Volumenstreuung

Volumenstreuung (englisch subsurface scattering, Abkürzung SSS) bezeichnet die Streuung des Lichtes in transluzenten Körpern.

Prinzip

Transluzente Körper sind teilweise lichtdurchlässig. Im Gegensatz zu lichtundurchlässigen Körpern reflektieren sie auftreffendes Licht daher nicht nur direkt an ihrer Oberfläche, sondern teils erst, nachdem es in die Materie eingedrungen ist.

Bei einigen Körpern erfolgt die Reflexion an einer Schicht unterhalb der festen Oberfläche, so etwa bei Spiegelglas, das unter einer durchsichtigen Glasschicht eine nahezu vollständig reflektierende Silberschicht aufweist. Bei anderen Körpern liegen mehrere teilweise lichtdurchlässige Schichten übereinander, z. B. bei organischen Stoffen wie Haut und Zellulose. Körper wie Gaswolken sind einfach nicht dicht genug, um als feste Oberfläche zu wirken; ob und wann das Licht auf einen reflektierenden Partikel trifft, ist durch den Zufall bestimmt. In wieder anderen Stoffen, hauptsächlich Emulsionen wie z. B. Milch, sind verschiedene Stoffe mit verschiedenen Lichtdurchlässigkeiten gemischt; das Licht wird darin zwischen Materieansammlungen hin- und her reflektiert.

Transluzente Körper verletzen durch diese Effekte scheinbar das Reflexionsgesetz, denn betrachtet man die äußere Oberfläche, so sind Ausfallswinkel und Einfallswinkel keinesfalls immer gleich – mehr noch: Ein Lichtstrahl kann an einer Stelle unter einem Winkel in den Körper eintreten und an einer völlig anderen Stelle unter einem völlig anderen Winkel wieder austreten. Dieser Effekt macht das Verhalten des Lichts praktisch unvorhersehbar. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Austrittspunkte und -winkel der Lichtstrahlen entsprechend dem eintretenden Lichtstrahl lässt sich mit einer BSSRDF modellieren.

Bedeutung in der Computergrafik

Von Bedeutung ist die Volumenstreuung bei der 3D-Computergrafik, bei der man versucht, das Aussehen von Materialien wie Haut, Marmor, Milch oder Wolken möglichst naturgetreu zu simulieren.

Zu den Renderverfahren, die zur Simulation von Volumenstreuung genutzt werden können, zählt Photon Mapping. Hierbei wird eine sogenannte Volume photon map verwendet; diese Methode wurde 1998 vorgestellt.^[1] Auch Metropolis Light Transport, ein Renderverfahren zur globalen Beleuchtung, kann zur Simulation von Volumenstreuung genutzt werden.^[2]

2001 wurde ein Näherungsverfahren entwickelt, das bei für viele Anwendungen vernachlässigbaren Unterschieden den Zeitaufwand gegenüber diesen Methoden enorm verringert. Diese sogenannte Dipol-Approximation wurde von Henrik Wann Jensen und anderen in einer SIGGRAPH-Publikation veröffentlicht^[3] und 2002 weiterentwickelt^[4]. 2005 wurde das Verfahren nochmals weiterentwickelt, um auch dünne Objekte und mehrere, unterschiedlich streuende Schichten zu simulieren^[5].

Eine neuere, effiziente Methode zur Simulation von Volumenstreuung und anderen Effekten sind Multidimensional Lightcuts.^[6]

Beispiele für Anwendungen der Volumenstreuung sind die Filme Matrix 2, Matrix 3, Shrek und die Figur des Gollum in den Filmen der Der-Herr-der-Ringe-Trilogie.

Weblinks

• PixelBox Academy (Memento vom 11. März 2007 im Internet Archive)
• Theorie und Verwendung von SSS in Mental Ray (Memento vom 12. Oktober 2007 im Internet Archive)(englisch)
• SSS-Grafikdemonstration für ATI-Radeon-Grafikkarten (Memento vom 12. August 2012 im Internet Archive)Video
• Der Einsatz von physikalisch annähernd korrektem SSS in Mental Ray (Memento vom 17. Juni 2012 im Internet Archive) (englisch; PDF; 2,95 MB)
• SSS für den Einsatz bei (menschlicher) Haut – für Mental Ray (Memento vom 31. Januar 2012 im Internet Archive) (englisch; PDF; 1,45 MB)
• www.lamrug.org – Tipps, Tricks und Tutorials für den Einsatz von SSS (Memento vom 2. Juli 2012 im Internet Archive) (englisch)
• Beispielbilder von Henrik Wann Jensen (Memento vom 10. Oktober 2017 im Internet Archive)

Quellen

1. ↑ Henrik Wann Jensen, Per H. Christensen: Efficient simulation of light transport in scenes with participating media using photon maps. In: Proceedings of SIGGRAPH 1998
2. ↑ Mark Pauly, Thomas Kollig, Alexander Keller: Metropolis Light Transport for Participating Media (Memento vom 26. Juni 2007 im Internet Archive) (PDF-Datei, 1,8 MB) In Proceedings of the Eurographics Workshop on Rendering Techniques 2000
3. ↑ Henrik Wann Jensen, Stephen R. Marschner, Marc Levoy, Pat Hanrahan: A Practical Model for Subsurface Light Transport. (PDF-Datei, 2,3 MB) In Proceedings of SIGGRAPH 2001
4. ↑ Henrik Wann Jensen, Juan Buhler: A Rapid Hierarchical Rendering Technique for Translucent Materials. (Memento vom 30. Oktober 2011 im Internet Archive) (PDF-Datei, 1,1 MB) In Proceedings of SIGGRAPH 2002
5. ↑ Craig Donner, Henrik Wann Jensen: Light Diffusion in Multi-Layered Translucent Materials. (Memento vom 8. September 2017 im Internet Archive) (PDF-Datei, 6,5 MB) In Proceedings of SIGGRAPH 2005
6. ↑ Bruce Walter u. a.: Multidimensional Lightcuts. (PDF-Datei, 2 MB) In Proceedings of SIGGRAPH 2006