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毛发与布料 Path Tracing

2026-10-09：CPU、Metal、Vulkan PT 新增 hair 和 cloth 闭包。CPU 与 GPU 编译同一份 src/rhi/shaders/pt-fiber.glsl 数学代码，接入既有表面求值、方向采样、PDF、NEE／MIS、Russian roulette、场景包及材质累积失效。此阶段为静态几何和 PT 材质，没有新增实时材质、动力学或 DCC 曲线导入。后续已增加 针织材质、Bunny 绒毛与中长发，原始毛球／布料验收图与记录保留。

毛发

采用圆形纤维的 R（表面反射）、TT（透射）、TRT（内部反射后透射）及剩余高阶项；纵向散射与绕纤维轴的方位分布分别求值并混合采样。公式参考 PBRT 4e Hair，本仓库用 RGB 吸收和三角薄带接入，尚未支持椭圆截面、髓质或光谱色散。

{
  "bsdf_model": "hair",
  "base_color": [0.75, 0.4, 0.16],
  "metallic": 0,
  "hair_beta_m": 0.3,
  "hair_beta_n": 0.3,
  "hair_ior": 1.55,
  "hair_tilt": 0.034906585,
  "two_sided": true
}
参数 默认／范围 含义
hair_beta_m 0.3／[0.1, 0.8] 纵向散射宽度
hair_beta_n 0.3／[0.1, 0.8] 方位散射宽度
hair_ior 1.55／(1, 2.5] 纤维 Fresnel／折射计算，区别于场景介质 ior
hair_tilt 0.034906585／[-0.2, 0.2] 弧度 毛鳞片倾角，默认约 2°
absorption [0, 0, 0]／非负 RGB 可选的纤维光学吸收，以归一化半径计量，不是世界单位介质系数

显式 absorption 任一通道大于零时使用整组 RGB；否则将既有 base_color 解码后的线性颜色 c 映射为 sigma=-0.5*log(clamp(c, 0.0001, 1))。它表达直径透射颜色，不是 PBRT 的经验反射色拟合或黑色素浓度参数。光学距离按归一化纤维半径计算，当前不随薄带世界宽度变化。

薄带 U 切线沿根到梢，优先采用 PTTANG01 corner tangent；缺失时从 UV 构造，退化时采用确定性回退。uv.y 在带宽两端为 0／1，映射到截面偏移 h=clamp(2*uv.y-1, -0.999, 0.999)。普通网格换一个 hair 标签不能得到正确的毛发外观；需要正确的薄带、UV 和纤维方向。

样例为固定主相机朝向的锥形薄带，每根六个控制采样、五段、十个三角形。相交、遮挡与投影仍由三角形处理，不是原生圆柱／曲线相交，也没有随每条光线重新朝向薄带。侧向照明、背面视角和镜像纤维的截面映射尚需与真实曲线参考单独验证。多根纤维之间的散射来自显式路径反弹，未添加 dual scattering 或体积毛发近似。

布料

cloth 使用 Oren–Nayar 粗糙漫反射、有界的掠射 sheen 及薄片漫透射。sheen 的角度衰减借鉴 Disney 2012 的外观思路；这里是本仓库的能量分配与粗糙度映射，不是 Charlie、OpenPBR 的多次散射 sheen 或完整纱线模型。

{
  "bsdf_model": "cloth",
  "base_color": [0.7, 0.2, 0.12],
  "metallic": 0,
  "roughness": 0.65,
  "sheen_weight": 0.45,
  "sheen_roughness": 0.65,
  "sheen_color": [0.9, 0.35, 0.2],
  "cloth_transmission": 0.2,
  "two_sided": true
}
参数 默认／范围 含义
roughness 既有材质参数／[0, 1] Oren–Nayar 的 sigma=roughness×π/2
sheen_weight 0.5／[0, 1] sheen 的能量份额；底层反射与透射按 1-weight 衰减
sheen_roughness 0.5／[0, 1] 掠射衰减指数从 8 到 2，增大时光泽更宽
sheen_color [1, 1, 1]／各通道 [0, 1] 线性 RGB，与既有 gamma 编码的 base_color 区分
cloth_transmission 0／[0, 1] 底层漫透射比例，不进入封闭体积介质
yarn_specular_weight cloth／knit 默认 0，yarn 默认 0.5／[0, 1] 底层能量中分配给方向性介质纱线反光的比例，见 纱线级针织

