Dispersión del subsuelo - Subsurface scattering

La dispersión directa de la superficie (izquierda) más la dispersión del subsuelo (centro) crea la imagen final a la derecha.
Dispersión subterránea generada por computadora en Blender
Dispersión de luz bajo la superficie del mundo real en una fotografía de una mano humana

La dispersión subsuperficial ( SSS ), también conocida como transporte de luz subsuperficial ( SSLT ), es un mecanismo de transporte de luz en el que la luz que penetra en la superficie de un objeto translúcido se dispersa al interactuar con el material y sale de la superficie en un punto diferente. La luz generalmente penetrará en la superficie y se reflejará varias veces en ángulos irregulares dentro del material antes de salir del material en un ángulo diferente al que habría tenido si se hubiera reflejado directamente en la superficie. La dispersión del subsuelo es importante para gráficos de computadora 3D realistas , siendo necesaria para el renderizado de materiales como mármol , piel , hojas , cera y leche . Si no se implementa la dispersión subterránea, el material puede parecer poco natural, como plástico o metal.

Técnicas de renderizado

La mayoría de los materiales que se utilizan hoy en día en los gráficos por computadora en tiempo real solo tienen en cuenta la interacción de la luz en la superficie de un objeto. En realidad, muchos materiales son ligeramente translúcidos: la luz penetra en la superficie; se absorbe, se dispersa y se vuelve a emitir, potencialmente en un punto diferente. La piel es un buen ejemplo de ello; solo alrededor del 6% de la reflectancia es directa, el 94% proviene de la dispersión subterránea. Una propiedad inherente de los materiales semitransparentes es la absorción. Cuanto más se desplaza la luz a través del material, mayor es la proporción absorbida. Para simular este efecto, se debe obtener una medida de la distancia que ha recorrido la luz a través del material.

SSS basado en mapas de profundidad

Estimación de profundidad mediante mapas de profundidad

Un método para estimar esta distancia es utilizar mapas de profundidad, de manera similar al mapeo de sombras . La escena se representa desde el punto de vista de la luz en un mapa de profundidad, de modo que se almacena la distancia a la superficie más cercana. El mapa de profundidad después se proyecta sobre ella usando el estándar de mapeo de proyección de la textura y la escena re-renderizados. En esta pasada, al sombrear un punto dado, la distancia desde la luz en el punto en el que el rayo entró en la superficie se puede obtener mediante una simple búsqueda de textura. Al restar este valor del punto en que el rayo salió del objeto, podemos obtener una estimación de la distancia que la luz ha viajado a través del objeto.

La medida de distancia obtenida por este método se puede utilizar de varias formas. Una de esas formas es usarlo para indexar directamente en una textura 1D creada por un artista que cae exponencialmente con la distancia. Este enfoque, combinado con otros modelos de iluminación más tradicionales, permite la creación de diferentes materiales como el mármol , el jade y la cera .

Potencialmente, pueden surgir problemas si los modelos no son convexos, pero se puede utilizar el pelado en profundidad para evitar el problema. De manera similar, el peeling en profundidad se puede utilizar para tener en cuenta las densidades variables debajo de la superficie, como huesos o músculos, para proporcionar un modelo de dispersión más preciso.

Como puede verse en la imagen de la cabeza de cera a la derecha, la luz no se difunde al atravesar el objeto con esta técnica; las características de la espalda se muestran claramente. Una solución a esto es tomar múltiples muestras en diferentes puntos de la superficie del mapa de profundidad. Alternativamente, se puede utilizar un enfoque diferente de aproximación, conocido como difusión de textura-espacio .

Difusión del espacio de textura

Como se señaló al comienzo de la sección, uno de los efectos más obvios de la dispersión del subsuelo es un desenfoque general de la iluminación difusa. En lugar de modificar arbitrariamente la función de difusión, la difusión se puede modelar con mayor precisión simulándola en el espacio de textura . Esta técnica fue pionera en la representación de rostros en The Matrix Reloaded , pero también se utiliza en el ámbito de las técnicas de representación en tiempo real.

El método desenvuelve la malla de un objeto utilizando un sombreador de vértices, calculando primero la iluminación en función de las coordenadas de vértice originales. Los vértices luego se reasignan usando las coordenadas de textura UV como la posición de la pantalla del vértice, transformado convenientemente del rango [0, 1] de coordenadas de textura al rango [-1, 1] de coordenadas del dispositivo normalizado. Al iluminar la malla sin envolver de esta manera, obtenemos una imagen 2D que representa la iluminación en el objeto, que luego se puede procesar y volver a aplicar al modelo como un mapa de luz . Para simular la difusión, la textura del mapa de luz simplemente se puede difuminar. Renderizar la iluminación a una textura de menor resolución proporciona en sí misma una cierta cantidad de desenfoque. La cantidad de desenfoque requerido para modelar con precisión la dispersión del subsuelo en la piel aún se encuentra bajo investigación activa, pero realizar un solo desenfoque modela de manera deficiente los efectos reales. Para emular la naturaleza de la difusión dependiente de la longitud de onda, las muestras utilizadas durante el desenfoque (gaussiano) se pueden ponderar por canal. Este es un proceso artístico. Para la piel humana, la dispersión más amplia está en rojo, luego en verde y el azul tiene muy poca dispersión.

Un beneficio importante de este método es su independencia de la resolución de pantalla; el sombreado se realiza solo una vez por texel en el mapa de textura, en lugar de por cada píxel del objeto. Por lo tanto, un requisito obvio es que el objeto tenga un buen mapeo UV, en el sentido de que cada punto de la textura debe mapear solo a un punto del objeto. Además, el uso de la difusión del espacio de textura proporciona uno de los varios factores que contribuyen a las sombras suaves, aliviando una de las causas de la deficiencia de realismo del mapeo de sombras .

Ver también

Referencias

enlaces externos