La dispersione sottosuperficiale, o subsurface scattering (SSS), è un fenomeno di rendering che simula il modo in cui la luce interagisce con materiali traslucidi come pelle, cera o latte, i quali hanno la proprietà di farla penetrare sotto la superficie, disperderla al loro interno e farla fuoriuscire da punti diversi.
Il subsurface scattering in V-Ray per rendering più realistici
Come artisti 3D, cerchiamo sempre il rendering perfetto. Capire come la luce interagisce con gli oggetti è fondamentale per raggiungere il fotorealismo. Mentre alcuni oggetti riflettono la maggior parte della luce, altri la assorbono e la fanno passare attraverso in punti differenti, in un fenomeno noto come subsurface scattering (SSS). In questo articolo esploreremo i dettagli di questo fenomeno e come utilizzarlo in V-Ray per creare rendering realistici.
NdR
Brute-force random walk è un termine tecnico, spesso utilizzato nel contesto della grafica 3D e del rendering.
Il random walk è una tecnica matematica e computazionale che simula il percorso irregolare che una particella (in questo caso, un raggio di luce) compie quando entra in un materiale traslucido.
Il termine brute-force si riferisce al fatto che il calcolo del random walk viene eseguito in modo esauriente e fisicamente accurato, senza approssimazioni significative o scorciatoie.
La fisica dietro il subsurface scattering
Il subsurface scattering si verifica quando la luce attraversa una superficie traslucida (come un bicchiere di latte o delle foglie illuminate dal sole), viene assorbita, diffusa e riemessa.
Per meglio comprendere questo concetto, alza la mano verso la luce e noterai un bagliore caldo attorno a essa, che illumina vene, pori, pieghe e rughe. La pelle è uno degli esempi migliori del fenomeno della dispersione subsuperficiale: meno del 10% della luce viene riflessa direttamente dalla superficie, mentre il resto viene diffuso al di sotto della superficie tramite il subsurface scattering.
Nel mondo della grafica 3D, se non si applica il subsurface scattering, gli oggetti traslucidi come carta, cera, marmo e pelle appariranno opachi e mancheranno di fotorealismo.
Shaders V-Ray e strumenti per il subsurface scattering
V-Ray offre un set completo di strumenti per il rendering del subsurface scattering. Vediamoli nel dettaglio.
Shaders fisici per il subsurface scattering
Per chi cerca la massima accuratezza, il V-Ray Material, uno shader fisico per SSS, include un approccio brute-force random walk che imita fedelmente il comportamento della luce nel mondo reale. Questo metodo è simile a quello dello shader vrayScatterVolume ed è ben integrato con gli altri livelli di shading del materiale.
I vari settaggi disponibili in entrambi gli shader offrono grande flessibilità e un’ottimizzazione delle risorse, a seconda del risultato desiderato, da sottili strati di liquido, a lastre più spesse di alabastro, con simulazioni accurate.
Shaders veloci per lo sviluppo del look
Per uno sviluppo rapido del look, con lievi compromessi in termini di accuratezza, V-Ray offre il noto ALShader, uno shader veloce ideale per impostare rapidamente simulazioni di pelle e altri materiali complessi e stratificati per il subsurface scattering. Basato anch’esso su brute-force random walk, include profili direzionali e di diffusione per adattarsi meglio alle esigenze dell’utente.
Considerazioni sul rendering
Affinché questi shader funzionino al meglio, l’utente deve tenere conto dell’intera gamma dei fattori in gioco: l’illuminazione, l’illuminazione globale e le geometrie accessorie (ad esempio, i semi all’interno degli acini d’uva).
Shader SSS ottimizzato in velocità: vrayFastSSS
Lo shader vrayFastSSS utilizza calcoli rapidi del subsurface scattering. Non richiede global illumination e non tiene conto della geometria sotto la superficie dello shader, ma può calcolare approssimazioni molto convincenti di subsurface scattering in liquidi spessi, piante e vegetazione in generale, e persino figure umane non troppo vicine.
Componenti del subsurface scattering
Il subsurface scattering può essere suddiviso in diverse componenti, a seconda di come la luce interagisce con l’interno di un materiale. Queste interazioni determinano la morbidezza, la profondità, il bleeding dei colori, la direzionalità della luce e la traslucenza.
Forward scattering
Si verifica quando la luce entra in un oggetto e continua a muoversi nella stessa direzione del raggio luminoso originale. Tipico di materiali sottili o leggermente traslucidi come foglie e pelle.
