GPU Gems1 - 16 次表面散射的实时近似（Real-Time Approximations to Subsurface Scattering）

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

【章节概览】

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。

真实世界中的次表面散射

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 shading）float4 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 todark）float 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 table）half3 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[0，1]范围的纹理坐标重映射为[-1，1]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。