（轉）GEM -次表面散射的實時近似

次表面散射（Subsurface Scattering），簡稱SSS，或3S，是光射入非金屬材質後在內部發生散射，

最後射出物體並進入視野中產生的現象，

即光從表面進入物體通過內部散射，而後又經過物體表面的其餘頂點出射的光線傳遞過程。

圖 次表面散射原理圖示

圖 真實環境中的次表面散射

要產生令人信服的皮膚和其餘半透明材質的渲染效果，次表面散射（Subsurface Scattering）的

渲染效果十分重要。

圖 有無次表面散射的渲染對比圖（左圖：使用次表面散射 | 右圖：無次表面散射）

另外須要提出，在《神祕海域4》中皮膚的渲染效果，很使人驚豔。固然，《神祕海域4》中

使人驚豔的，遠遠不止皮膚的渲染。

圖 基於次表面散射的皮膚渲染 @《神祕海域4》

本章即描述了次表面散射的幾種實時近似方法，關於皮膚的渲染，也關於近似地去模擬透明材

質的幾種不一樣方法。

【核心內容提煉】

4.1 次表面散射的視覺特性（The Visual Effects of Subsurface Scattering）

要重現出任何視覺效果，常常的作法是考察這種效果的圖像，並把可視的外觀分解爲其組成要

素。在觀察半透明物體的相片和圖像時，能注意到以下幾點，即次表面散射（Subsurface Scattering）的視覺特性：

1、首先，次表面散射每每使照明的總體效果變得柔和。

2、一個區域的光線每每滲透到表面的周圍區域，而小的表面細節變得看不清了。

3、光線傳入物體越深，就衰減和散射得越嚴重。

4、對於皮膚來講，在照亮區到陰影區的銜接處，散射每每會引發微弱的傾向於紅色的顏色偏移。

這是因爲光線照亮表皮並進入皮膚，接着被皮下血管和組織散射和吸取，而後從陰影部分離開。

且散射在皮膚薄的部位更加明顯，好比鼻孔和耳朵周圍。

圖 次表面散射原理圖示

4.2 簡單的散射近似（Simple Scattering Approximations）

近似散射的比較簡單技巧是環繞照明（Warp Lighting）。正常狀況下，當表面的法線

對於光源方向垂直的時候，Lambert漫反射提供的照明度是0。而環繞光照修改漫反

射函數，使得光照環繞在物體的周圍，越過那些正常時會變黑變暗的點。這減小了漫

反射光照明的對比度，從而減小了環境光和所要求的填充光的量。環繞光照是對Oren-Nayar

光照模型的一個粗糙的近似。原模型力圖更精確地模擬粗糙的不光滑表面（Nayar and Oren 1995）。

下圖和代碼片斷顯示瞭如何將漫反射光照函數進行改造，使其包含環繞效果。

其中，wrap變量爲環繞值，是一個範圍爲0到1之間的浮點數，用於控制光照環繞物體周圍距離。

圖 環繞光照函數的圖表

float diffuse = max(0, dot(L, N));

float wrap_diffuse = max(0, (dot(L, N) + wrap) / (1 + wrap));

爲了在片元函數程序中的計算能夠更加高效，上述函數能夠直接編碼到紋理中，用光線

矢量和法線的點積爲索引。

而在照明度接近0時，能夠顯示出那種傾向於紅的微小顏色漂移，這是模擬皮膚散射的

一種廉價方法。而這種偏向於紅色的微小顏色漂移，也能夠直接加入到此紋理中。

另外也能夠在此紋理的alpha通道中加入鏡面反射高光光照的功率（power）函數。

能夠在示例代碼Example 16-1中的FX代碼展現瞭如何使用這種技術。對比的圖示以下。

圖 （a）沒有環繞光照的球體 （b）有環繞光照明的球體 （c）有環繞光照明和顏色漂移的球體

Example 16-1 摘錄歸入了環繞照明的皮膚Shader效果的代碼（Excerpt from the Skin Shader

Effect Incorporating Wrap Lighting）

// 爲皮膚着色生成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 lighting

float diffuse = max(NdotL_wrap, 0.0);

// 在從明到暗的轉換中添加顏色色調（add color tint at transition from light to
        dark）

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;

}

// 使用查找表着色皮膚（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 使用深度貼圖模擬吸取（Simulating Absorption Using Depth Maps）

