表面下散乱

表面下散乱（SSS ）は、表面下光輸送（SSLT）^[1]とも呼ばれ、半透明の物体の表面を透過した光が物質と相互作用して散乱し、潜在的に異なる地点から表面から出ていく光輸送のメカニズムです。光は通常、表面を透過し、物質内で不規則な角度で何度も散乱してから、表面から直接反射した場合とは異なる角度で物質から出ていきます。

サブサーフェス スキャタリングは、リアルな3D コンピュータ グラフィックスにとって重要であり、大理石、皮膚、葉、ワックス、ミルクなどのマテリアルのレンダリングに必要です。サブサーフェス スキャタリングが実装されていない場合、マテリアルはプラスチックや金属のように不自然に見える場合があります。

レンダリング効率を向上させるため、多くのリアルタイム コンピュータ グラフィックスアルゴリズムでは、オブジェクトの「表面」の反射率のみを計算します。実際には、多くのマテリアルはわずかに半透明です。つまり、光は表面に入り、吸収され、散乱し、再放射されますが、再放射される場所は異なる可能性があります。皮膚がその好例で、反射率の約 6% のみが直接反射で、94% は表面下散乱によるものです。^[2]半透明マテリアルの固有の特性として吸収があります。光がマテリアル内をより遠くまで進むほど、吸収される割合が大きくなります。この効果をシミュレートするには、光がマテリアル内を移動した距離の測定値を取得する必要があります。

Pixar が公開したこの技術は、最先端の技術と考えられています。通常はパス トレーサーに統合されています。基本的には、マテリアルへの光路をトレースし、反転した法線の周りにランバート分布を使用して新しいパスを生成し、複数のステップで新しい方向を選択して光路をさらに散乱させることで、実際の光子に何が起こるかをシミュレートします。そのため、「ランダム ウォーク」と呼ばれます。等方性散乱は、球体に沿ってランダムな方向を均等に選択することでシミュレートされます。異方性散乱は通常、Henyey-Greenstein 位相関数を使用してシミュレートされます。たとえば、人間の皮膚には異方性散乱があります。光深度/吸収は、Beer-Lambert の法則を使用して、パスの長さに基づいて適用されます。パスは、寄与の最小しきい値または最大反復回数に達すると、マテリアル内で終了する場合があります。パス (光線) が再び表面に当たると、従来のパス トレーサーと同様に、ランバート分布によって重み付けされたシーンからの放射を収集するために使用されます。この手法は直感的であり、薄いジオメトリなどに対しても堅牢です。

この距離を推定する方法の 1 つは、シャドウ マッピングに似た方法で深度マップ^[3]を使用することです。シーンはライトの視点から深度マップにレンダリングされ、最も近い表面までの距離が保存されます。次に、深度マップが標準の投影テクスチャ マッピングを使用してその上に投影され、シーンが再レンダリングされます。このパスでは、特定のポイントをシェーディングするときに、光線が表面に入ったポイントの光からの距離は、単純なテクスチャ ルックアップによって取得できます。この値を光線がオブジェクトから出たポイントから減算することで、光がオブジェクトを通過した距離を推定できます。^{[引用が必要]}

この方法で得られた距離の測定値は、いくつかの方法で使用できます。その 1 つは、アーティストが作成した、距離に応じて指数関数的に減衰する 1D テクスチャに直接インデックスを付けるために使用することです。このアプローチを他のより伝統的な照明モデルと組み合わせると、大理石、翡翠、ワックスなどのさまざまな素材を作成できます。^{[引用が必要]}

モデルが凸型でない場合、潜在的に問題が発生する可能性がありますが、深度剥離^[4]を使用することでこの問題を回避できます。同様に、深度剥離は、骨や筋肉など、表面下のさまざまな密度を考慮して、より正確な散乱モデルを作成するために使用できます。

右の蝋の頭の画像からわかるように、この手法を使用すると、光はオブジェクトを通過するときに拡散されず、背面の特徴がはっきりと表示されます。これを解決する 1 つの方法は、深度マップの表面上のさまざまなポイントで複数のサンプルを取得することです。または、テクスチャ空間拡散と呼ばれる別の近似手法を使用することもできます。^{[引用が必要]}

このセクションの冒頭で述べたように、サブサーフェス スキャタリングのより明らかな効果の 1 つは、拡散照明の全体的なぼかしです。拡散関数を任意に変更するのではなく、テクスチャ空間でシミュレートすることで、拡散をより正確にモデル化できます。この手法は、マトリックス リローデッドの顔のレンダリングで初めて採用されましたが、^[5]リアルタイム レンダリング手法の分野でも使用されています。

この方法では、頂点シェーダを使用してオブジェクトのメッシュをアンラップし、最初に元の頂点座標に基づいて照明を計算します。次に、頂点は、テクスチャ座標の [0, 1] 範囲から正規化されたデバイス座標の [-1, 1] 範囲に適切に変換された頂点の画面位置として UV テクスチャ座標を使用して再マップされます。この方法でアンラップされたメッシュを照明することで、オブジェクトの照明を表す 2D 画像が得られ、これを処理してライト マップとしてモデルに再適用できます。拡散をシミュレートするには、ライト マップ テクスチャをぼかします。照明を低解像度のテクスチャにレンダリングするだけで、ある程度のぼかしが得られます。皮膚の表面下散乱を正確にモデル化するために必要なぼかしの量はまだ活発に研究されていますが、1 回のぼかしのみを実行すると、実際の効果をうまくモデル化できません。^[6]拡散の波長依存の性質をエミュレートするには、（ガウス）ぼかし中に使用されるサンプルをチャネルごとに重み付けできます。これはある意味芸術的なプロセスです。人間の皮膚の場合、散乱が最も広いのは赤で、次に緑、そして青の散乱はほとんどありません。^{[引用が必要]}

この方法の主な利点は、画面解像度に依存しないことです。シェーディングは、オブジェクトのすべてのピクセルではなく、テクスチャ マップのテクセルごとに 1 回だけ実行されます。したがって、オブジェクトに適切な UV マッピングがあることが必須条件です。つまり、テクスチャ上の各ポイントは、オブジェクトの 1 つのポイントにのみマップされる必要があります。さらに、テクスチャ空間拡散を使用すると、ソフト シャドウに寄与するいくつかの要素の 1 つが提供され、シャドウ マッピングのリアリズムの欠如の原因の 1 つが軽減されます。^{[引用が必要]}

• 双方向散乱分布関数

• ヘンリック ワン ジェンセンの地下散乱の Web サイト
• ジェンセンによる表面下散乱のモデリングに関する学術論文
• サブサーフェス スキャタリング: Misss_Fast_Simple_Maya シェーダの使用 – Maya チュートリアル
• 3d Studio Max チュートリアル - 3dsMax でサブサーフェス スキャタリングを使用するための決定版ガイド
• Blenderでの表面下散乱。