Симуляция / динамика волос в Houdini
Данная глава посвящена подробному описанию процесса реализации симуляции динамики волос в Houdini, где в качестве исходных данных используется готовая прическа, созданная в предыдущей главе исследовательского проекта. Симуляция волос является критически важным этапом, позволяющим привнести физически обоснованное движение в статическую геометрию прически, что необходимо для последующего сравнения с результатами симуляции в Maya XGen. В этой главе подробно рассматриваются методология установки симуляции, конфигурация параметров Vellum-солвера, управление ограничениями и коллизиями, а также процедуры оценки качества и стабильности симуляции.
Основные подходы к симуляции волос в Houdini
Houdini предоставляет несколько методов для симуляции волос, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. Наиболее актуальным и используемым в современных производственных конвейерах является система Vellum Hair, представляющая собой позиционно-базированный решатель динамики (position-based dynamics), который обеспечивает высокую стабильность и предсказуемость при работе со стилизованной геометрией волос.
Альтернативными подходами являются использование Wire Solver для симуляции волос как проволочных структур и POP Solver для частичной симуляции через систему частиц. Однако для задачи данного исследования, предполагающей работу с готовой прической стилизованной геометрией, наиболее эффективным решением является Vellum Hair благодаря его встроенной поддержке кривых, лучшей интеграции с гайдами волос и возможностью прямого применения ограничений (constraints) к направляющим кривым.
Подготовка геометрии и инициализация симуляции
На первом этапе необходимо убедиться, что направляющие кривые волос правильно подготовлены. Кривые должны быть представлены в формате полилиний (polylines) с достаточным количеством точек для обеспечения гладкого движения, однако избыточная плотность точек может привести к замедлению вычислений. Оптимальное количество точек на кривую составляет 10-20 вершин в зависимости от длины и сложности причёски.
Преобразование в Vellum-конфигурацию
После подготовки геометрии необходимо применить узел Vellum Configure Hair, который преобразует кривые в конфигурацию, совместимую с Vellum-солвером. Этот узел устанавливает физические свойства волос и создаёт необходимые ограничения между соседними точками каждой кривой.
Конфигурация ограничений и закрепления
Правильное управление ограничениями (constraints) является ключевым фактором для получения реалистичной и стабильной симуляции волос, сохраняющей при этом художественный замысел прически.
Pin-ограничения (закрепление корней) Для обеспечения того, чтобы волосы оставались закреплены на скальпе и не падали, необходимо использовать Pin-ограничения (pin constraints) на корни волос. По умолчанию Vellum Configure Hair предлагает вариант простого закрепления точек, однако это может быть недостаточным для сложных причёсок с движущейся головой.
Оптимальный подход предполагает использование Soft Pin-ограничений («мягкое» закрепление) с опцией «Pin to Animation». Этот метод позволяет корням волос следовать за движением скальпа, сохраняя при этом жёсткую фиксацию в локальном пространстве.
Процедура включает следующие шаги:
Создание группы точек для корней волос (обычно первая или несколько первых вершин каждой кривой) через узел Group.
Применение узла Vellum Constraints в режиме «Pin to Target» с типом ограничения «Soft» для получения управляемой жёсткости.
Активация опции «Match Animation» для автоматической синхронизации с анимацией персонажа.
Использование Guide Deform для следования за анимированной геометрией
При работе с анимированным персонажем критически важно использовать Guide Deform вместо простого «Attach to Geometry» ограничения. Это связано с тем, что простое крепление действует как шарнир без трения, позволяя волосам вращаться вокруг точки крепления без сохранения ориентации относительно скальпа.
Guide Deform выполняет жёсткую деформацию направляющих кривых в соответствии с движением скальпа ДО начала симуляции Vellum. Это обеспечивает:
- Сохранение ориентации волос относительно движения головы - Естественное поведение волос при движениях персонажа - Стабильную и предсказуемую симуляцию
Настройка параметров Vellum Solver
Bend Stiffness контролирует, насколько жёсткой является каждая волосяная прядь на изгиб. Для стилизованных причёсок с чётко определённой формой рекомендуются значения в диапазоне 10,000 — 100,000. Однако важное замечание: если увеличение Bend Stiffness на порядки величин не приводит к видимым изменениям в симуляции, это указывает на недостаточное количество iterations (итераций) констрейнтов в солвере.