反射为 ((1-w)*(1-t)*c*OrenNayar + w*sheenColor*(1-dot(v,h))^exponent)/π；背面透射为 (1-w)*t*c/π。反射／透射余弦混合的透射采样概率为 (1-w)*t，PDF 同时用于 MIS。有界分配不会简单把 sheen 叠加到原有 PBR 上；没有实现层间 Fresnel、粗糙漫反射多次散射能量补偿或 weave／satin 方向性。roughness 沿用既有 ORM／roughness 贴图输入；sheen／毛发宽度本阶段为标量参数。

公共输入与边界

SnapshotDraw.pathTracingBsdfModel 中 cloth=4、hair=5；pathTracingFiber 为 beta_m／beta_n／hair_ior／tilt，pathTracingSheen 为 weight／roughness／transmission／yarn specular weight，pathTracingSheenColor 为线性 RGB。新字段进入 scene identity，编辑后重置累积。初版 PackedMaterial 从 208 B 增为 256 B，后续针织扩展后为 272 B；CPU 和 shader 顺序一致，旧 shader 二进制必须重建。旧 JSON 缺省字段保持原有闭包和采样路径。上面的原始 cloth 公式对应 yarn specular weight=0；非零份额和同步更新的 PDF 见 纱线级针织。

两个闭包使用朝向当前入射侧的几何法线；法线贴图不参与新闭包的 frame。既有 base color／coverage 输入仍可用。要求 metallic=0、场景 ior=0，不与共享 GGX override、各向异性 GGX 或体积 scattering 混合；不合法参数在导入／构造阶段拒绝。

毛发的反向／importance 输运尚未验证，CPU BDPT 明确拒绝含毛发的场景。现有 photon mapping 的闭包检查会拒绝 hair／cloth。普通 CPU／GPU 单向 PT 已验证；布料 BDPT 的场景级收敛和两种模型的 Blender GT 对照尚未验收。实时路径仍使用原有材质近似，本页不表示 PT／Raster 已等价。

自包含样例与复现

左为 3,500 根静态短毛，右为垂落褶皱布。生成器不需要外部资产；滤除退化三角形后，共 43,310 个有效三角形、6 个实例，几何／BVH 约 7.41 MiB。背后白色矩形是面积光，展示毛发边缘透射与布料薄片透射。640×360、256 spp、8 次反弹、seed 1，未降噪。

Metal PT 毛发与垂落布料，原始 256 spp

cmake --build build -j 6
python3 tools/create_pt_fiber_fixture.py --output build/pt-fiber-fixture
./build/Scene-Renderer --path-trace-gpu --backend Metal \
  --pt-scene-file build/pt-fiber-fixture/scene.json \
  --pt-size 640x360 --pt-samples 256 --pt-bounces 8 --pt-fixed \
  --pt-output build/pt-fiber-metal
# CPU 将 --path-trace-gpu 换为 --path-trace；Vulkan 将 --backend Metal 换为 --backend Vulkan。
ctest --test-dir build \
  -R '^(pt-cpu|pt-scene-package|pt-photon|pt-medium|pt-procedural|engine-environment)$' \
  --output-on-failure
MTL_DEBUG_LAYER=1 MTL_SHADER_VALIDATION=1 ./build/Scene-Renderer --pt-self-test --backend Metal
MTL_DEBUG_LAYER=0 MTL_SHADER_VALIDATION=0 ./build/Scene-Renderer --pt-self-test --backend Vulkan

CPU 相关 CTest 6/6，Metal／Vulkan 原生 PT 完整验证均通过。新增检查包含独立球面 PDF 积分、采样／求值对应、无吸收毛发白炉、染色吸收、极窄／宽散射与带边缘／掠射有限性、布料白炉与反射互易性、参数范围、场景包导入、累积失效与 packed ABI。GPU 对照共享参数、切线、两侧散射和 PDF；完整薄带场景另做三后端对照。

固定输入的原始线性 PFM 上，Metal／CPU relative RGB L1 为 0.00037093（0.0371%），总 RGB 能量比 0.99999553；毛球矩形区域 L1 0.2643%，布料区域 0.0106%。区域包括边缘／背景，不是语义材质 mask。Metal／Vulkan 的 PFM 完全相同，三个报告均为零非有限样本。此对照验证本仓库后端一致性，不是独立模型准确度／真实纤维几何的证明。

验收记录 保存参数、原始输出 hash、可执行文件／输入／共享方程 hash、三后端报告和检查日志。原始 PFM 可按命令重新生成。运行时间包含不同验证开关与并发负载，不用于比较三后端效率。

后续依次扩展原生曲线相交与一致截面坐标、独立 Blender／PBRT 参考、sheen 重要性采样及多次散射、织物方向性／纹理、毛发反向输运，再接入实时近似与场景资产编辑。