بررسی جامع پخش زیر سطحی (Sub surface Scattering)

نویسنده مقاله : Ina Iontcheva

ترجمه و بازنویسی به فارسی (با تغییرات جزئی برای انتقال بهتر مفاهیم) : محسن امیدوار مقدم

زمان مطالعه: مرور کلی ۱۰ دقیقه،درک دقیق و فنی : بین ۱۵ تا ۲۰ دقیقه

با این مقاله استاد Subsurface Scattering شوید.درک پخش زیر سطحی و بهینه‌سازی برای رندرهای خیره‌کننده و واقع‌گرایانه.

به‌عنوان 3d Artist همواره در پی رندر بی‌نقص هستیم. درک چگونگی تعامل نور با اشیاء برای رسیدن به رندرهای واقع گرایانه (فتورئالیسم) ضروری است. برخی سطوح نور را بازتاب می‌دهند، اما برخی دیگر آن را جذب کرده و در نقاط مختلف عبور می‌دهند؛ پدیده‌ای که پخش زیر سطحی یا Sub surface Scattering  نام دارد. از این پس از مخفف آن یعنی SSS استفاده می کنیم.در این مقاله به صورت دقیق بررسی می کنیم و می‌آموزیم چگونه در وی‑ری از آن برای خلق رندرهای واقع‌گرایانه استفاده و آن را بهینه کنیم.

---

فهرست مطالب

1. علم پشت پخش زیر سطحی
2. شیدرها و ابزارها
3. مؤلفه‌های Sub surface Scattering
4. ویژگی‌های SSS در متریال وی‑ری و کاربردها
5. کاربردهای عملی و مطالعات موردی
6. چالش‌ها و راهکارهای بهینه‌سازی
7. جمع‌بندی
8. پرسش‌های متداول

---

۱. علم پشت Subsurface Scattering

وقتی نور از سطحی نیمه‌شفاف مثل لیوان شیر یا برگ درخت می‌گذرد، جذب، پراکنده و دوباره گسیل می‌شود. برای درک بهتر، چراغ قوه گوشی خود را روشن کنید و انگشت کوچک خود را جلوی نور بگیرید: هاله‌ی گرمی می‌بینید که رگ‌ها و جزئیات پوست را روشن می‌کند. پوست نمونه‌ای بارز است؛ چرا که کمتر از ۱۰٪ نور مستقیماً بازتاب می‌شود و مابقی زیر سطح پراکنده می‌شود. در گرافیک سه‌بعدی بدون SSS، اشیایی مثل کاغذ، موم، مرمر و پوست غیرشفاف به نظر می‌رسند و از فتوواقع‌گرایی دور می‌شوند.

SSS از نگاه فیزیک نور :

وقتی نور به یک سطح نیمه‌شفاف (مثل پوست یا موم) می‌تابد، سه مرحلهٔ ساده طی می‌شود:

1. نفوذ (Incidence & Penetration)
   نور ابتدا به سطح برخورد می‌کند و به جای بازتاب کامل، وارد ماده می‌شود.مثل قطره‌ای که روی موم‌ذوب شده می‌افتد.
2. پراکندگی زیرسطحی (Scattering)
   داخل ماده، فوتون‌های نور با ذرات ریز (مولکول‌ها، ناهمواری‌های ریز) برخورد می‌کنند. هر برخورد باعث تغییر جهت نور می‌شود. این فرآیند چندین بار تکرار می‌شود و نور را در عمق ماده پخش می‌کند.
3. خروج (Re‑emission & Exit)
   پس از چندین برخورد، نور از نقطه‌ای دیگر از سطح خارج می‌شود. رنگ و نرمی نوری که می‌بینیم به تعداد برخوردها و طول مسیر داخلی نور بستگی دارد:
   • مسیرهای کوتاه → نور نزدیک به رنگ اصلی منبع
   • مسیرهای بلند →  جذب بیشتر (تیره‌تر یا رنگین‌تر)

نتیجه بصری:
– در نواحی نازک‌تر ماده (مثل لبه‌های برگ یا گوش) نور بیشتر نفوذ و دوباره بیرون می‌آید → هالهٔ گرم و شفاف.
– در نواحی ضخیم‌تر، نور کمتر عبور می‌کند و ظاهر مات‌تر است.

این سه مرحله، پایهٔ فیزیکی Sub surface Scattering هستند: نفوذ نور، پراکندگی داخل ماده و خروج در نقطه‌ای دیگر.