Критическое открытие, выявленное в исследованиях, заключается в том, что увеличение Bend Stiffness в 10 раз не приводит к видимому эффекту при недостаточном количестве constraint iterations. Решением является увеличение Constraint Iterations в солвере с значения по умолчанию (обычно 100) до 500-2000 в зависимости от сложности прически.
Stretch Stiffness предотвращает нежелательное растяжение волос и должен быть установлен на очень высокое значение (100,000 — 10,000,000) для обеспечения правдоподобного поведения. Однако слишком высокие значения могут привести к нестабильности, особенно при высокой скорости движения или интенсивных коллизиях.
Substeps и Constraint Iterations Substeps определяют количество подшагов в каждом кадре симуляции. Для стандартных причёсок рекомендуется начинать с 2-5 подшагов. Важно понимать, что 1 кадр с 5 подшагами при 100 итерациях констрейнтов даёт другой результат, чем 1 кадр с 1 подшагом при 500 итерациях, несмотря на одинаковое общее количество вычислений.
Constraint Iterations задаёт количество проходов, на протяжении которых солвер пытается удовлетворить ограничениям в пределах каждого подшага. Недостаточное количество итераций приводит к недоопределённым (undersolved) ограничениям, что проявляется в чрезмерной гибкости волос и значительных изменениях внешнего вида при изменении количества подшагов. Хорошее эмпирическое правило: количество итераций должно быть не менее диаметра симулируемой геометрии в количестве рёбер.
Массив и толщина (Mass и Thickness) В Houdini 18 и более новых версиях масса и толщина рассчитываются автоматически на основе плотности материала.
Управление силами и взаимодействиями
Гравитация по умолчанию установлена на -10 м/с² и обеспечивает естественное падение волос под действием силы тяжести. Эта величина обычно не требует изменения для стандартных сцен.
Wind Strength (напряжение ветра): 0.1 — 1.0 для субтильного эффекта, 1.0 — 5.0 для более явного воздействия ветра
Noise Amplitude (амплитуда шума): 0.1 — 0.5 для создания турбулентного, непредсказуемого движения
Noise Frequency (частота шума): 0.5 — 2.0 для управления скоростью изменения ветра
Параметр Velocity Damping (гашение скорости) в Vellum Solver управляет тем, как быстро энергия движения рассеивается из симуляции. Низкие значения (0.01 — 0.05) сохраняют больше энергии и приводят к долгому «звону» волос после движения. Высокие значения (0.1 — 0.3) быстро демпфируют движение, придавая волосам более «влажный» или «под водой» вид.
Кэширование и оптимизация вычислений
Для сложных сцен с множеством волос рекомендуется кэшировать результаты симуляции в формате .bgeo или .bgeo.sc. Это позволяет избежать повторного вычисления симуляции при каждой загрузке проекта и значительно ускоряет итеративный процесс разработки.
Основные параметры Vellum Configure Hair включают:
Bend Stiffness (жёсткость на изгиб) — управляет сопротивлением волос сгибанию. Значение по умолчанию часто бывает недостаточным для стилизованных причёсок с чётко определённой формой.
Stretch Stiffness (жёсткость на растяжение) — предотвращает нежелательное растяжение волос во время симуляции, обычно устанавливается очень высоко для обеспечения физически реалистичного поведения.
Damping (демпфирование) — контролирует затухание колебаний и позволяет волосам естественнее успокаиваться после движения
Симуляция волос в Houdini с использованием Vellum Hair представляет собой мощный и гибкий инструмент для достижения физически обоснованной динамики волос при сохранении высокого уровня контроля для стилизованных причёсок. Ключ к успешной симуляции лежит в тщательной балансировке между физической точностью и художественным намерением, а также в систематической отладке параметров солвера для достижения стабильного и воспроизводимого результата. Правильное использование ограничений, особенно Guide Deform для следования за анимацией персонажа, обеспечивает интеграцию симуляции с движением персонажа. Установка адекватных параметров коллизий и сил позволяет получить реалистичное поведение волос при взаимодействии с окружающей геометрией.
