التشتت تحت السطحي

تُعتبر هذه التقنية، التي نشرتها شركة بيكسار، أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا، وعادةً ما تُدمج في مُحرك عرض تتبع المسار. وهي تُحاكي بشكل أساسي ما يحدث للفوتونات الحقيقية من خلال تتبع مسار الضوء داخل المادة، وتوليد مسارات جديدة باستخدام توزيع لامبرتي حول العمودي المعكوس، ثم اختيار اتجاهات جديدة في خطوات متعددة لتشتيت مسار الضوء بشكل أكبر، ومن هنا جاء اسم "المشي العشوائي". تتم محاكاة التشتت المتساوي الخواص عن طريق اختيار اتجاهات عشوائية بالتساوي على طول كرة. أما التشتت غير المتساوي الخواص، فيتم محاكاته عادةً باستخدام دالة طور هيني-غرينشتاين. على سبيل المثال، يتميز جلد الإنسان بتشتت غير متساوي الخواص. يتم تطبيق العمق البصري/الامتصاص بناءً على طول المسارات، باستخدام قانون بير-لامبرت. قد تنتهي المسارات داخل المادة عندما تصل إلى حد أدنى للمساهمة أو إلى الحد الأقصى لعدد التكرارات. عندما يصطدم مسار (شعاع) بالسطح مرة أخرى، يُستخدم لجمع الإشعاع من المشهد، مُرجّحًا بتوزيع لامبرتي، كما هو الحال في مُحرك تتبع المسار التقليدي. هذه التقنية بديهية وقوية في مواجهة الأشكال الهندسية الرقيقة.

إحدى طرق تقدير هذه المسافة هي استخدام خرائط العمق ^{[ 3 ]} ، بطريقة مشابهة لرسم خرائط الظلال . يتم عرض المشهد من منظور الضوء في خريطة عمق، بحيث تُخزَّن المسافة إلى أقرب سطح. ثم تُسقط خريطة العمق على السطح باستخدام رسم خرائط النسيج الإسقاطي القياسي ، ويُعاد عرض المشهد. في هذه المرحلة، عند تظليل نقطة معينة، يمكن الحصول على المسافة من الضوء عند نقطة دخول الشعاع إلى السطح من خلال بحث بسيط في النسيج. بطرح هذه القيمة من نقطة خروج الشعاع من الجسم، يمكننا الحصول على تقدير للمسافة التي قطعها الضوء عبر الجسم.

يمكن استخدام مقياس المسافة المُستخلص بهذه الطريقة في عدة تطبيقات. أحدها استخدامه كمرجع مباشر في نسيج أحادي البعد من تصميم فنان، يتناقص حجمه بشكل أُسّي مع المسافة. يتيح هذا النهج، إلى جانب نماذج الإضاءة التقليدية الأخرى، إنشاء مواد مختلفة مثل الرخام واليشم والشمع .

قد تنشأ مشاكل إذا لم تكن النماذج محدبة، ولكن يمكن استخدام تقنية تقشير العمق ^{[ 4 ]} لتجنب هذه المشكلة. وبالمثل، يمكن استخدام هذه التقنية لمراعاة اختلاف الكثافات تحت السطح، مثل العظام أو العضلات، للحصول على نموذج تشتت أكثر دقة.

كما هو واضح في صورة رأس الشمع على اليمين، لا يتشتت الضوء عند مروره عبر الجسم باستخدام هذه التقنية؛ إذ تظهر ملامح الجهة الخلفية بوضوح. أحد الحلول لهذه المشكلة هو أخذ عينات متعددة من نقاط مختلفة على سطح خريطة العمق. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام أسلوب تقريبي مختلف يُعرف باسم انتشار فضاء النسيج .

كما ذُكر في بداية هذا القسم، فإن أحد أبرز آثار تشتت الضوء تحت السطح هو التشويش العام للإضاءة المنتشرة. وبدلاً من تعديل دالة الانتشار بشكل عشوائي، يمكن نمذجة الانتشار بدقة أكبر من خلال محاكاته في فضاء النسيج . وقد طُوّرت هذه التقنية في عرض الوجوه في فيلم "ذا ماتريكس ريلودد " ^{[ 5 ]} ، ولكنها تُستخدم أيضاً في مجال تقنيات العرض في الوقت الحقيقي.

تعتمد هذه الطريقة على فكّ شبكة الجسم باستخدام مُظلِّل الرؤوس، حيث يتم أولاً حساب الإضاءة بناءً على إحداثيات الرؤوس الأصلية. ثم يُعاد تعيين الرؤوس باستخدام إحداثيات نسيج UV كموضع للرأس على الشاشة، بعد تحويلها من نطاق [0، 1] لإحداثيات النسيج إلى نطاق [-1، 1] لإحداثيات الجهاز المُعَيَّرة. من خلال إضاءة الشبكة المفكوكة بهذه الطريقة، نحصل على صورة ثنائية الأبعاد تُمثل الإضاءة على الجسم، والتي يُمكن معالجتها وإعادة تطبيقها على النموذج كخريطة إضاءة . لمحاكاة الانتشار، يُمكن ببساطة تمويه نسيج خريطة الإضاءة. يُوفر عرض الإضاءة على نسيج ذي دقة أقل قدراً معيناً من التمويه. لا يزال مقدار التمويه المطلوب لنمذجة التشتت تحت السطحي في الجلد بدقة قيد البحث النشط، ولكن تطبيق تمويه واحد فقط لا يُحاكي التأثيرات الحقيقية بشكل جيد. ^{[ 6 ]} لمحاكاة طبيعة الانتشار المعتمدة على الطول الموجي، يمكن ترجيح العينات المستخدمة أثناء التمويه (الغاوسي) حسب القناة. هذه عملية فنية إلى حد ما. بالنسبة لبشرة الإنسان، يكون التشتت الأوسع في اللون الأحمر، ثم الأخضر، بينما يكون التشتت الأزرق ضئيلاً للغاية.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لهذه الطريقة في استقلاليتها عن دقة الشاشة؛ إذ يتم تطبيق التظليل مرة واحدة فقط لكل بكسل في خريطة النسيج، بدلاً من تطبيقه على كل بكسل في الكائن. ومن البديهي أن يكون للكائن تخطيط UV جيد، بحيث تُطابق كل نقطة على النسيج نقطة واحدة فقط من الكائن. إضافةً إلى ذلك، يُعد استخدام انتشار مساحة النسيج أحد العوامل العديدة التي تُسهم في الحصول على ظلال ناعمة، مما يُخفف من أحد أسباب قصور واقعية تخطيط الظلال .