Was ist Subsurface Scattering?

Der Subsurface-Parameter im Principled BSDF steuert die Stärke von Subsurface Scattering (SSS), also wie Licht im Inneren eines Materials gestreut wird.

Bei lichtundurchlässigen Materialien wird einfallendes Licht entweder reflektiert oder absorbiert. Transparente Materialien hingegen lassen Lichtstrahlen passieren; hier spielt vor allem der Brechungsindex (IOR) eine Rolle, der bestimmt, wie stark sich die Strahlen beim Eintritt ins Material ablenken. Einmal eingetreten, bewegen sich die Strahlen in der Regel geradlinig durch das Material, bis sie an der anderen Seite wieder austreten.

Subsurface Scattering beschreibt eine Zwischenform: Materialien, die nicht völlig lichtundurchlässig sind, sondern ein weiches, transluzentes Aussehen haben. Licht dringt in das Material ein, wird unter der Oberfläche mehrfach gestreut und tritt an einer leicht versetzten Stelle wieder aus. Das Ergebnis ist eine subtile Weichheit und ein charakteristisches Leuchten, das mit herkömmlicher Transparenz nicht erreichbar ist.

Beispiele aus der Realität

Typische Materialien mit Subsurface Scattering sind:

• Kerzenwachs (Licht dringt tief ein und erzeugt einen sanften, warmen Schimmer)
• Menschliche Haut (Licht dringt ein, wird von Blut und Gewebe gestreut und tritt diffus wieder aus)
• Milch (die Partikel darin streuen Licht in viele Richtungen, was zur gleichmäßig weißen Erscheinung führt)
• Marmor oder Jade (halbdurchsichtige Steine mit faszinierendem Tiefeneffekt)
• Blätter von Pflanzen (die Lichtdurchlässigkeit betont die Adernstruktur)

Gerade bei organischen Oberflächen oder Szenen mit starken Lichtquellen (z. B. eine Kerze in einem dunklen Raum) sorgt SSS für einen entscheidenden Realitätsboost.

Umsetzung im Principled BSDF

• Subsurface (Stärke): Regelt, wie viel Licht in das Material eindringen darf.
  • • Wert = 0 → kein Subsurface Scattering, das Material bleibt vollständig undurchlässig.
    • Wert \> 0 → Licht dringt in die Oberfläche ein, wird gestreut und verleiht dem Material einen weichen, transluzenten Charakter.

• Subsurface Radius: Steuert, wie tief Licht in das Material eindringen darf.
  • • Dieser Parameter wird für die Farbkanäle R, G, B getrennt angegeben.
    • Beispiel: Bei Haut dringt rotes Licht tiefer ein als blaues oder grünes – dadurch entsteht das charakteristische rötliche Schimmern an dünnen Stellen (z. B. Ohren, Nasenflügel).

• Subsurface Color: Bestimmt die Farbe des gestreuten Lichts im Inneren des Materials.
  • • Beispiel: Bei Haut ist diese Farbe rötlich, bei Wachs leicht gelblich.
    • Man kann sich das als eine Art Innenfarbe des Materials vorstellen.

Zusammenspiel der Parameter

• Base Color = äußere Oberfläche
• Subsurface = wie stark Licht überhaupt eindringt
• Subsurface Radius = wie tief Licht je nach Wellenlänge eindringt
• Subsurface Color = Farbe des gestreuten Lichts

Das richtige Zusammenspiel dieser Parameter macht es möglich, extrem realistische organische Materialien nachzubilden.

Zusätzliche Parameter für Feintuning

• Subsurface IOR (Index of Refraction): Steuert, wie stark Lichtstrahlen beim Eintritt gebrochen werden.
  • • Typische Werte: 1.3 – 1.5
    • Haut: ca. 1.4
    • Wasser: ca. 1.33
    • Wachs: ca. 1.44

• Subsurface Anisotropy: Bestimmt die Richtung der Lichtstreuung im Inneren.
  • • Wert = 0 → isotrop, Licht wird gleichmäßig in alle Richtungen gestreut.
    • Werte > 0 → vorwärtsgerichtete Streuung, Licht bewegt sich stärker in Einfallsrichtung.
    • Werte < 0 → rückwärtsgerichtete Streuung, mehr Licht tritt nahe der Oberfläche wieder aus.
    • Praktisch: Für Haut werden meist leicht positive Werte verwendet, um das Licht tiefer ins Gewebe zu leiten.

Performance-Aspekt

Da bei SSS mehr Lichtstrahlen verfolgt werden müssen, sind diese Materialien rechenintensiver. Besonders in Szenen mit vielen transluzenten Objekten oder feinen Details können Renderzeiten deutlich ansteigen. Denoising und sorgfältige Lichteinstellungen sind hier oft nötig, um Rauschen zu vermeiden.