Subsurface scattering что это

06.10.202306.07.2022 admin 0 Comments

Моделирование подповерхностного рассеивания

В этой статье речь пойдёт о быстром fake-методе реализации подповерхностного рассеивания (subsurface scattering) полупрозрачных материалов.

Подповерхностное рассеивание (subsurface scattering, SSS) — это механизм переноса энергии (света), при котором свет, проникая через поверхность полупрозрачного материала, рассеивается внутри самого материала и выходит из материала в другой точке. Рассеивание происходит путем многократного отражения в случайном направлении от частиц материала.

Подповерхностное рассеивание необходимо использовать для правильной отрисовки таких материалов как мрамор, нефрит, воск (парафин), кожа, и пр.

Существует несколько методов реализации подповерхностного рассеивания, но мы остановимся на так называемом fake-методе, который позволит быстро и без существенных затрат смоделировать подповерхностное рассеивание. Итак, начнем!

Для моделирования подповерхностного рассеивания нам придется совсем на немного изменить обычную отрисовку объектов.

Итак, допустим, что у нас уже есть некоторый алгоритм отрисовки объектов. Пусть он использует стандартную модель освещения (модель Ламберта) и некоторую модель вычисления отраженного света (Фонг, Блинн, Кук-Торренс – роли практически не играет). Также может быть алгоритм затенения объектов (карты теней, ambient occlusion). Пускай параметры источника света задаются у нас через колонки некоторой матрицы. В первой колонке – фоновое освещение (ambient), во второй – рассеянное (diffuse), в третьей отраженное (specular). Допустим также, что мы уже вычислили затенение объекта и модель освещения. В общем и целом результирующий цвет будет вычисляться так:

Значит, стандартная отрисовка у нас есть. Выглядеть это будет примерно так:

Мы видим зайца, сделанного из какого-то камня (или покрытого лаком). Давайте начнем делать его нефритовым :).
Для начала нам нужно смягчить тени, поскольку подповерхностное рассеивание подразумевает тот факт, что свет проходит сквозь материал и выходит из него в произвольной точки под произвольным углом. Таким образом освещенность объекта увеличивается. Для моделирования этого эффекта проведем следующие операции:

1) введем новый параметр для осветленной тени на поверхности (старое значение нам все еще нужно для затенения отраженного света):

2) если есть ambient occlusion – то осветлим и его:

3) теперь главное. У нас в vLighting.x храниться угол между источником света и нормалью в данной точке. Сделаем освещение менее зависимым от угла падения света:

Таким образом, вычисление результирующего цвета фрагмента перепишем в таком виде:

Результатом проделанной операции будет вот такое изображение:

Уже ближе? Наверно…, но продолжим.

Теперь будем моделировать зависимость освещенности от расстояния до источника. Чем ближе к источнику света – тем сильнее освещена поверхность и сам материал («подповерхность» :)).

Для начала вычислим расстояние от источника света до текущей точки:

Так как у меня расстояние до источника света большое – то мне приходиться вычитать из реального расстояния большую величину. В общем, это можно сделать так: передавать в шейдер радиус сферы, охватывающей всю модель и вычитать из расстояния до источника света значение (расстояние – радиус) – т.е как бы помещать источник света на границу сферы, охватывающей модель. Расстояние мы вычислили, теперь можно вычислять непосредственно рассеивание:

Коэффициенты, наверно, придется подбирать каждому свои, чтобы добиться примерно вот такой картинки:

Добавим учет рассеивания в финальную часть шейдера вот таким образом:

И получим вот такую картинку:

В общем и целом, наш нефритовый заяц готов. Но есть еще один момент.

Если смотреть через полупрозрачные материалы непосредственно на источник света – то материал становиться светлее. Давайте промоделируем и этот эффект. При взгляде сквозь нашего зайца на источник света без этого эффекта мы будем наблюдать такую картину:

Наш заяц совсем не пропускает свет. Давайте пропустим 🙂

Для этого нам всего лишь нужно найти скалярное произведение между двумя векторами, проходящими через текущую точку, положением камеры и положением источника света.

Мы получим примрно вот такую картинку:

Давайте теперь просто добавим вычисленное значение к уже имеющемуся у нас параметру:

Финальное вычисление мы не изменяем, но теперь наш заяц пропускает свет:

Таким образом финальный шейдер (вернее его дополнение) будет таким:

Теперь у нас получился довольно симпатичный нефритовый заяц.

Напомню вам, что приведенный выше алгоритм – это fake. Если вам необходимо делать честное подповерхностное рассеивание – читайте дополнительную литературу 🙂

Спасибо тем, кто дочитал статью до конца. Удачи вам!

