2025年3月18日

Evergine 中的次表面散射 (SSS)

简介

Evergine 已集成对次表面散射 (SSS) 解决方案的支持，这是实现照片级真实感材质的重要特性。这将显著提升对复杂材质（如皮肤、蜡、大理石及其他光线穿透并在表面下散射后透出的半透明表面）的表现力。

什么是 SSS？

图 1 不同的半透明材质（皮肤、蜡和树叶）

次表面散射 (SSS) 是一种解释光线与半透明或部分透明材质交互方式的机制。与仅考虑表面反射的标准着色模型不同，SSS 考虑了光线如何进入材质、在其内部反弹并从不同点射出的过程。这种效果对于捕捉有机和半透明物体特有的柔和、漫射光晕至关重要，使其看起来更加逼真。

图 2 标准表面与 SSS 表面在光线行为上的差异。

Evergine 实时实现

目前，还无法实时渲染物理精确的 SSS。不过，Evergine 使用了一种优化的 SSS 解决方案，在性能和真实感之间取得了平衡。我们借鉴了 Jorge Jimenez 创建的解决方案，详见这篇文章。

为此，我们在 Evergine 中创建了一个新的 SSSEffect，并将 SSS 渲染分为两个不同的部分：

透射（半透明）

图 3 耳朵处特有的皮肤透射现象。

透射是指光线穿过半透明物体的现象，常见于耳朵和鼻孔等区域。

这在新的 SSSEffect 中实现，利用了灯光的阴影贴图。对于每个像素，我们计算渲染像素与阴影贴图深度之间的距离。这有助于我们了解该点表面的厚度，从而计算出有多少光线可以穿透。

下图说明了这些概念：

图 4 点 z1 和 z2 被投影到灯光的阴影贴图中，使我们能够计算两点的深度。

为了完善此效果，我们设置了距离限制，并使用渐变函数为光线着色。

漫射模糊

该效果依赖于高效的 Compute Shader (SSSBlur)，它利用扩散配置文件（Diffusion Profile）在屏幕空间中应用漫反射模糊，从而呈现出丰富的色彩效果。它非常适合柔化皮肤细节并模拟光线散射。

为实现此效果，SSSEffect 会根据着色器参数计算模糊效果的强度，并将其存储在 GBufferPass 的 Distortion 附件（具体为 B 通道）中。随后，DefaultPostprocessing Graph 会使用该纹理并执行两个 SSSBlur 渲染阶段（水平和垂直 Pass），结合法线纹理、深度和相机视场角（FOV）生成最终结果。

图 5 应用两种渲染技术后的最终结果。

在项目中创建 SSS 材质

为材质添加 SSS 属性非常简单，只需按照以下说明操作（在 Evergine Studio 中）：

打开一个材质或创建一个新材质。选中它以启动材质编辑器。
点击 FX 组合框，打开项目中可用效果的列表。
选择 SSSEffect。这将保留之前 StandardEffect 的参数。
使用以下参数自定义您的材质：
- SSS Scatter：（默认 0.045） 定义 SSS 效果的“宽度”，即光线在表面下可散射的最大距离。
- SSS Intensity：（默认 0.1） 控制效果的强度。
- SSS Bias：（默认 0.003） 调整计算透射时的收缩距离，有助于避免伪影（类似于阴影贴图中的深度偏移）。
- SSS Translucency Color：（默认 D05749FF）透射效果的颜色。
- SSS Translucency Texture： 用于调整模型不同区域半透明颜色的颜色纹理。
- SSS Scatter Texture：对 SSS Scatter 参数应用乘法因子，用于表现表面厚度的变化。
下一步是在场景中添加一个后处理图实体。
选中后处理图（Postprocessing Graph）实体。在 SSS 选项卡中，勾选 Enabled 复选框。这将启用 SSS 漫反射模糊效果。
调整其参数：
- 质量：设置每通道的模糊采样数。有 3 个选项：
  - SSS_QUALITY_OFF
  - SSS_QUALITY_1
  - SSS_QUALITY_2
- SSS Width Factor：（默认值为 0.075）材质中 SSS Scatter 参数的校正因子。