吸取（Absorption）是模擬半透明材質的最重要特性之一。光線在物質中傳播得越遠，

它被散射和吸取得就越厲害。

爲了模擬這種效果，咱們須要測量光在物質中傳播的距離。

而估算這個距離可使用深度貼圖（Depth Maps）技術[Hery 2002]，此技術很是相似

於陰影貼圖(Shadow Mapping)，

並且可用於實時渲染。

圖 使用深度貼圖計算光在物體中的傳播的距離

深度貼圖（Depth Maps）技術的思路是：

在第一個通道（first pass）中，咱們從光源的視點處渲染場景，存儲從光源到某個紋理的距離。

而後使用標準的投射紋理貼圖（standard projective texture mapping），將該圖像投射回場景。

在渲染通道（rendering pass）中，給定一個須要着色的點，咱們能夠查詢這個紋理，來得到

從光線進入表面的點（d_i）到光源間距離，經過從光線到光線離開表面的距離（d_o）裏減去

這個值，咱們即可以得到光線轉過物體內部距離長度的一個估計值（S）。如上圖。

原文中詳細分析了此方法的實現過程，也附帶了完整的Shader源碼，具體細節能夠查看原文，

這裏由於篇幅緣由就不展開了。

圖 使用深度貼圖去近似散射，物體上薄的部位傳輸更多的光

也有一些更高端的模型試圖更精確地模擬介質內散射的累積效應。

一種模型是單次散射近似（Single Scattering Approximation），其假設光在材質中只

反彈一次，

沿着材質內的折射光線，能夠計算有多少光子會朝向攝像機散射。當光擊中一個粒子

的時候，

光散射方向的分佈用相位函數來描述。而考慮入射點和出射點的菲涅爾效應也很重要。

另外一種模型，是近似漫反射（Diffusion Approximation），其用來模擬高散射介質（如皮

膚）的屢次散射效果。

4.4 紋理空間的漫反射（Texture-Space Diffusion）

次表面散射最明顯的視覺特徵之一是模糊的光照效果。其實，3D美術時常在屏幕空間中

效仿這個現象，經過在Photoshop中執行Gaussian模糊，而後把模糊圖像少許地覆蓋在

原始圖像上，這種"輝光"技術使光照變得柔和。

而在紋理空間中模擬漫反射[Borshukov and Lewis 2003]，即紋理空間漫反射（Texture-S

pace Diffusion）是可能的，咱們能夠用頂點程序展開物體的網格，程序使用紋理座標UV

做爲頂點的屏幕位置。程序簡單地把[0，1]範圍的紋理座標重映射爲[-1，1]的規範化的座標。

另外，爲了模擬吸取和散射與波長的相關的事實，能夠對每一個彩色通道分爲地改變濾波權重。

圖 （a）原始模型 （b）應用了紋理空間漫反射照明的模型，光照變得柔和

圖 基於紋理空間漫反射照明的效果

一樣，原文中詳細分析了此方法的實現過程，也附帶了完整的Shader源碼，具體細節

能夠查看原文，這裏由於篇幅緣由就不展開了。

再附幾張基於次表面散射的皮膚渲染效果圖，結束這一節。

圖 基於次表面散射的皮膚渲染

圖 基於次表面散射的皮膚渲染 @Unreal Engine 4

圖 基於次表面散射的皮膚渲染 @《神祕海域4》

圖 基於次表面散射的皮膚渲染 @《神祕海域4》

【核心要點總結】

文中提出的次表面散射的實時近似方法，總結起來有三個要點：

1） 基於環繞照明（Warp Lighting）的簡單散射近似，Oren-Nayar光照模型。

2） 使用深度貼圖來模擬半透明材質的最重要特性之一——吸取（Absorption）。

3）基於紋理空間中的漫反射模擬（Texture-Space Diffusion），來模擬次表面散

射最明顯的視覺特徵之一——模糊的光照效果。

【本章配套源代碼彙總表】

Example 16-1 摘錄歸入了環繞照明的皮膚Shader效果的代碼

（Excerpt from the Skin Shader Effect Incorporating Wrap Lighting）

Example 16-2 深度Pass的頂點Shader代碼

（The Vertex Program for the Depth Pass）

Example 16-3　深度Pass的片元Shader代碼

（The Fragment Program for the Depth Pass）

Example 16-4　使用深度貼圖來計算穿透深度的片元Shader代碼

（The Fragment Program Function for Calculating Penetration Depth Using Depth Map）

Example 16-5　用於展開模型和執行漫反射光照的頂點Shader代碼

（A Vertex Program to Unwrap a Model and Perform Diffuse Lighting）

Example 16-6 用於漫反射模糊的頂點Shader代碼

（The Vertex Program for Diffusion Blur）

Example 16-7 用於漫反射模糊的片元Shader代碼

（The Fragment Program for Diffusion Blur）

【關鍵詞提煉】

皮膚渲染（Skin Rendering）

次表面散射（Subsurface Scattering）

紋理空間漫反射（Texture-Space Diffusion）

環繞照明（Warp Lighting）

深度映射（Depth Maps）

   

來自 <https://github.com/QianMo/Game-Programmer-Study-Notes/blob/master/Content/%E3%80%8AGPU%20Gems%201%E3%80%8B%E5%85%A8%E4%B9%A6%E6%8F%90%E7%82%BC%E6%80%BB%E7%BB%93/README.md#%E4%B8%80%E3%80%81-%E7%94%A8%E7%89%A9%E7%90%86%E6%A8%A1%E5%9E%8B%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E9%AB%98%E6%95%88%E7%9A%84%E6%B0%B4%E6%A8%A1%E6%8B%9F%EF%BC%88effective-water-simulation-from-physical-models%EF%BC%89>