Источник

Быстрый шейдер для Subsurface Scattering в Unity

Большинство (если не все) оптических явлений, демонстрируемых материалами, можно воссоздать симуляцией распространения и взаимодействия отдельных лучей света. Такой подход называется в научной литературе «трассировкой лучей» (ray tracing), и часто он слишком вычислительно затратен для применения в реальном времени. В большинстве современных движков используются сильные упрощения, которые, несмотря на невозможность создания фотореализма, могут обеспечить достаточно убедительные приближенные результаты. В этом туториале я расскажу о быстром, дешёвом и убедительном решении, которое можно использовать для симуляции просвечивающих материалов, имеющих подповерхностное рассеивание.

До.

… и после.

Введение

У стандартного материала Unity есть режим прозрачности (Transparency mode), позволяющий рендерить прозрачные материалы. В этом контексте прозрачность реализуется с помощью альфа-смешивания. Прозрачный объект рендерится поверх готовой геометрии, частично показывая то, что находится за ним. Это работает для многих материалов, но прозначность — это особый случай более общего свойства, называемого просвечиваемостью (translucency) (иногда также translucidity). Прозрачные материалы влияют только на количество пропускаемого через них света (на рисунке ниже слева), просвечиваемые же изменяют путь его прохождения (справа).

Результат такого поведения очевиден: просвечиваемые материалы рассеивают проходящие через них лучи света, размывая то, что находится за объектом. Такое поведение редко используется в играх, потому что реализовать его гораздо сложнее. Прозрачные материалы можно реализовать прямолинейно — альфа-смешиванием, без трассировки лучей. Просвечивающие же материалы требуют симуляции отклонения лучей света. Такие вычисления очень затратны и редко стоят труда при рендеринге в реальном времени.

Это же часто мешает достичь симуляции других оптических явлений, таких как подповерхностное рассеивание. Когда свет падает на поверхность просвечиваемого материала, часть его распространяется внутрь, сталкиваясь с молекулами, пока не найдёт путь наружу. Часто это приводит к тому, что свет, поглощённый в одной точке, испускается материалом в другой точке. Подповерхностное рассеивание приводит к созданию рассеянного свечения, которое часто можно увидеть на таких материалах, как кожа человека, мрамор и молоко.

Просвечиваемость в реальном времени

Затратными вычисления просвечиваемости делают два основных препятствия. Первое — требуется симуляция рассеивания лучей света внутри материала. Каждый луч может разделиться на несколько, отражаясь сотни или даже тысячи раз внутри материала. Второе препятствие — луч, поглощённый в одной точке, испускается в какой-то другой. Это кажется небольшой проблемой, но на самом деле это серьёзное препятствие.

Чтобы понять, почему так происходит, нам нужно сначала разобраться, как работает большинство шейдеров. В сфере рендеринга в реальном времени видеопроцессор ожидает от шейдера, что тот сможет вычислить конечный цвет материала, используя только локальные свойства. Шейдеры реализованы таким образом, что эффективно могут получать доступ только к свойствам, локальным для каждой вершины. Можно очень легко считать направление нормали и albedo вершины, получить же эти значения от соседних вершин — непростая задача. В большинстве систем реального времени приходится как-то обходить эти ограничения и находить способ имитировать распространение света в материале без использования нелокальной информации.

Подход, описанный в этом туториале, основан на решении, представленном на GDC 2011 Колином Баррэ-Бризебуа и Марком Бушаром в докладе Approximating Translucency for a Fast, Cheap and Convincing Subsurface Scattering Look. Их решение интегрировано в движок Frostbite 2, который использовался в игре Battlefield 3 компании DICE. Хотя подход, представленный Колином и Марком, физически неточен, он обеспечивает правдоподобные результаты очень малой ценой.

Идея в основе этого решения очень проста. На непрозрачные материалы свет воздействует непосредственно от источника света. Вершины, наклонённые больше чем на 90 градусов от направления света , вообще не получают освещения (на рисунке внизу слева). В соответствии с моделью, представленной в докладе, на просвечиваемые материалы существует дополнительное воздействие света, которое связано с . Геометрически можно воспринимать так, как будто часть освещения на самом деле проходит сквозь материал и добирается до его обратной стороны (на рисунке внизу справа).

То есть каждый источник света считается как два отдельных влияния на отражение: освещение передней и задней части. Мы хотим, чтобы наши материалы были как можно более реалистичными, поэтому для переднего освещения используем стандартные PBR-модели освещения Unity. Нам требуется найти способ описать воздействие и отрендерить его таким образом, чтобы он как-то симулировал процесс рассеивания, который бы мог происходит внутри материала.

