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  • Realistisch beleuchtete Haut in Spielen in Millisekunden berechnet - Interview

    Beispiele für Separable Subsurface Scattering (4) Quelle: Activision Blizzard/Károly Zsolnai

    Activision Blizzard arbeitet schon länger mit Universitäten an einer möglichst realistischen, aber performancesparenden Darstellung von Haut und weiteren Oberflächen. Wir sprachen mit Károly Zsolnai und Christian Freude von der Technischen Universität Wien über die Idee hinter Separable Subsurface Scattering.

    Bei Separable Subsurface Scattering (SSSS) geht es darum, jegliche Arten von Haut durch die Beleuchtung möglichst realistisch darstellen zu lassen, ohne die Anforderungen an die Hardware allzu stark ansteigen zu lassen. Diesen Fokus führen auch Activision Blizzard und seine Partner weiter. Separable Subsurface Scattering wird aktuell in Call of Duty: Advanced Warfare genutzt und soll auch in weiteren Activision-Blizzard-Titeln genutzt werden. Wir sprachen mit Károly Zsolnai und Christian Freude von der Technischen Universität Wien über das Thema.

    PCGH: Würden Sie sich und Ihre Arbeit bitte kurz vorstellen?

    Károly Zsolnai: Mein Name ist Károly Zsolnai; ich habe mein Diplom an der Technischen Universität Budapest abgeschlossen und bin derzeit Doktorand an der Technischen Universität Wien, wo ich neben Lehrtätigkeiten hauptsächlich neue Techniken für fotorealistisches Rendering und Echtzeitgrafik entwickle. Es gibt vielleicht eine unendliche Anzahl paralleler Universen, aber keines mit einer besseren Anstellung für mich als dieses!
    Christian Freude: Mein Name ist Christian Freude, ich schloss an der Technischen Universität Wien mein Masterstudium ab und habe meine Masterarbeit im Rahmen des SSSS-Forschungsprojekts geschrieben. Da ich mich auch weiterhin für Computergrafik interessiere, werde ich mein Studium als Doktorand fortführen.

    PCGH: Wie funktioniert Subsurface Scattering und welche Vorteile bringt die Rendertechnik?

    Károly Zsolnai: Die meisten Rendertechniken repräsentieren die Oberfläche von Objekten als Dreiecksmeshes und berechnen die Interaktion zwischen Licht und Material lediglich unter Berücksichtigung dieser Oberflächen. In der Realität hingegen durchdringt Licht die Oberfläche vieler verschiedener Materialien, tritt in deren Volumen ein und kann bis zu mehreren tausend Malen gestreut werden, bevor es absorbiert wird. Der visuelle Eindruck von Materialien wie Haut, Pflanzenblätter, Marmor, Porzellan und vieler weiterer wird von diesem Effekt beeinflusst, welcher Subsurface Scattering (SSS) genannt wird. Im folgenden Bild zeigt der rechte untere Bildausschnitt das Aussehen von menschlicher Haut ohne Berücksichtigung dieses Phänomens und der Bildausschnitt darüber zeigt die komplette SSS-Simulation mittels unserer Technik - man kann erkennen, dass die Weichheit und Glätte der Haut vergleichbar mit Ergebnissen von fotorealistischen Bildgeneratoren ist.

    Beispiele für Separable Subsurface Scattering (1) Beispiele für Separable Subsurface Scattering (1) Quelle: Activision Blizzard/Károly Zsolnai Diese Qualität hat jedoch ihren Preis: normalerweise ist es nötig, die Pfade von vielen Millionen Photonen zu simulieren, um diesen Effekt zu erzielen. Dies würde Stunden für jedes Bild in Anspruch nehmen, was bei Computerspieler viel zu aufwändig wäre. Unser Bestreben war, eine Technik zu entwickeln, welche innerhalb von Millisekunden vergleichbare Ergebnisse erzielen kann. Während meiner Arbeit bei Disney Research fiel mir auf, dass Jorge Jimenez von Activision Blizzard mit einer Echtzeit-SSS-Technik experimentierte. Es war klar, dass diese Idee enormes Potenzial hatte und wir beschlossen, die anwendungsorientierten Ansätze mathematisch zu fundieren; somit entstand eine Zusammenarbeit zwischen Activision Blizzard, der Universität von Zaragoza und der Technischen Universität Wien.

