次表面散射（Subsurface Scattering，简称SSS）是一种物理现象，描述了光线进入半透明或透明材质内部后，在物体内部发生多次散射，最终从其他表面点出射的现象。这一现象在计算机图形学、3D渲染、影视特效等领域具有重要应用，能够模拟真实世界中多种材质的光照效果，如皮肤、蜡、玉石、牛奶等。
1. 物理机制
次表面散射的核心在于光线在物体内部的传播和散射过程。当光线进入半透明材质（如皮肤、蜡、玉石等）时，部分光线会被吸收，部分光线则在内部多次散射，最终从其他表面点出射。这一过程与半透射不同，半透射是光线直接穿透材质，遵循折射定律；而次表面散射则涉及复杂的内部散射和多次反射。
2. 数学模型与技术
在计算机图形学中，次表面散射的建模通常使用 双向子面散射反射分布函数（BSSRDF） 来描述光线在物体内部的散射过程。BSSRDF 描述了入射辐射通量与出射辐射亮度之间的关系，能够近似描述光线在物体内部的多次散射过程。Jensen等人提出的偶极子模型和Christensen与Burley提出的高效漫反射BSSRDF近似模型，为渲染提供了高效的计算方法。
3. 应用场景
次表面散射在多个领域具有广泛应用：
- 计算机图形学与3D渲染：用于模拟皮肤、蜡、玉石、牛奶等材质的真实光照效果，提升渲染的真实感。
- 影视特效与动画：用于角色设计、产品渲染等，增强视觉效果。
- 游戏与交互式媒体：在游戏引擎（如Unreal Engine）中用于增强角色和场景的真实感。
4. 技术挑战与优化
次表面散射的计算复杂度较高，涉及复杂的积分和光线追踪。为提高效率，研究人员提出了多种优化方法，如预计算辐射传输（Precomputed Radiance Transfer）、基于物理模型的近似方法（如BSSRDF）以及基于蒙特卡罗方法的光线追踪。
5. 参数与控制
在实际应用中，次表面散射的参数（如散射深度、颜色、半径等）可根据材质特性进行调整，以实现更真实的效果。例如，皮肤的红色散射深度通常大于绿色和蓝色，以模拟皮肤的光学特性。
总结
次表面散射是一种重要的物理现象和计算机图形学技术，能够模拟真实世界中多种材质的光照效果。通过数学模型（如BSSRDF）和优化算法，次表面散射在计算机图形学、影视特效和交互式媒体中发挥着重要作用，提升了数字内容的真实感和视觉吸引力。