头发纹理生成的难点之一在于：发型（含颜色）种类非常多，但又只能在功能集和用户界面上暴露很少的参数。所以每当我希望给一个特定的发型做一些支持时，都需要把它从特定的发型中抽象成更通用的，能方便用于其他项目。

我的解决办法是，从一些角度观察并给每一层提供塑形的功能。头发最外层叫做父级，代表发束或部分发束。通过这种方法，最多可生成10股父级"发丝（Strand）"，每股父级发丝（Parent Strands）通常代表该发束的最主要特征。它们和相关发丝（子级发丝和子细分发丝）都可被单独定位、旋转和显示/隐藏。子级发丝（Child Strands）由父级发丝生成，数量不限，用于“填充”与父级发丝相关的发束区域。然后是子细分发丝（Subdivision strands），由父级或子级发丝生成。子细分发丝提供厚度，因为发丝会拧成一团，如卷发般有相同的形状。最后，相关的发丝（Related strand）共享一个组织关系，用于制作辫子或者绳索。

发丝的形状和设计，可用十多个控制点来调节。它们的位置可通过各种参数，或直接在SD的2D视图中移动位置来调整。

子级发丝可被整簇梳开或只是一部分被梳理。

图案管理（Pattern Management）

发丝由图案（位图或由SD生成的程序纹理）组成。默认有四种图案可供选择，用户也可用自己的图案，颜色或灰度图都行。图案的大小和分辨率可自选，图案能设置为跟随发束的形状变化或者不跟随，而且能动态调整尺寸，以减少计数生成连续的线条。动态尺寸也能用于制作绒毛效果，甚至可以设置一个极端值做成吸管。

发丝的厚度，渐变和长度（Strand Thickness, Fading, and Length）

可随意调控发丝（发根到发丝）的厚度。这个功能很适合做厚厚的头发，能做风格化的头发。

发根至发尾的渐变效果可应用于多张贴图中的发丝中，效果取决于用户，可以设置为均匀的渐变，或随机不均匀的渐变。

通过邻近因子（proximity factor），调整发丝的长度和对发根分组。

子细分发丝（Subdivision Stands）

子细分发丝由父级或子级发丝生成，一般非常靠近它们的子级发丝，能增强厚度感。用户通过定义子细分发丝的“扩散范围（spreading space）”以控制子细分发丝的分散程度，深度多少都会受它们的子级发丝影响。子级发丝的深度能在“扩散范围”的侧面（侧面深度）处衰减，辫子利用此功能可实现圆滑的效果。一些细分发丝可能是杂碎的，飘散在“扩散范围”之外，能实现头发的飘逸感。子细分发丝可随机分布于其子级发丝间，可实现更丰富的表现。

调制（Modulation）

当和相关的发丝（Related Strands）关联时，调制能用于生成波浪/卷发和辫子/绳子。有两个调制函数可供使用，正弦（有变形）和三角形，后者可用于非发型设计。用户可定义波的频率/幅度。通过使用频率调制，幅度可随频率随机变化。这些设置能增强真实感，每个卷的形状也不完全相同。

调制也能影响深度，从而实现3D效果，其位置是可调控的，且能与实际的发丝深度结合。调制幅度能从发根到发尖减弱。比如，可让发根的波浪度小于发尖。调制跟随发丝的走向，所以能用于设计任意方向的发丝，如圆形（卷发或丸子头）。

生成头发贴图（Texture Map Generation）

Hair & Fur工具能生成多种贴图，能用于shader或2D创作。

• 遮罩：二进制mask。把发丝从背景中分离出来。
• Alpha（不透明）：维持图案的不透明度，并支持发根到发尾的渐变效果。
• ID （灰度/颜色）：每股发丝代表在一定调控范围内的随机灰度或颜色。Shaders可用ID来区分不同的发丝，并将其应用于不同的效果。
• 深度（高度）：深度/高度图包含被深度配置文件（depth profiles）驱动的高度信息，可自动生成或者用户自己提供。深度贴图可被当成Shader的像素深度偏移来使用，实现头发的厚度感。也可用作其他目的，如镜面反射遮罩或强度。
• 渐变梯度（Root map）：类似于遮罩贴图，但用于控制发根处的渐变。能在发根使用可配置的渐变。Shader通过它来改变发根的颜色（如变暗）。
• 颜色（漫反射/Albedo）：Shader不一定总需要有颜色贴图。因为我们能从其他贴图或用户的参数中实时生成颜色贴图。但是，它对2D作品或需要此类输入的shader很有用。Hair & Fur工具提供了多种头发上色的方法，如可沿着发丝的长度（按长度着色），头发组（按组着色），深度驱动和多种模式组合进行上色。后文会详细说明。
• Flow贴图 （方向）：这是一张包含沿发束流动的发丝方向的矢量贴图。Shader可用这张贴图来驱动头发上的各向异性反射，使其跟随头发流动。Flow信息可基于每股发丝生成，也可以基于多股发丝全面生成（或两者中任选一种）。它还能生成一张定向的背景图（实心或使用扩张）。

