Subsurface Scattering

Subsurface Scattering (kurz SSS, deutsch etwa Streuung unterhalb der Oberfläche) beschreibt, wie Licht in ein Material eindringt, im Inneren mehrfach gestreut und an einer anderen Stelle wieder austritt. Dadurch wirken Materialien wie Haut, Wachs, Marmor, Jade, Milch, Schnee oder Fruchtfleisch weich und leicht durchleuchtet. Ohne SSS sehen solche Oberflächen häufig zu hart, trocken oder plastikartig aus.

In der Computergrafik ist SSS ein Teil der Lichttransportberechnung. Eine physikalisch genaue Simulation ist aufwendig, weshalb Echtzeit-Engines wie Unreal Engine 5 spezialisierte Shading-Modelle und Näherungsverfahren verwenden.

Physikalisches Prinzip

Bei einer ideal undurchsichtigen Oberfläche wird Licht vereinfacht am Auftreffpunkt reflektiert oder absorbiert. Bei einem streuenden Material läuft der Vorgang anders ab:

1. Licht trifft auf die Oberfläche und ein Teil davon wird direkt reflektiert.
2. Ein weiterer Teil dringt durch die Materialgrenze ein.
3. Im Inneren wird das Licht an mikroskopischen Strukturen mehrfach abgelenkt.
4. Bestimmte Wellenlängen werden stärker absorbiert als andere.
5. Das verbleibende Licht verlässt das Material an derselben oder an einer benachbarten Stelle.

Deshalb sind Eintritts- und Austrittspunkt des Lichts nicht identisch. Diese räumliche Verteilung ist der entscheidende Unterschied zur gewöhnlichen diffusen Reflexion. In einer vollständigen Lichttransportbeschreibung wird sie mit einer BSSRDF (Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function) modelliert. Eine BRDF beschreibt nur Reflexion an einem einzelnen Oberflächenpunkt; eine BSSRDF kann verschiedene Eintritts- und Austrittspunkte berücksichtigen.

Streuung, Absorption und Farbe

Das Erscheinungsbild hängt hauptsächlich von zwei Vorgängen ab:

• Streuung ändert die Richtung des Lichts. Starke Streuung verteilt Beleuchtung über eine größere Fläche und macht harte Helligkeitsübergänge weicher.
• Absorption entfernt bestimmte Wellenlängen aus dem Licht. Dadurch verändert sich die Farbe auf dem Weg durch das Material.

Die mittlere Weglänge eines Photons bis zur nächsten Wechselwirkung wird als Mean Free Path bezeichnet. Sie kann für Rot, Grün und Blau unterschiedlich sein. Bei menschlicher Haut dringt rotes Licht im Allgemeinen weiter ein als blaues oder grünes Licht. Das erzeugt unter anderem den warmen roten Schimmer an dünnen, von hinten beleuchteten Bereichen wie Ohren oder Nasenflügeln.

Die sichtbare Wirkung hängt außerdem von Materialdicke, Beleuchtungsrichtung, Oberflächenform und Maßstab ab. Ein SSS-Radius, der bei einem Kopf glaubwürdig aussieht, ist bei einem kleinen Modell oder einem meterhohen Objekt nicht automatisch korrekt.

Abgrenzung zu ähnlichen Effekten

SSS wird leicht mit Transparenz oder einfacher Lichtdurchlässigkeit verwechselt:

Effekt	Kennzeichen	Typische Beispiele
Subsurface Scattering	Licht dringt ein, wird im Material räumlich verteilt und tritt an anderer Stelle wieder aus.	Haut, Wachs, Marmor, Jade
Transparenz	Hinter dem Material liegende Objekte bleiben direkt erkennbar.	Klarglas, sauberes Wasser
Transluzenz	Licht gelangt hindurch, Details dahinter erscheinen jedoch unscharf oder gar nicht.	Milchglas, dünnes Papier
Transmission	Oberbegriff für Licht, das ein Material durchquert; kann gerichtet oder gestreut sein.	Blätter, Stoff, Hautränder
Diffuse Reflexion	Licht wird am betrachteten Oberflächenpunkt verteilt; kein räumlicher Transport unter der Oberfläche.	Kreide, matte Farbe

Ein Material kann mehrere dieser Eigenschaften gleichzeitig besitzen. Haut hat beispielsweise direkte Reflexion an der öligen Oberfläche, diffuse Anteile, Streuung in mehreren Gewebeschichten und sichtbare Transmission an dünnen Stellen.

Warum Echtzeit-SSS nur eine Näherung ist

Physikalisch korrekter Untergrund-Lichttransport würde viele Lichtwege im Volumen verfolgen. Offline-Renderer und Path Tracer können dafür aufwendige Random-Walk-, Diffusions- oder BSSRDF-Verfahren einsetzen. In einem Echtzeit-Renderer müssen hingegen Millionen Pixel innerhalb weniger Millisekunden berechnet werden.