---

۲. شیدرها و ابزارهای Subsurface Scattering در وی ری V‑Ray

V‑Ray مجموعه کاملی از شیدرها برای رندر SSS ارائه می‌دهد:

• شیدر فیزیکی (V‑Ray Material)
  از روش brute‑force random walk برای دقت بالا بهره می‌برد (مشابه vrayScatterVolume). مناسب برای شبیه‌سازی از مایعات نازک تا سنگ‌های متراکم.
• شیدر سریع برای توسعه ظاهری (ALShader)
  بر پایه brute‑force random walk، ایده‌آل برای تنظیم سریع پوست و متریال‌های چندلایه با کمترین هزینه‌ی محاسباتی.
• شیدر بهینه‌شده‌ی سریع (vrayFastSSS)
  بر اساس روش جنسن (Jensen 2001)، بدون نیاز به GI برای مایعات غلیظ و پوشش گیاهی، تقریب‌های قانع‌کننده‌ای ارائه می‌کند.

---

۳. مؤلفه‌های SSS

SSS از تعاملات مختلف نور در داخل ماده تشکیل شده که تعیین‌کننده‌ی نرمی، عمق، نفوذ رنگ و شفافیت است:

مؤلفه	توضیح
Forward scattering	نور پس از ورود در همان جهت ادامه می‌دهد (مثلاً برگ‌های نازک یا پوست).
Back scattering	نور وارد می‌شود و به سمت منبع بازمی‌گردد (مثلاً گونه‌های روشن یا ماست).
isotropic scattering	نور پس از ورود به داخل ماده در همه‌جهت‌ها به طور یکنواخت پراکنده می‌شود.

مثال :

---

۴. ویژگی‌ها در متریال وی‑ری و کاربردها

SSS در V‑Ray نتیجهٔ ترکیب متریال، ضخامت جسم و نورپردازی است. مهم‌ترین شیدرها:

شیدر	پلتفرم‌ها	کاربرد اصلی
VRayMtl	3ds Max, Maya, Blender, …	شیدر عمومی با لایه‌ی translucency برای SSS
VRayFastSSS2	3ds Max, Maya, Blender, …	سریع‌تر برای مایعات و اجسام پس‌زمینه
VRayAlSurface	3ds Max, Maya, Cinema 4D, …	سه لایه SSS دقیق برای شبیه‌سازی پوست
VRayScatterVolume	3ds Max, Blender, Cinema 4D	SSS brute‑force در VRayBlendMtl برای مواد یخی
VRay2SidedMtl	3ds Max, Maya, Blender, …	برای اجسام نازک مثل برگ و پارچه (نور از پشت)

مثال VRayMtl :

تنظیمات VRayMtl :

مثال ۲ VRayMtl :

تنظیمات VRayMtl :

 

مثال VRayFastSSS2 :

تنظیمات VRayFastSSS2 :

مثال VrayAlSurface :

تنظیمات VrayAlSurface :

 

مثال VRayFastSSS2 در انواع Sccattering:

تنظیمات VRayFastSSS2 :

مثال VRayFastSSS2:

تنظیمات VRayFastSSS2 :

مثال VRayFastSSS2 :

تنظیمات VRayFastSSS2 :

مثال VRayScatterVolume :

تنظیمات VRayScatterVolume :

مثال VRay2SidedMtl :

تنظیمات VRay2SidedMtl :

 

 

۵. کاربردهای عملی و مطالعات موردی

پرتره دیجیتال و طراحی شخصیت
در نور شدید که از پشت می تابد(backlight)، گوش‌های کاراکتر هاله‌ای گرم دارند که SSS را به نمایش می‌گذارد.

رندر بازی و محیط‌های تعاملی
با نورپردازی directional backlight، عمق و واقع‌گرایی صحنه افزایش می‌یابد.

تصویرسازی محصول در تبلیغات
در تبلیغات لوازم آرایشی و صنایع غذایی،به کرم‌ها و ژل‌ها جلوه‌ی نرم و شبه‌شفاف می‌دهد و غذاها را اشتها آور نشان می‌دهد.

مطالعه موردی: پروژه «متروپلیس چوبی»
تیم PX Group برای کمپین NGO Robin Wood با V‑Ray Fast SSS2 ظاهر شفاف و داخلی چوب تازه را شبیه‌سازی کردند و تاثیر قطع درختان را به تصویر کشیدند.