    PCGH: Wie unterscheidet sich Separable Subsurface Scattering von konventionelleren Methoden, welche Verbesserungen können gegenüber diesen erzielt werden?

    Károly Zsolnai: Wir haben versucht, eine Technik zu entwickeln, welche sich nach physikalischen Gesetzen richtet, aber dennoch viele Optionen bereitstellt, mit denen Künstler das Ergebnis der Simulation kontrollieren können. Das Endergebnis ist ein bemerkenswert einfacher Algorithmus ,welcher keinerlei tiefen Eingriffe in die Rendering-Pipeline benötigt und SSS für alle möglichen lichtdurchlässigen Materialien simuliert.
    Christian Freude: Im Grunde ist es ein Post-Processing-Filter, ähnlich einem Gaußschem Weichzeichner. Allerdings hat der Filter eine spezielle Form und seine Anwendung ist auch ein wenig komplizierter als die eines simplen Weichzeichners.

    PCGH: Ähnlich wie bei einer Umgebungsverdeckung wird bei Subsurface Scattering zumindest in Ansätzen Raytracing simuliert. Ist das nicht sehr rechenaufwendig?

    Christian Freude: Die Berechnung von Subsurface Scattering mittels Raytracing kann tatsächlich sehr rechenaufwendig sein, demnach kann das Rendern eines einzigen Bildes bis zu mehreren Minuten oder Stunden dauern. Deshalb versuchen eine Vielzahl von alternativen SSS-Methoden, ähnliche Ergebnisse wie Raytracing zu berechnen, verwenden aber Vereinfachungen, welche wesentlich kürzere Renderzeiten ermöglichen. Ein Beispiel für solch eine Methode ist SSSS, welche eine gute Approximation darstellt und mittels Nachbehandlung des gerenderten Bildes in weniger als einer Millisekunde berechnet werden kann.

    Der Subsurface Scattering Effekt bestimmt das Aussehen von Marmor (oben rechts - ohne SSS, unten rechts - mit SSS) Der Subsurface Scattering Effekt bestimmt das Aussehen von Marmor (oben rechts - ohne SSS, unten rechts - mit SSS) Quelle: Activision Blizzard/Károly Zsolnai

    PCGH: Wie wird der Effekt angewandt? Greift SSSS aktiv in das Lighting eines Spiels ein oder handelt es sich um einen nachträglich applizierten Post-Processing-Effekt? Wie viel Aufwand ist es für Entwickler SSSS in ihre Spiele zu integrieren?

    Károly Zsolnai: Wir erdachten eine Lösung, welche im Bildraum arbeitet, das bedeutet auf einem bereits gerendertem Bild, welche, ähnlich zu FXAA und SSAO, den Subsurface Scattering Effekt mittels eines Post-Processing-Schritts hinzufügt. Der finale Algorithmus ist bemerkenswert simpel und kann sehr einfach zu einer Rendering-Engine hinzugefügt werden. Um die Einfachheit zu demonstrieren, implementierten wir, mein Student Christian Freude und ich, das als 4k-Demo - was bedeutet, dass alle Befehle des Programms auf eine Visitenkarte gedruckt werden könnten. Wir stellen auch den Source-Code kostenlos zur Verfügung, den somit jeder herunterladen kann, um damit zu experimentieren. Wir glauben, dass dies die richtigen Zutaten sind, damit diese Methode in vielen zukünftigen Computerspielen Anwendung findet.

    PCGH: Auflösungen jenseits Full HD werden immer interessanter. Wie skaliert SSSS mit der Auflösung, wird der Effekt ähnlich vielen SSAO-Implementierungen mit steigender Auflösung genauer und damit auch rechenaufwendiger?

    Christian Freude: Ja, da SSSS im Prinzip ein Post-Processing-Filter ist, hängt die Renderzeit von der Auflösung ab, demnach bedeutet eine höhere Auflösung auch einen höheren Berechnungsaufwand. Jedoch benötigt die Berechnung in Full HD lediglich weniger als eine Millisekunde, demnach sollten höhere Auflösungen kein Problem darstellen, besonders in Anbetracht der Geschwindigkeit, in der die Rechenkapazität von modernen GPUs mit jeder Generation zunimmt.