• 法线贴图：法线贴图是用SD节点从深度贴图中衍生得到的。并非所有shader都需要法线贴图。
• 环境光遮蔽（Ambient Occlusion）：也是从深度贴图中衍生得到的，不是所有shader都需要这张贴图。
• 功能性（Utility）贴图：这张贴图通常不会被导出，但是会被用在头发的设计上。它的功能是，显示带有可选控制点覆盖的所有贴图，及Flow贴图，以便用户验证流动效果是否符合预期。

深度管理（Depth Management）

我们通过一个独立的深度配置文件（depth profile）来管理头发的深度。生成一张纹理，其中每列代表一个可以与发丝关联的不同深度信息。

深度配置文件是由如深度变化的频率/振幅等通用参数自动生成的。前10列深度配置文件纹理保留给父级发丝。可以常规/特定生成参数，或者使用用户提供的外部深度配置文件（用SD节点或其他软件生成）。

上色（Colorization）

在Hair＆Fur工具中，有两种上色模式：按长度或按分组。可二选一，也可组合使用。两种模式都用用户提供的颜色源纹理进行操作。按长度上色是指沿着头发的长度对发丝进行着色，而按组上色则是指把颜色分组至颜色源，并将它们适用于发丝组。两种模式能用多种混合模式进行组合，如“乘法，柔光，叠加”等等。

按分组和按长度上色都能应用于头发组中：“父级”，“子级”或“相关发丝”（辫子）。按分组上色的话，每个父级和相关发丝（子级，细分）或每个子级和相关发丝（细分）都能使用不同的颜色组。对于辫子，每个辫子组件可用不同的颜色组。

颜色源纹理可有多种不同的组织形态，下面是一些示例和效果。

按长度上色通常是按行来组织颜色源，因为每一列代表发丝沿其长度的潜在颜色变化。颜色在横向不必是完全均匀分布，下图是通过调整亮度或沿着纹理宽度颜色实现的示例。

而按组上色，下图展示了如何利用颜色源形态来制作颜色组。在没有指定颜色组织的情况下，一个组由圆来定义，该圆的中心是随机选取的，半径可调节。对于水平或垂直向的颜色源，使用随机中心颜色和颜色变化方向上的范围来进行分组。一旦在颜色源中定义了一个组，便可在其中选择随机颜色并将其分配给“父级”，“子级”或“相关发丝”的发束。

我们也可以不使用上色功能进行着色。以下是用一个SD节点对深度贴图进行上色的示例。

发型（Hairstyles）

Hair & Fur工具能生成多种发型：直发，波浪，烫发，大卷，辫子（绳索）以及丸子头。但需注意，目前它仅能生成纹理，所以一般在发片上使用如辫子或大卷发的设计来实现小的特点。对于较大的网格，我们要3D定位映射（如对编织物进行隔行扫描）以获得更真实的效果。所以头发纹理不必弄成辫子形状，直发就行，因为3D模型可以处理辫子设计。

辫子能从不同的角度决定调制的频度和幅度、组件之间的空隙、整体形状，以及当被其他组件压下后辫子被压扁的程度，增加头发的飘逸感等等。

我们可以通过多种方式来调整大卷发的厚度、深度及形状设计。

Tiling

关于头发插片，在游戏中，为了减少引擎的纹理数量，开发者通常会把几种发丝组合成一张较大的纹理。为此，我们会提供tilling工具：

• Tiler（灰度和彩色）：平铺(tile)一种纹理，灰度或颜色，如生成一张tiled深度贴图或tiled Flow贴图。
• Global Tiler：一次性平铺几种类型的纹理。即，一次性平铺好头发生成器实例的所有类型的发丝。还可以为tiled Flow贴图生成定向背景。
• AutoCrop：从一个视角比率裁减发束纹理的功能。

这些Tiling工具不仅可以处理头发纹理，还能用于组织图集（Atlases）。

Tiling工具允许用户设置输入（将发束纹理tile，通常为正方形）和输出的长宽比（此处为矩形2：1纹理）。我们能同时操作所有发束的间距/大小/偏移，以此来快速得到一个平铺好的纹理。然后，我们可单独定位/旋转/调整发束的大小，需要进一步调整。请注意，在此处理过程中，输入的发束永远不会被放大，各种大小调节都会被组合，然后在原发束上只展示缩小的结果，以此来保证纹理的品质不受损失。