Обратная просвечиваемость

Как сказано выше, конечный цвет пикселей зависит от суммы двух компонентов. Первый из них — это «традиционное» освещение. Второй — влияние света от виртуального источника, освещающего обратную сторону модели. Это даст нам ощущение, что свет от исходного источника на самом деле прошёл сквозь материал.

Чтобы понять, как смоделировать это математически, давайте создадим схему двух следующих случаев (схемы ниже). В текущий момент мы отрисовываем красную точку. Поскольку она находится на «тёмной» стороне материала, её должен освещать . Давайте проанализируем два предельных случая с точки зрения стороннего наблюдателя. Мы видим, что находится на одной линии с и параллелен ему, и это значит, что наблюдатель должен полностью увидеть обратную просвечиваемость. С другой стороны, наблюдатель должен увидеть наименьшее количество обратного освещения, потому что он перпендикулярен к .

Если вы знакомы с написанием шейдеров, то такие рассуждения должны быть вам привычны. Мы уже встречались с чем-то подобным в туториале «Physically Based Rendering and Lighting Models in Unity 5», где показали, что такое поведение можно реализовать с помощью математического оператора, называемого скалярным произведением.

В качестве первого приближения мы можем сказать, что количество обратного освещения, возникающего из-за просвечиваемости, пропорционально . В традиционном диффузном шейдере это записывается как . Мы видим, что не включили в вычисления нормаль к поверхности, потому что свет просто исходит из материала, а не отражается от него.

Подповерхностное искажение

Однако нормаль к поверхности должна иметь какое-то влияние, хотя бы небольшое, на угол, под которым свет исходит из материала. Авторы этой техники ввели параметр под названием подповерхностное искажение , вынуждающий вектор указывать в направлении . С точки зрения физики это подподверхностное искажение управляет степенью отклонения нормалью к поверхности исходящего обратного освещения. В соответствии с предложенной системой, интенсивность компонента обратной просвечиваемости превращается в:

При мы возвращаемся к , полученному в предыдущем разделе. Однако при мы вычисляем скалярное произведение между направлением взгляда и . Если вам известен расчёт отражения по Блинну-Фонгу, то вы должны знать, что — это вектор «между» и . Поэтому мы будем называть его половинным направлением .

На схеме выше показаны все направления, которые мы пока использовали. отмечена фиолетовым, и вы видите, что она находится между и . С точки зрения геометрии, изменение от до приводит к сдвигу воспринимаемого направления света . Затенённая область показывает интервал направлений, из которых будет поступать обратное освещение. На рисунке ниже видно, что при объект кажется освещённым от фиолетового источника света. При изменении к 1 воспринимаемое направление источника света сдвигается к фиолетовому.

Предназначение — симуляция склонности некоторых просвечиваемых материалов рассеивать обратное освещение с разной интенсивностью. Чем выше значения , тем больше рассеивается обратное освещение.

Да. Значения от до линейно интерполируются между и . Это можно увидеть, развернув традиционное определение линейной интерполяции от и с :

С геометрической точки зрения, величина не имеет единичной длины, то есть должна быть нормализована. В своей конечной системе авторы не выполняют нормализацию.

В конце концов, весь этот эффект не должен стать ни фотореалистичным, ни основанным на физике. В своём докладе авторы очень ясно дали понять, что он предназначен для использования в качестве быстрой аппроксимации просвечиваемости и подповерхностного рассеивания. Нормализация не сильно меняет результаты, но добавляет значительные задержки.

Рассеивание обратного освещения

На этом этапе туториала у нас уже есть уравнение, которое можно использовать для симуляции просвечивающих материалов. Величину невозможно использовать для вычисления окончательного влияния освещения.

Здесь можно использовать два основных подхода. Первый — применить текстуру. Если вам нужен полный художественный контроль над тем, как свет рассеивается в материале, то нужно ограничить в интервале от до и использовать её для сэмплирования конечной интенсивности обратного освещения. Текстуры с различным линейным изменением будут симулировать распространение света в разных материалах. Ниже мы рассмотрим, как это можно использовать для значительного изменения результатов работы этого шейдера.

Однако в подходе, использованном автором этой техники, не применяется текстура. В нём кривая создаётся только кодом Cg:

Два новых параметра, (степень) и (масштаб) используются для изменения свойств кривой.

Заключение

В этой части статьи мы рассказали о технических трудностях рендеринга просвечиваемых материалов. Предложено аппроксимирующее решение и подход, представленный в докладе Approximating Translucency for a Fast, Cheap and Convincing Subsurface Scattering Look. В следующей части туториала мы сосредоточимся на самой реализации этого эффекта в шейдере Unity.

Если вам интересны более изощрённые подходы к симулированию подпространственного рассеивания в приложениях реального времени, то можете изучить один из лучших туториалов GPU Gems.