Diffusion souterraine

La diffusion sous la surface ( DSS ), également appelée transport de lumière sous la surface ( TLSS ) , est un mécanisme de transport de la lumière dans lequel la lumière qui pénètre la surface d'un objet translucide est diffusée par interaction avec le sous un angle différent de celui qu'elle aurait eu si elle avait été réfléchie directement par la surface.

La diffusion sous la surface est essentielle pour des images de synthèse 3D réalistes , notamment pour le rendu de matériaux comme le marbre , la peau , les feuilles , la cire et le lait . Sans elle, le matériau peut paraître artificiel, comme du plastique ou du métal.

Pour améliorer l'efficacité du rendu, de nombreux algorithmes d'infographie temps réel ne calculent que la réflectance à la surface d'un objet. En réalité, de nombreux matériaux sont légèrement translucides : la lumière pénètre à leur surface, est absorbée, diffusée et réémise , potentiellement à un autre endroit. La peau en est un bon exemple ; seulement 6 % environ de la réflectance est directe, les 94 % restants provenant de la diffusion sous la surface. L'absorption est une propriété inhérente aux matériaux semi-transparents. Plus la lumière traverse le matériau, plus la proportion absorbée est importante. Pour simuler cet effet, il est nécessaire de mesurer la distance parcourue par la lumière à travers le matériau.

Publiée par Pixar, cette technique est considérée comme une référence et est généralement intégrée à un moteur de rendu par lancer de rayons. Elle simule le comportement des photons réels en traçant un trajet lumineux dans le matériau, en générant de nouveaux trajets à l'aide d'une distribution lambertienne autour de la normale inversée, puis en sélectionnant de nouvelles directions à plusieurs étapes pour diffuser davantage le trajet lumineux, d'où le nom de « marche aléatoire ». La diffusion isotrope est simulée en sélectionnant des directions aléatoires uniformément réparties le long d'une sphère. La diffusion anisotrope est généralement simulée à l'aide de la fonction de phase de Henyey-Greenstein. Par exemple, la peau humaine présente une diffusion anisotrope. La profondeur optique/l'absorption est appliquée en fonction de la longueur des trajets, selon la loi de Beer-Lambert. Les trajets peuvent être interrompus à l'intérieur du matériau lorsqu'ils atteignent un seuil minimal de contribution ou un nombre maximal d'itérations. Lorsqu'un trajet (rayon) atteint à nouveau la surface, il est utilisé pour collecter la radiance de la scène, pondérée par une distribution lambertienne, comme dans un moteur de rendu par lancer de rayons classique. Cette technique est intuitive et robuste face aux géométries fines.

Une méthode d'estimation de cette distance consiste à utiliser des cartes de profondeur , de manière similaire au shadow mapping . La scène est rendue du point de vue de la source lumineuse dans une carte de profondeur, ce qui permet de stocker la distance à la surface la plus proche. Cette carte de profondeur est ensuite projetée sur la surface à l'aide d'une texture projective standard , puis la scène est rendue à nouveau. Lors de cette passe, pour l'ombrage d'un point donné, la distance entre la source lumineuse et le point d'entrée du rayon sur la surface peut être obtenue par une simple recherche dans la texture. En soustrayant cette valeur de la distance au point de sortie du rayon, on obtient une estimation de la distance parcourue par la lumière à travers l'objet.le marbre , le jade et la cire .le peeling en profondeur permet de les éviter. De même, le peeling en profondeur permet de prendre en compte les variations de densité sous la surface, comme la présence d'os ou de muscles, afin d'obtenir un modèle de diffusion plus précis.

Comme on peut le constater sur l'image de la tête en cire à droite, la lumière n'est pas diffusée lorsqu'elle traverse l'objet avec cette technique ; les détails à l'arrière sont clairement visibles. Une solution consiste à prélever plusieurs échantillons à différents points de la surface de la carte de profondeur. Une autre approche d'approximation, appelée diffusion dans l'espace de texture , peut également être utilisée.espace des textures . Cette technique a été utilisée pour la première fois dans le rendu des visages de Matrix Reloaded , mais elle est également employée dans le domaine du rendu en temps réel.

La méthode déplie le maillage d'un objet à l'aide d'un shader de vertex, en calculant d'abord l'éclairage à partir des coordonnées originales des sommets. Ces derniers sont ensuite remappés en utilisant les coordonnées de texture UV comme position à l'écran, après transformation de l'intervalle [0, 1] des coordonnées de texture vers l'intervalle [-1, 1] des coordonnées normalisées du périphérique. En éclairant le maillage déplié de cette manière, on obtient une image 2D représentant l'éclairage de l'objet, qui peut ensuite être traitée et réappliquée au modèle sous forme de lightmap . Pour simuler la diffusion, la texture de la lightmap peut être simplement floutée. Le rendu de l'éclairage sur une texture de plus basse résolution induit déjà un certain flou. Le degré de flou nécessaire pour modéliser avec précision la diffusion sous la surface de la peau fait encore l'objet de recherches actives, mais un simple flou ne permet pas de modéliser correctement les effets réels. Pour émuler la dépendance de la diffusion à la longueur d'onde, les échantillons utilisés lors du flou (gaussien) peuvent être pondérés par canal. Il s'agit d'un processus quelque peu artistique. Pour la peau humaine, la diffusion la plus importante se situe dans le rouge, puis dans le vert, et le bleu présente une diffusion très faible.shadow mapping .

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