Back scattering
Si verifica quando la luce entra nella superficie di un oggetto ma viene riflessa indietro verso la direzione da cui proviene. Più comune in materiali densi o complessi.
Proprietà SSS dei materiali V-Ray e loro applicazioni
In V-Ray la subsurface scattering non è frutto di un singolo settaggio o impostazione, ma un effetto che emerge da una combinazione di scelta del materiale, proprietà dell’oggetto (es., variazioni di spessore, curvature) e condizioni di illuminazione. La combinazione i questi fattori definisce il comportamento dei singoli shaders in V-Ray.
Di seguito sono riportati diversi shader V-Ray che possono essere utilizzati per simulare diversi effetti di subsurface scattering, insieme alle loro caratteristiche uniche.
Nome Shader V-Ray: VRayMtl
Implementato in: 3ds Max, Maya, Blender, Cinema 4D, Rhino, SketchUp, Houdini, Revit
Caratteristiche:
- shader universale in grado di ricreare ogni tipo di effetto;
- ha un livello di traslucenza che permette di simulare la SSS;
- può simulare la SSS in oggetti solidi (pelle, cera, cibo, marmo, plastica, ecc.) e in oggetti rifrangenti (liquidi);
- ha una modalità a parete sottile che permette di simulare una corretta traslucenza in oggetti che solitamente vengono modellati senza spessore, come carta e foglie d’albero;
- può sfruttare altri livelli dello shader (rivestimento, autoilluminazione) senza la necessità di fondere materiali diversi.
Nome Shader V-Ray: VRayFastSSS2
Implementato in: 3ds Max, Maya, Blender, Cinema 4D, Rhino, SketchUp
Caratteristiche:
- più veloce di VRayMtl per la traslucenza, ma con una qualità inferiore, ideale per SSS semplici come liquidi o oggetti di sfondo;
- adatto a qualsiasi tipo di shader SSS;
- può essere utilizzato in materiali di fusione per sovrapporre più livelli SSS o aggiungere più livelli di riflessione.
Nome Shader V-Ray: VRayAlSurface
Implementato in: 3ds Max, Maya, Cinema 4D, Blender, Houdini
Caratteristiche:
- può essere utilizzato per qualsiasi cosa, ma principalmente per la pelle dei personaggi;
- tre livelli SSS con controllo preciso per simulare gli strati della pelle (colore superficiale, muscoli sotto la superficie, vene, ecc.);
- due livelli di riflessione (uno per la base con minore lucentezza, uno per il sebo/sudore della pelle con maggiore lucentezza).
Nome Shader V-Ray: VRayScatterVolume
Implementato in: 3ds Max, Blender, Cinema 4D
Caratteristiche:
- un layer SSS solitamente utilizzato in un materiale di fusione per combinarlo con altri effetti come rilievi e riflessi, ottimo per creare elementi come frammenti di ghiaccio.
Nome Shader V-Ray: VRay2SidedMtl
Implementato in: 3ds Max, Maya, Blender, Cinema 4D, Rhino, SketchUp, Houdini, Revit
Caratteristiche:
- non si tratta di un vero e proprio effetto di subsurface scattering, poiché la luce attraversa la superficie anziché diffondersi al suo interno;
- ideale per oggetti sottili come foglie, carta o tessuto, dove la luce dovrebbe essere visibile sul retro;
- supporta l’assegnazione di materiali diversi al lato anteriore e posteriore di una superficie, ideale per effetti come foglie, tessuto o pagine di libri bifacciali;
- sebbene a volte sia possibile ottenere un aspetto traslucido simile utilizzando l’opzione a parete sottile in VRayMtl, questo si applica maggiormente a superfici aperte molto sottili, non a mesh chiuse e voluminose.
Utilizzo dello Scattering Volumetrico (VRayMtl)
Drago di Giada/Marmo
- Applicare un materiale VRay standard all’oggetto.
Si potrebbe conferirgli un po’ di riflettività impostando il colore di riflessione su grigio medio. - Abilitare le rifrazioni è un passaggio importante per abilitare le capacità di traslucenza del materiale VRay. Quindi, impostiare il colore di rifrazione su bianco.
- Dopodiché, bisogna scegliere il tipo di traslucenza. Optare per il volumetrico.
- Giocando con il colore della nebbia e la profondità, è possibile regolare il colore generale del materiale e la sua morbidezza. Utilizzando il colore di dispersione, si può impostare il colore della dispersione.