    PCGH: Physically Based Rendering entwickelt sich offenbar zu einem Trend, doch viele Entwickler setzen auch noch auf konventionelle Ansätze. Funktioniert SSSS sowohl mit PBR, dessen Materialien ja schon Lichtstreuung simulieren, als auch mit klassischen Materialien, welche dies nicht tun?

    Christian Freude: Ja, SSSS unterstützt PBR, da es bereits Physik-basierend ist und echte physikalische Materialparameter für die Generierung des Post-Processing-Filters verwendet. Da aber diese Technik im Prinzip Licht, welches dem Subsurface-Scattering-Effekt einspricht, mittels eines Post-Processing-Schritts hinzufügt, ist es nur notwendig, diesen für Materialien anzuwenden, welche SSS noch nicht berücksichtigen.

    Weitere Infos: Subsurface Scattering

  • Es gibt 3 Kommentare zum Artikel
    Von zLein
    Schon beeindruckend Jedoch Ergebnisse im Millisikundenbereich benötigen sicher auch die entsprechende Hardware. Wenn…
    Von Kuomo
    Coole Sache
    Von cPT_cAPSLOCK
    Beeindruckend! Wenn das ganze wirklich so gut funktioniert, dann auch noch als Post-Filter, dann alle Achtung!…
      • Von zLein Komplett-PC-Aufrüster(in)
        Schon beeindruckend Jedoch Ergebnisse im Millisikundenbereich benötigen sicher auch die entsprechende Hardware. Wenn ich nur daran denk, wielang eine realistisch beleuchtete Szene mit Cycles dauert. Spannd find ich auch die Realisierung von "mehreren Schichten". Ob das Ergbnis in Spielen in absehbarer Zeit aber so ausschaut wie auf dem Fotos - nunja ...
      • Von Kuomo Software-Overclocker(in)
        Coole Sache
      • Von cPT_cAPSLOCK BIOS-Overclocker(in)
        Beeindruckend! Wenn das ganze wirklich so gut funktioniert, dann auch noch als Post-Filter, dann alle Achtung! Fraglich ist allerdings, ob der Effekt auch die Eindringtiefe richtig berücksichtigt - schließlich kann das Licht an Armen und Beinen deutlich weiter eindringen, als am Kopf, da kommt ja nach wenigen Millimetern schon der Schädel. Dabei könnte allerdings auch eine einfache Textur helfen...
        Auch ein "Durchscheinen" (sprich: das gestreute Licht tritt am anderen Ende des Meshes wieder aus) stelle ich mir bei einem Post-Filter schwierig vor, das ist für Raytracing allerdings konzeptbedingt kein Problem.
        Aber selbst wenn nicht: bisher war Sub Surface Scattering ja eine der großen Baustellen in der Echtzeitgrafik. Eine so einfache Approximation kommt da gerade recht - besonders, wenn man bedenkt, dass man im Spielgeschehen eh nicht unterscheiden kann, ob es sich um einen simulierten oder approximierten Effekt handelt.
        Dass das ganze noch quelloffen ist, macht die Sache nur noch besser!
        Herzlichen Glückwunsch für die tollen Ergebnisse und viel Erfolg weiterhin!
        gRU?; cAPS
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Neue Technologien
Realistisch beleuchtete Haut in Spielen in Millisekunden berechnet - Interview
Activision Blizzard arbeitet schon länger mit Universitäten an einer möglichst realistischen, aber performancesparenden Darstellung von Haut und weiteren Oberflächen. Wir sprachen mit Károly Zsolnai und Christian Freude von der Technischen Universität Wien über die Idee hinter Separable Subsurface Scattering.
http://www.pcgameshardware.de/Neue-Technologien-Thema-71240/Specials/Separable-Subsurface-Scattering-Interview-1153368/
13.03.2015
http://www.pcgameshardware.de/screenshots/medium/2015/03/Separable_Subsurface_Scattering__1_-pcgh_b2teaser_169.JPG
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