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次表面散射#xff08;Subsurface Scattering#xff09;#xff0c;简称SSS#xff0c;或3S#xff0c…这一章浅墨这篇文章介绍的非常详细我照扒一遍再稍加一些内容增加记忆。https://zhuanlan.zhihu.com/p/36499291
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次表面散射Subsurface Scattering简称SSS或3S是光射入非金属材质后在内部发生散射最后射出物体并进入视野中产生的现象即光从表面进入物体经过内部散射然后又通过物体表面的其他顶点出射的光线传递过程。原理如下图 要产生使人信服的皮肤和其他半透明材质的渲染效果次表面散射Subsurface Scattering的渲染效果十分重要。 图 有无次表面散射的皮肤渲染对比图左图使用次表面散射 | 右图无次表面散射
本章即描述了次表面散射的几种实时近似方法关于皮肤的渲染也关于近似地去模拟透明材质的几种不同方法。
【核心内容提炼】
4.1 次表面散射的视觉特性The Visual Effects of Subsurface Scattering
要重现出任何视觉效果经常的做法是考察这种效果的图像并把可视的外观分解为其组成要素。在观察半透明物体的相片和图像时能注意到如下几点即次表面散射Subsurface Scattering的视觉特性
首先次表面散射往往使照明的整体效果变得柔和。一个区域的光线往往渗透到表面的周围区域而小的表面细节变得看不清了。光线传入物体越深就衰减和散射得越严重。对于皮肤来说在照亮区到阴影区的衔接处散射往往会引起微弱的倾向于红色的颜色偏移。这是由于光线照亮表皮并进入皮肤接着被皮下血管和组织散射和吸收然后从阴影部分离开。且散射在皮肤薄的部位更加明显比如鼻孔和耳朵周围。4.2 简单的散射近似Simple Scattering Approximations
近似散射的比较简单技巧是环绕照明Warp Lighting。正常情况下当表面的法线对于光源方向垂直的时候Lambert漫反射提供的照明度是0。而环绕光照修改漫反射函数使得光照环绕在物体的周围越过那些正常时会变黑变暗的点。这减少了漫反射光照明的对比度从而减少了环境光和所要求的填充光的量。环绕光照是对Oren-Nayar光照模型的一个粗糙的近似。原模型力图更精确地模拟粗糙的不光滑表面Nayar and Oren 1995。
下图和代码片段显示了如何将漫反射光照函数进行改造使其包含环绕效果。其中wrap变量为环绕值是一个范围为0到1之间的浮点数用于控制光照环绕物体周围距离。 float diffuse max(0, dot(L, N));float wrap_diffuse max(0, (dot(L, N) wrap) / (1 wrap)); 为了在片元函数程序中的计算可以更加高效上述函数可以直接编码到纹理中用光线矢量和法线的点积为索引。
而在照明度接近0时可以显示出那种倾向于红的微小颜色漂移这是模拟皮肤散射的一种廉价方法。而这种偏向于红色的微小颜色漂移也可以直接加入到此纹理中。
另外也可以在此纹理的alpha通道中加入镜面反射高光光照的功率power函数。可以在示例代码Example 16-1中的FX代码展示了如何使用这种技术。对比的图示如下。 图 a没有环绕光照的球体 b有环绕光照明的球体 c有环绕光照明和颜色漂移的球体
Example 16-1 摘录纳入了环绕照明的皮肤Shader效果的代码Excerpt from the Skin Shader Effect Incorporating Wrap Lighting
// 为皮肤着色生成2D查找表Generate 2D lookup table for skin shadingfloat4 GenerateSkinLUT(float2 P : POSITION) : COLOR{float wrap 0.2;float scatterWidth 0.3;float4 scatterColor float4(0.15, 0.0, 0.0, 1.0);float shininess 40.0;float NdotL P.x * 2 - 1; // remap from [0, 1] to [-1, 1]float NdotH P.y * 2 - 1;float NdotL_wrap (NdotL wrap) / (1 wrap); // wrap lightingfloat diffuse max(NdotL_wrap, 0.0);// 在从明到暗的转换中添加颜色色调add color tint at transition from light todarkfloat scatter smoothstep(0.0, scatterWidth, NdotL_wrap) *smoothstep(scatterWidth * 2.0, scatterWidth,NdotL_wrap);float specular pow(NdotH, shininess);if (NdotL_wrap 0) specular 0;float4 C;C.rgb diffuse scatter * scatterColor;C.a specular;return C;}// 使用查找表着色皮肤Shade skin using lookup tablehalf3 ShadeSkin(sampler2D skinLUT,half3 N,half3 L,half3 H,half3 diffuseColor,half3 specularColor) : COLOR{half2 s;s.x dot(N, L);s.y dot(N, H);half4 light tex2D(skinLUT, s * 0.5 0.5);return diffuseColor * light.rgb specularColor * light.a;}