ما بررسی را با کوچک‌ترین جزء این پازل آغاز کردیم: زمانی که یک درخت شکسته می‌شود، تراشه‌های تازه‌ی چوب ظاهری نسبتاً براق دارند، شبیه چینی یا گوشت سفید مرغ. با دقت بیشتر، دیده می‌شود که نور قرمز درون نوک این تراشه‌ها پراکنده می‌شود. در طبیعت، این اثر نیمه‌شفاف بسیار ظریف است و بیش از همه زمانی دیده می‌شود که این تراشه‌ها از پشت نورپردازی شوند. ما به این نتیجه رسیدیم که واضح‌ترین شیدر برای ایجاد این افکت، متریال Sub Surface Scattering در V-Ray است؛ نسخه‌ی سریع یعنی fast SSS2.
— کریستین استورم Christian Sturm, 3D Artist

صحنه نهایی کمپین NGO Robin Wood :

---

۶. چالش‌ها و راهکارهای بهینه‌سازی

مشکلات رایج:

• هندسه نادرست (faces overlapping، holes)
• عدم وجود ضخامت کافی
• مقیاس‌بندی ناصحیح

راهکارها:

• پاک‌سازی و weld کردن ورتکس ها
• افزودن ضخامت مناسب
• بررسی منظم و اصلاح ایرادات در طول پروژه

---

۷. جمع‌بندی

Sub surface Scattering ابزار قدرتمندی برای افزودن فتوواقع‌گرایی به رندرهاست. با تسلط بر شیدرهای گوناگون وی‑ری و درک فیزیک نور، می‌توانید رندرهای خیره‌کننده و طبیعی خلق کنید.

---

۸. پرسش‌های متداول

۱. آیا باید از Sub surface Scattering استفاده کنم؟
بله. برای متریال‌های نیمه‌شفاف مثل پوست، موم، مرمر، مایعات و برگ‌ها ضروری است.

۲. چه اجسامی Sub surface Scattering دارند؟
به طور کلی هر ماده‌ی نیمه‌شفاف

مثال هایی از اجسام نیمه‌شفاف که پدیده پخش زیر سطحی در آن‌ها قابل مشاهده است:

1. پوست انسان و حیوانات (نوک بینی و لاله های گوش)

2. پوست لاک‌پشت و خرچنگ در نور مناسب

3. مایعات شیری (شیر،خامه و چیزهای شیری، شیره انگور)

4. ژل‌ها و کرم‌های آرایشی (لوسیون، ژل مو)

5. مایعات غیرشیشه‌ای (آب کدر، آب‌میوه)

6. صابون و فوم‌های صابونی

7. پارافین و رزین

8. ماربل (مرمر سفید و رنگی)

9. یشم (Jade) و سنگ‌های نیمه‌قیمتی (مثلاً سنگ فروشگاهی)

10. موم(عسل و موم طبیعی زنبور عسل)

11. پوست میوه‌ها (سیب، گلابی، موز)

12. سبزیجات خام (گوجه‌فرنگی، فلفل دلمه‌ای)

13. برگ‌های تازه و خشک

14. گلبرگ‌های گل (رز، لاله)

15. استخوان باریک (دندهٔ کوچک)

16. پرندگان (پرهای نازک)

17. پوست تخم‌مرغ (نازک و نیمه‌شفاف)

18. برخی پلاستیک‌های مات (پلاستیک شیرینکیبل، پلاستیک بسته‌بندی)

19. پارچه‌های نازک (توری، ارگانزا)

20. شاخ حیوانات (کرگدن، گاو) در نواحی نازک

21. مژه‌های ظریف و ابروها در نور قوی پشت‌تاب (backlight)

22. کریستال‌های فروالکتریک و برخی شیشه‌های هنری مات

این اجسام در شرایط نورپردازی مناسب به‌ویژه backlight یا نور محیط نرم پدیدهٔ پخش زیرسطحی را به وضوح نشان می‌دهند.

۳. چگونه رندرها را با SSS بهبود دهم؟
SSS را صرفاً برای متریال‌های مناسب فعال کنید و پارامترها و شیدرهای مختلف را آزمایش نمایید.

۴. آیا فعال‌سازی SSS زمان رندر را افزایش می‌دهد؟
بله، اما با استفاده هوشمندانه (selective use) می‌توانید تعادل زمان و کیفیت را حفظ کنید.

۵. چرا SSS برای 3D Artist ها مهم است؟
بدون SSS متریال‌ها عمق و واقع‌گرایی خود را از دست می‌دهند؛ SSS به آنها حیات و طبیعی بودن می‌بخشد.