Utilizzo di VRayFastSSS2
Candele
- Applicare lo shader VRayFastSSS2 all’oggetto: ideale per pelle, cera, marmo e altri materiali organici.
- Per creare un materiale in cera, si può giocare con il colore del subsurface e il colore di scatter. Ad esempio, impostare il colore del il primo su un colore giallo, che sarà il colore principale della candela. E impostare il colore di dispersione su arancione, che sarà visibile nelle parti sottili della geometria della candela. In questo modo, nell’area intorno alla fiamma della candela, apparirà più arancione.
- In seguito, giocare con il parametro del raggio di dispersione. Nel caso della cera, è consigliabile consentire alla luce di diffondersi più in profondità sotto la superficie, quindi 2 cm dovrebbero essere sufficienti.
- Infine, per creare un materiale come la cera, c’è bisogno di un approccio di dispersione in avanti più efficace, quindi impostare la funzione di fase a 0,8 per tenerne conto.
Utilizzo di VrayAlSurface
Primo piano volto di donna
- Applicare VRayAlSurface all’ggetto: questo shader è versatile e progettato per pelle realistica e materiali stratificati.
- Impostare il colore diffuso per l’aspetto generale del materiale. Può essere un colore piatto o una mappa texture. In questo esempio, è stata utilizzata una mappa texture.
- Assicurarsi di abilitare la dispersione subsuperficiale impostando il parametro “SSS mix” a 1.0.
- Si può sperimentare con i parametri e i colori dei tre livelli SSS per ottenere il tipo di pelle desiderato. Anche i valori predefiniti possono dare risultati piuttosto soddisfacenti.
- Se c’è una texture normale o a rilievo, si può anche inserirla per dare al materiale un ulteriore livello di dettaglio.
- Infine, regolare la riflettività del materiale giocando con il colore di riflessione e il parametro di rugosità.
Utilizzo di VRayFastSSS2
Dispersione in avanti/indietro/isotropica
- Applicare VRayFastSSS2 all’oggetto: ideale per pelle, cera, marmo e altri materiali organici.
- Impostare un colore o una texture generale che fungerà da colore di base.
- Sperimentare con il colore di dispersione per regolare il colore di dispersione subsuperficiale del materiale. È visibile principalmente nelle parti sottili della geometria (ad esempio, le orecchie di un personaggio).
- Regolando il parametro del raggio di dispersione, si controlla la profondità della luce diffusa all’interno del materiale.
- Infine passare da un tipo di dispersione all’altro utilizzando il parametro della funzione di fase. Se il parametro della funzione di fase è impostato su 0, si parla di dispersione isotropica. Ciò significa che la luce si diffonde uniformemente in tutte le direzioni. Un valore di -1,0 attiverebbe la dispersione all’indietro. In questa condizione, la maggior parte della luce rimbalza nella direzione da cui proviene. Infine un valore di 1,0 innescherebbe la diffusione in avanti. In questa condizione, la luce si diffonde prevalentemente in avanti.
Utilizzo di VRayScatterVolume
Sfera ghiacciata
- Il materiale VRayScatterVolume è progettato esclusivamente come opzione brute-force per SSS, per produrre un risultato imparziale. Se utilizzato come materiale di base in un VRayBlendMtl, può creare materiali complessi con una base di scattering subsuperficiale. Ad esempio, si può creare un materiale ghiaccio utilizzando VRayScatterVolume.
- Bisogna impostare un colore generale che funga da base. Nell’esempio scegliamo l’azzurro.
- In seguito, si può sperimentare con il colore subsuperficiale e di scattering fino a ottenere il risultato desiderato.
- Bisognerà anche sperimentare con il parametro del raggio di scattering per controllare la profondità di diffusione della luce sotto la superficie.
- Infine, c’è da regolare il parametro della funzione di fase. Per creare ghiaccio, potremmo impostare il parametro della funzione di fase a 0,15 per favorire leggermente lo scattering in avanti.
Utilizzo di VRay2SidedMtl
Foglie autunnali
Applicazioni pratiche e casi studio
Ritratto digitale e design di personaggi
Un ottimo esempio di subsurface scattering in azione è il modo in cui le orecchie retroilluminate sembrano brillare nelle loro aree più sottili, rivelando come la luce penetra e si diffonde attraverso queste regioni. Grazie alla sua capacità di produrre un notevole livello di realismo, la subsurface scattering si rivela spesso una tecnica preziosa per creare maggiori dettagli nelle texture della pelle realistiche nella ritrattistica digitale e nel character design.