4.3 使用深度贴图模拟吸收Simulating Absorption Using Depth Maps
吸收Absorption是模拟半透明材质的最重要特性之一。光线在物质中传播得越远它被散射和吸收得就越厉害。为了模拟这种效果我们需要测量光在物质中传播的距离。而估算这个距离可以使用深度贴图Depth Maps技术[Hery 2002]此技术非常类似于阴影贴图(Shadow Mapping)而且可用于实时渲染。 深度贴图Depth Maps技术的思路是
在第一个通道first pass中我们从光源的视点处渲染场景存储从光源到某个纹理的距离。然后使用标准的投射纹理贴图standard projective texture mapping将该图像投射回场景。在渲染通道rendering pass中给定一个需要着色的点我们可以查询这个纹理来获得从光线进入表面的点di到光源间距离通过从光线到光线离开表面的距离do里减去这个值我们便可以获得光线转过物体内部距离长度的一个估计值S。如上图。
第一个pass渲染深度的shader代码如下 第二个pass计算渗透深度的shader代码如下 也有一些更高端的模型试图更精确地模拟介质内散射的累积效应。
一种模型是单次散射近似Single Scattering Approximation其假设光在材质中只反弹一次沿着材质内的折射光线可以计算有多少光子会朝向摄像机散射。当光击中一个粒子的时候光散射方向的分布用相位函数来描述。而考虑入射点和出射点的菲涅尔效应也很重要。
另一种模型是近似漫反射Diffusion Approximation其用来模拟高散射介质如皮肤的多次散射效果。 4.4 纹理空间的漫反射Texture-Space Diffusion 次表面散射最明显的视觉特征之一是模糊的光照效果。其实3D美术时常在屏幕空间中效仿这个现象通过在Photoshop中执行Gaussian模糊然后把模糊图像少量地覆盖在原始图像上这种“辉光”技术使光照变得柔和。
而在纹理空间中模拟漫反射[Borshukov and Lewis 2003]即纹理空间漫反射Texture-Space Diffusion是可能的我们可以用顶点程序展开物体的网格程序使用纹理坐标UV作为顶点的屏幕位置。程序简单地把[01]范围的纹理坐标重映射为[-11]的规范化的坐标。看完shader的源代码个人理解其实就是在顶点着色器中将顶点用lightMatrix转换到light的渲染纹理空间后计算漫反射光照
另外为了模拟吸收和散射与波长的相关的事实可以对每个彩色通道分为地改变滤波权重。 图 a原始模型 b应用了纹理空间漫反射照明的模型光照变得柔和
【核心要点总结】
文中提出的次表面散射的实时近似方法总结起来有三个要点
1 基于环绕照明Warp Lighting的简单散射近似Oren-Nayar光照模型。
2 使用深度贴图来模拟半透明材质的最重要特性之一——吸收Absorption。
3基于纹理空间中的漫反射模拟Texture-Space Diffusion来模拟次表面散射最明显的视觉特征之一——模糊的光照效果。
【本章配套源代码汇总表】
Example 16-1 摘录纳入了环绕照明的皮肤Shader效果的代码Excerpt from the Skin Shader Effect Incorporating Wrap Lighting
Example 16-2 深度Pass的顶点Shader代码The Vertex Program for the Depth Pass
Example 16-3 深度Pass的片元Shader代码The Fragment Program for the Depth Pass
Example 16-4 使用深度贴图来计算穿透深度的片元Shader代码The Fragment Program Function for Calculating Penetration Depth Using Depth Map
Example 16-5 用于展开模型和执行漫反射光照的顶点Shader代码A Vertex Program to Unwrap a Model and Perform Diffuse Lighting
Example 16-6 用于漫反射模糊的顶点Shader代码The Vertex Program for Diffusion Blur
Example 16-7 用于漫反射模糊的片元Shader代码The Fragment Program for Diffusion Blur
【关键词提炼】
皮肤渲染Skin Rendering
次表面散射Subsurface Scattering
纹理空间漫反射Texture-Space Diffusion
环绕照明Warp Lighting
深度映射Depth Maps