Gebräuchliche Näherungen sind:

• Screen-Space-Filterung: Bereits berechnete Beleuchtung wird in Abhängigkeit von Profil, Tiefe und Materialkennung über benachbarte Bildpunkte verteilt.
• Vorgefaltete oder vorintegrierte Modelle: Ein Teil der Lichtantwort wird vorab berechnet und während des Renderns günstig nachgeschlagen.
• Wrap Lighting und Backscattering: Beleuchtung wird um die Silhouette herum erweitert und bei Gegenlicht ergänzt, um den Eindruck innerer Streuung zu erzeugen.
• Dickenmasken: Dünne Bereiche erhalten stärkere Transmission als dicke Bereiche.

Diese Methoden können sehr überzeugend aussehen, bilden aber nicht jeden Lichtweg geometrisch korrekt ab. Screen-Space-Verfahren kennen beispielsweise nur Informationen, die im aktuellen Kamerabild vorhanden sind.

Subsurface Scattering in Unreal Engine 5

Unreal Engine stellt mehrere Shading-Modelle für unterschiedliche Materialklassen und Qualitätsziele bereit.

Subsurface

Das Shading Model Subsurface ist eine vergleichsweise günstige Lösung für opake Materialien wie Wachs, Jade oder stilisierte Haut. Es kombiniert eine um die Oberfläche herumgreifende Beleuchtung mit einem Gegenlichtanteil. Epic beschreibt es als preiswerter, aber qualitativ schwächer als die speziell für Haut vorgesehene Lösung.

Wichtige Materialeingänge sind:

• Base Color: sichtbare Grundfarbe der Oberfläche.
• Subsurface Color: Farbe des unter der Oberfläche gestreuten Lichts.
• Opacity: steuert bei diesem opaken Shading-Modell nicht die gewöhnliche Durchsichtigkeit. Der Wert beeinflusst unter anderem Dichte, Streuweite, Normaleneinfluss und Schattenweichheit. Ein kleinerer Wert lässt Licht weiter durch das Material gelangen.
• Roughness, Specular und Normal: bestimmen die normale Oberflächenreflexion, die zusätzlich zum SSS-Eindruck erhalten bleibt.

Subsurface Profile

Subsurface Profile ist Unreals hochwertigeres Shading-Modell für realistische Haut und ähnliche Materialien. Die Streueigenschaften werden in einem wiederverwendbaren Subsurface Profile Asset gespeichert und können bearbeitet werden, ohne das Material neu zu kompilieren. Die Berechnung arbeitet überwiegend im Screen Space und verteilt die Beleuchtung über benachbarte Pixel.

Zu den wichtigsten Profilparametern gehören:

• Surface Albedo: diffuse Grundreflexion; sollte zur Base Color des Materials passen.
• Mean Free Path Color und Distance: legen fest, wie weit die roten, grünen und blauen Lichtanteile im Material gelangen.
• World Unit Scale: verbindet die Streuweite mit dem Maßstab in Unreal Units beziehungsweise Zentimetern.
• Transmission: steuert durch das Material gelangendes Licht, einschließlich Extinktion, Brechungsindex und Farbtönung.
• Dual Specular: kombiniert zwei Glanzkeulen unterschiedlicher Rauheit und kann dadurch die mehrschichtige, mikrostrukturierte Reflexion von Haut glaubwürdiger darstellen.

Beim Subsurface-Profile-Modell maskiert der Materialeingang Opacity den SSS-Anteil: 0 bedeutet keine Streuung, 1 die volle Wirkung. Das Material bleibt dabei opak. Der Metallic-Eingang steht im klassischen Deferred-Pfad nicht normal zur Verfügung, weil der entsprechende GBuffer-Speicher für Profildaten verwendet wird.

Preintegrated Skin

Preintegrated Skin ist eine ältere beziehungsweise günstigere, speziell auf Haut zugeschnittene Näherung. Sie verwendet ebenfalls den Eingang Subsurface Color, bietet aber weniger Kontrolle und physikalische Tiefe als Subsurface Profile. Für hochwertige menschliche Haut empfiehlt sich in der Regel Subsurface Profile; Preintegrated Skin kann bei einfacheren Figuren oder knapperem Leistungsbudget sinnvoll sein.

Two Sided Foliage

Two Sided Foliage ist für dünne, beidseitig sichtbare Flächen wie Blätter gedacht. Hier repräsentiert Subsurface Color vor allem das Licht, das durch das Blatt gelangt. Masken können Adern, Stiele und unterschiedlich dicke Bereiche voneinander trennen. Das ist keine vollständige Volumensimulation, sondern eine auf dünne Vegetation zugeschnittene Transmission-Näherung.

Substrate

Bei Verwendung von Substrate werden Materialien aus Schichten beziehungsweise sogenannten Slabs aufgebaut. Für streuende Materialien existieren eigene interne Subsurface-Varianten, unter anderem auf Basis der Mean Free Path. Das Grundprinzip bleibt gleich: Farbe und Weglänge der Streuung müssen zur realen Größe und zum Aufbau des Materials passen. Da sich Substrate und der klassische Materialpfad in Bedienung und Funktionsumfang unterscheiden, sollten konkrete Einstellungen immer für die eingesetzte UE-Version geprüft werden.

