La dispersión subsuperficial ( SSS ), también conocida como transporte de luz subsuperficial ( SSLT ), [1] 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 potencialmente a una velocidad punto diferente. La luz generalmente penetra la superficie y se dispersa 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 realistas en 3D por computadora , siendo necesaria para la representación de materiales como mármol , piel , hojas , cera y leche . Si no se implementa la dispersión subsuperficial, el material puede parecer poco natural, como plástico o metal.
Para mejorar la eficiencia de la representación, muchos algoritmos de gráficos por computadora en tiempo real solo calculan la reflectancia en la *superficie* de un objeto. En realidad, muchos materiales son ligeramente translúcidos: la luz entra a la superficie; es absorbido, dispersado y reemitido, potencialmente en un punto diferente. La piel es un buen ejemplo de ello; sólo alrededor del 6% de la reflectancia es directa, el 94% proviene de la dispersión subsuperficial. [2] Una propiedad inherente de los materiales semitransparentes es la absorción. Cuanto más avanza 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.
Publicada por Pixar, esta técnica se considera el estado del arte. Generalmente integrado en un trazador de ruta. Básicamente, simula lo que les sucede a los fotones reales al trazar un camino de luz en el material, generando nuevos caminos usando una distribución lambertiana alrededor de la normal invertida, luego seleccionando nuevas direcciones en múltiples pasos para dispersar aún más el camino de la luz, de ahí el nombre "paseo aleatorio". . La dispersión isotrópica se simula seleccionando direcciones aleatorias de manera uniforme a lo largo de una esfera. La dispersión anisotrópica se simula normalmente utilizando la función de fase de Henyey-Greenstein. Por ejemplo, la piel humana tiene dispersión anisotrópica. La profundidad/absorción óptica se aplica en función de la longitud de los caminos, utilizando la ley de Beer-Lambert. Las rutas pueden terminar dentro del material cuando alcanzan un umbral mínimo de contribución o un recuento máximo de iteraciones. Cuando un camino (rayo) vuelve a tocar la superficie, se utiliza para recoger el resplandor de la escena, ponderado por una distribución lambertiana, como en un trazador de camino tradicional. Esta técnica es intuitiva y robusta frente a geometrías delgadas, etc.
Un método para estimar esta distancia es utilizar mapas de profundidad, [3] 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. Luego, el mapa de profundidad se proyecta sobre él utilizando un mapeo de textura proyectivo estándar y se vuelve a renderizar la escena. En esta pasada, al sombrear un punto determinado, la distancia desde la luz en el punto en que el rayo entró en la superficie se puede obtener mediante una simple búsqueda de textura. Restando este valor del punto en que el rayo salió del objeto podemos obtener una estimación de la distancia que la luz ha recorrido a través del objeto. [ cita necesaria ]
La medida de distancia obtenida por este método se puede utilizar de varias maneras. Una de esas formas es usarlo para indexar directamente en una textura 1D creada por un artista que cae exponencialmente con la distancia. Este planteamiento, combinado con otros modelos de iluminación más tradicionales, permite la creación de diferentes materiales como el mármol , el jade y la cera . [ cita necesaria ]
Potencialmente, pueden surgir problemas si los modelos no son convexos, pero se puede utilizar el pelado profundo [4] para evitar el problema. De manera similar, el pelado profundo se puede utilizar para tener en cuenta las diferentes densidades debajo de la superficie, como hueso o músculo, para brindar un modelo de dispersión más preciso.
Como se puede ver en la imagen del cabezal de cera a la derecha, la luz no se difunde al atravesar el objeto utilizando esta técnica; Las características de la espalda se muestran claramente. Una solución a esto es tomar varias muestras en diferentes puntos de la superficie del mapa de profundidad. Alternativamente, se puede utilizar un enfoque diferente de aproximación, conocido como difusión textura-espacio . [ cita necesaria ]
Como se señaló al comienzo de la sección, uno de los efectos más obvios de la dispersión subsuperficial es una borrosidad general de la iluminación difusa. En lugar de modificar arbitrariamente la función difusa, la difusión se puede modelar con mayor precisión simulándola en el espacio de textura . Esta técnica fue pionera en el renderizado de caras en The Matrix Reloaded , [5] pero también se utiliza en el ámbito de las técnicas de renderizado 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 vértices originales. Luego, los vértices se reasignan utilizando las coordenadas de textura UV como la posición en pantalla del vértice, transformadas adecuadamente del rango [0, 1] de coordenadas de textura al rango [-1, 1] de coordenadas normalizadas del dispositivo. Al iluminar la malla desenvuelta de esta manera, obtenemos una imagen 2D que representa la iluminación del 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 mismo una cierta cantidad de desenfoque. La cantidad de desenfoque necesaria para modelar con precisión la dispersión del subsuelo en la piel todavía está bajo investigación activa, pero realizar solo un desenfoque no modela adecuadamente los efectos reales. [6] Para emular la naturaleza dependiente de la longitud de onda de la difusión, las muestras utilizadas durante el desenfoque (gaussiano) se pueden ponderar por canal. Esto es algo así como un proceso artístico. Para la piel humana, la dispersión más amplia es en rojo, luego en verde y el azul tiene muy poca dispersión. [ cita necesaria ]
Una ventaja importante de este método es su independencia de la resolución de la 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 mapearse a un solo 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 . [ cita necesaria ]