程序化生成纹理的优势（Benefits of Procedural Texturing ）

程序化生成头发纹理的优势：

• 程序化生成允许用户独立处理影响头发某些方面的设置，同时将它们与其他头发属性的设置无损地组合在一起。我们可用特殊的方式对发束进行造型，并检查将它们变成卷发，小波浪或直发时的样子，而无需调整其他发束的设置。

• Hair & Fur 参数控制固定和基于随机的设置。后者生成随机值，和用户可调控的随机种子相关。这意味着当随机种子变化时，随机值也会被修改。如此一来，通过简单地调节滑块，便可根据已有的设计创建出数千种变体，查看并选择我们喜欢的变体。此外，重置给定的随机种子值，也总能得到重置的完全相同的设计，可将其保存为“预设”，再重新打开。
• 我们可以创建一个包含不同设计的预设库，做为创新的基础。
• 不受分辨率的限制。我们可做一张8K的头发纹理，表现出更多的细节。如果将其他纹理tile到一个普通的纹理贴图中，则可以使用1K或更小的相同设计。
• 3D可视化预览效果，有利于深度校准。
• 无需烘焙，所见即所得。
• 通过结合Hair ＆ Fur与Substance Designer的功能，可提高对可能性的处理。在SD中，能用多种方式对纹理进行预处理或后处理。
• 如果由于某种原因导致无法使用单个头发生成器实例进行特殊设计，则可用专门的SD混合节点组合多个实例输出。

在SD中集成（Integration into Substance Designer）

Substance Designer是一个程序化纹理生成器，很适合生成Hair ＆ Fur。其优势在于模块化，无损工作流及与毛发生成器结合使用的其他功能，给我们的创造带来了更多可能。以下是与SD交互的功能实现列表（非详尽）。

• 用户可用自己的图案来绘制发丝，图案可由SD节点或外部应用程序生成。
• SD节点可生成颜色渐变来为上色功能提供颜色源。在传递到头发生成器之前，通过任意SD节点对这些颜色源进行调整，以调节亮度/对比度/饱和度/颜色变化/变形等等。
• 在传递到Hair＆Fur之前，可使用任意的SD节点处理深度配置文件，通过这种方式可创建出许多效果，而头发生成器本身无法进行深度文件配置。
• 由于SD具有的程序化生成属性，在导入Hair & Fur工具前，可调整节点并可视化查看实时效果。所以，我们能在2D或3D视图中直接查看头发结果，并同时更改SD节点上的颜色或深度信息。
• 输出贴图在做好后，还能进一步处理和做混合。如，使用“乘法”操作混合“深度”和“颜色”贴图，通常在2D设计中能得到比较好的效果。
• 2D美术师可用Blend节点将头发覆盖在角色图像上，实时修改发型设计，同时观察它在角色上的效果。
• 使用SD属性及节点提供的所有选项（法线贴图算法选择，OpenGL或DirectX格式，各种AO属性等）来生成衍生贴图，例如法线贴图和AO贴图。
• 在使用适当的SD节点导出之前，可将贴图转换并打包到纹理通道中。
• 使用OpenGL或iRay渲染器对头发纹理进行可视化和3D渲染（使用置换）。这有助于可视化并可修复深度效果，因为在2D视图中可能看得不那么明显。（如用于裁剪）。

在应用中使用头发纹理（Hair Textures Usage in Applications ）

生成的纹理可用于3D应用程序中，有时也可用在2D中混合合适的贴图。请注意，样本展示了为2D制作的各种范例。

输出纹理通常能直接在3D应用程序（例如游戏引擎）中使用，无需进一步调整。如有需要，可在SD内部进一步处理输出或在外部应用程序中进行修改。该软件包提供一个Toolbag 模板和Unreal Engine 4 头发Shader和Toolbag的使用说明。

最后，为了更便于用户使用，我会提供详尽的使用指南，其中涵盖了所有参数，各种概念以及制作特殊发型的技巧，这是一个免费的试用版应用程序。包含时长4小时（分为5节）的视频教程：

• Part 1：Substance Designer简介，基本的Hair＆Fur概念和输出贴图
• Part 2：头发和毛皮参数
• Part 3：上色
• Part 4：在Toolbag和UE4中处理tilling和使用贴图
• Part 5：7个头发设计范例

我迫不及待想知道美术师们是如何使用这些工具的！期待大家的反馈(如使用 Polycount thread), 我们会基于当前正在规划的功能，一起来增强和创建其他功能。相关进一步的更新，请关注我的 Twitter and Artstation 。Enjoy！

本文仅限于学习参考交流，请勿做商业用途和随意转载。

原文链接：

译 Qinfei

2019/11/27