Praktischer Aufbau eines Hautmaterials in UE5

Ein typischer Arbeitsablauf für hochwertige Haut sieht so aus:

1. Material anlegen und Shading Model = Subsurface Profile wählen.
2. Ein Subsurface-Profile-Asset erstellen und dem Material zuweisen.
3. Physikalisch plausible Base-Color-, Roughness- und Normal-Maps anschließen.
4. Eine SSS-Maske über Opacity einspeisen. Lippen, Ohren und weiche Wangenbereiche dürfen meist stärker streuen; Augenbrauen, Bartstoppeln oder stark verhornte Bereiche schwächer.
5. Mean Free Path und World Unit Scale bei neutraler Beleuchtung auf den tatsächlichen Modellmaßstab abstimmen.
6. Gegenlicht testen, um Ohren und dünne Partien zu beurteilen.
7. Verschiedene Kameradistanzen, Hauttöne und Lichtgrößen prüfen. SSS darf Details weichzeichnen, aber nicht das ganze Gesicht wie selbstleuchtendes Gummi erscheinen lassen.

Epic weist darauf hin, dass das Profil nur ein Bestandteil glaubwürdiger Haut ist. Geometrie, Texturen, Mikronormalen, Rauheit, Spiegelreflexion und Beleuchtung bleiben ebenso wichtig.

Typische Fehler

• Zu große Streuweite: Das Gesicht verliert Poren und Formen und wirkt wie Wachs.
• Falscher Maßstab: Ein in Zentimetern gedachtes Profil wird auf ein falsch skaliertes Mesh angewendet.
• Zu gesättigte Streufarbe: Haut wird unnatürlich rot oder Wachs leuchtet farbig statt Licht nur zu verteilen.
• SSS als Transparenzersatz: Subsurface-Materialien zeigen nicht automatisch klar erkennbare Objekte hinter der Oberfläche.
• Gleiche Stärke auf dem ganzen Modell: Zähne, Lippen, Ohren, Bart, Nägel und Hornschichten benötigen unterschiedliche Maskierung oder eigene Materialien.
• Nur Frontlicht beurteilt: Viele Probleme werden erst in Seiten- und Gegenlicht sichtbar.
• Diffuse Textur mit eingebranntem Licht: Schatten oder Glanz in der Base Color konkurrieren mit der dynamischen Beleuchtung und verfälschen das Profil.
• Fehlende Qualitätsprüfung: Screen-Space-SSS kann abhängig von Auflösung, Anti-Aliasing, Sichtbarkeit und Plattform anders wirken.

Leistung und Grenzen

SSS ist teurer als gewöhnliches Default-Lit-Shading, weil zusätzliche Materialdaten gespeichert und Beleuchtung räumlich gefiltert oder separat ausgewertet werden muss. Die tatsächlichen Kosten hängen von Auflösung, Bildschirmfläche der SSS-Objekte, Qualitätsstufe, Plattform und Shading-Pfad ab.

Für die Optimierung helfen typischerweise:

• SSS nur auf Materialien verwenden, die sichtbar davon profitieren.
• Hochwertiges Subsurface Profile auf wichtige Figuren beschränken.
• Masken nutzen, statt die gesamte Oberfläche maximal streuen zu lassen.
• GPU-Profiler und verschiedene Zielauflösungen verwenden.
• Auf Zielhardware testen; Editor-Ansicht und finale Laufzeit können sich unterscheiden.

Screen-Space-Methoden besitzen prinzipbedingte Grenzen an Bildrändern und bei verdeckten Geometriedetails. Außerdem ersetzt SSS keine echte volumetrische Darstellung großer, durchsichtiger Körper. Für Glas, klare Flüssigkeiten oder tief einsehbare Medien sind Translucency-, Refraction- oder Volumenverfahren geeigneter.

Bedeutung für realistisches Rendering

SSS liefert nicht einfach einen dekorativen „Glow“. Es verändert die räumliche Lichtantwort eines Materials und ist deshalb für organische oder mineralische Stoffe oft entscheidend. Besonders bei Haut sorgt die Mischung aus scharfer Oberflächenreflexion und weicher Streuung darunter dafür, dass Form, Feuchtigkeit und Gewebetiefe gleichzeitig erkennbar bleiben.

Für ein glaubwürdiges Ergebnis ist nicht die maximal sichtbare Wirkung das Ziel, sondern ein zum Materialmaßstab passender, meist subtiler Lichttransport. Gutes SSS fällt häufig erst dann deutlich auf, wenn es abgeschaltet wird.

Siehe auch

• Unreal Engine 5
• Rendering Hardware Interface (RHI) in Unreal Engine 5
• Render Dependency Graph in Unreal Engine 5
• Shader Model 6 und Direct3D 12 in Unreal Engine 5