Rendering di gioco e ambienti immersivi
Un altro esempio evidente di SSS si riscontra negli ambienti di illuminazione in cui viene utilizzata una forte retroilluminazione direzionale, mentre l’illuminazione frontale può ridurne la visibilità. Questa tecnica è comunemente utilizzata nei software di rendering per videogame, per creare ambienti immersivi che coinvolgono i giocatori, facendoli sentire parte integrante dell’azione.
Visualizzazione di prodotti nella pubblicità
Questa tecnica è utilizzata anche nella visualizzazione di prodotti, in particolare nella pubblicità di cosmetici e alimenti. L’SSS migliora l’aspetto di creme, lozioni e gel per la pelle conferendo loro una qualità morbida e traslucida che evoca ricchezza e giovinezza. Quando si utilizza un software di rendering 3D per la progettazione di prodotti alimentari, l’SSS aggiunge un elevato livello di fotorealismo ad articoli come caramelle, frutta fresca e bevande di ogni tipo, simulando il modo in cui la luce si diffonde delicatamente sotto le loro superfici, rendendoli più appetitosi.
Caso studio: il progetto Wooden Metropolis
Il progetto Wooden Metropolis non solo rappresenta un ottimo caso studio di subsurface scattering in V-Ray, ma dimostra anche il potente impatto sociale che la visualizzazione 3D può generare. Pubblicità per la ONG Robin Wood, il progetto richiama l’attenzione sull’allarmante tasso di deforestazione, affrontando il problema dell’urbanizzazione e sottolineando che ogni giorno viene persa un’area boschiva più grande di New York City. Il team di PX Group si è affidato al materiale Fast SSS2 di V-Ray per replicare in modo autentico l’aspetto del legno fresco.
Abbiamo iniziato osservando il pezzo più piccolo del puzzle: quando un albero viene spaccato, le schegge fresche appaiono leggermente lucide, quasi come porcellana o carne di pollo bianca. Osservandole più attentamente, una luce rossastra si diffonde all’interno delle punte delle schegge. In natura, questo effetto traslucido è molto sottile e più evidente quando le schegge sono illuminate da dietro. Abbiamo pensato che lo shader più ovvio per ottenere questo effetto fosse il materiale Sub Surface Scattering di V-Ray, fast SSS2.
Christian Sturm, 3D Artist
Sfide e strategie di ottimizzazione
È importante ricordare che il subsurface scattering potrebbe apparire leggermente impreciso a causa di problemi come facce sovrapposte, oggetti solidi non chiusi (fori, vertici non saldati), mancanza di spessore e ridimensionamento errato. Per evitare che ciò accada, bisogna cercare di non avere fretta quando si lavora su un progetto. Assicurarsi che la geometria sia pulita, osservando attentamente e correggendo eventuali irregolarità degli oggetti.
Qual è lo stato dell’arte del Substance scattering
Il subsurface scattering è uno strumento eccellente per aggiungere un ulteriore livello di fotorealismo ai rendering. Tiene conto delle proprietà fisiche della luce e del modo in cui interagisce con ogni singolo oggetto, impedendo loro di apparire plastici e creando una rappresentazione realistica dell’ambiente circostante la scena.
FAQs
Dovrei usare il Subsurface Scattering?
Dovresti assolutamente usare l’SSS, soprattutto per gli oggetti traslucidi. Può fare un’enorme differenza nella creazione di pelle, cera, marmo, liquidi, fogliame e altro ancora realistici.
Quali oggetti presentano il subsurface scattering?
Qualsiasi materiale semitrasparente in cui la luce diffusa si diffonde all’interno: pelle, cera, marmo e giada, frutta, latte, succo, foglie sono solo alcuni esempi.
Come posso migliorare i miei rendering usando il subsurface scattering?
Usa SSS per i materiali giusti e sperimenta con diversi shader per vedere quale funziona meglio.
Abilitare il subsurface scattering aumenta i tempi di rendering?
Sì, ma se usato in modo intelligente, non di molto. Puoi gestire le prestazioni usandolo in modo selettivo e tenendo presente che è un compromesso tra tempo e qualità.
Perché il subsurface scattering è importante per gli artisti 3D?
Il subsurface scattering imita il modo in cui la luce interagisce con i materiali reali attraverso la diffusione. Senza SSS, i materiali mancano di profondità e appaiono artificiali: la pelle sembra di plastica, la cera sembra piatta e i personaggi, i primi piani e le foto dei prodotti mancano di fotorealismo.
