Cette fois j’ai décidé de me pencher plus avant sur les matériaux translucides ou SSS (SubSurface Scattering) dans le moteur de rendu Octane Render d’Otoy. Composée d’assez peu de paramètres, la translucidité dans Octane n’en est pas moins puissante et permet de réaliser de beaux effets très rapidement. Toutefois, la simplicité ne va pas toujours de pair avec la facilité… Voici donc un tour d’horizon, dans les limites de mes découvertes et de mes connaissances.

À la demande de Chris Schofield, j’ai ajouté quelques exemples de matériaux SSS à cet article. Les fichiers ont été réalisés dans Cinema 4D R17 Studio avec le plugin Octane R3.05.3.

J’attire votre attention sur les paramètres de rendu dans ces fichiers. Par exemple, pour un SSS à base d’un matériau Diffuse, le réglage du paramètre Diffuse dans le Kernel va fortement influencer le résultat. Si vous mettez un Diffuse très bas (1 ou 2 par exemple), vous allez « étrangler » le calcul de la translucidité qui va parfois paradoxalement générer plus de bruit interne au matériau qu’un paramètre plus haut. Bien entendu, ici ce sont des matériaux d’un type unique, ce qui est rarement le cas dans une scène. Donc c’est une balance à trouver entre tous les matériaux et à revoir à chaque scène mais c’est tout de même bon à savoir.

Subsurface scattering (SSS): la base

Pour réaliser un effet de type Subsurface Scattering (SSS) avec Octane, il suffit d’avoir un maillage fermé, sans quoi l’effet sera erroné (pas de maillage de polygones ouvert, comme un buste ouvert sous les épaules par exemple), un nœud Scattering Medium connecté au port Medium d’un matériau Diffuse ou Specular et le canal de Transmission actif (via l’ajout d’un nœud Float ou ImageTexture par exemple). Rien de plus simple pour les prérequis.

Le nœud Scattering medium

Un matériau de type Diffuse ou Specular?

Pour commencer, le matériau Specular est plus simple à paramétrer que le matériau Diffuse. Comme ce matériau Specular n’est pas supposé recevoir une couleur dans le port Diffuse, cela fait déjà une donnée de moins à gérer et une donnée qui est loin d’être négligeable dans le résultat final. Cela étant, le matériau Diffuse a aussi ses avantages pour certains type de matières et est plus rapide à rendre donc il ne faut pas pour autant l’abandonner. Nous le verrons plus bas.

N’oubliez pas que dans les deux cas la transmission doit être active pour obtenir du SSS. Pour le matériau Specular, cette transmission est active par défaut mais pour le matériau Diffuse il faut activer explicitement la Transmission en ajoutant un nœud Float par exemple. On peut aussi utiliser une texture en valeurs de gris ou en couleur dans la Transmission pour contrôler la quantité ou la couleur de la lumière qui pénètre l’objet : plus de lumière sur les oreilles, le nez et les doigts d’un personnage par exemple ou une lumière jaunâtre.

Le matériau Specular

Commençons donc par un nœud Scattering medium combiné à un matériau Specular. Pour bien démarrer, le manuel d’Octane conseille comme base de départ de définir la Réflexion du matériau sur une valeur basse (0,1 ou 0,2 par exemple) pour permettre à une plus grande quantité de lumière de traverser le matériau. Nous pourrons remonter cette valeur plus tard si nécessaire. Dans un premier temps, nous allons laisser le Roughness à zéro (noir) et vérifier que la Transmission est bien à 1,0 (ou blanche). Laissons l’Index sur la valeur par défaut (1,3).

Le nœud Scattering medium

Si nous ajoutons un nœud Scattering medium à cette base et que nous définissons un blanc comme Absoption et un blanc pour le Scattering (un nœud Float à 1), on va obtenir un matériau laiteux à l’intérieur et brillant en surface : des crêtes translucides brillantes et l’intérieur du matériau plus diffus avec la lumière qui passe partiellement à travers. Tout ça pour l’instant en valeurs de gris bien entendu puisque nous n’avons travaillé qu’avec des gris.

Si on active à ce stade le Fake shadows – réservé au matériau Specular – et l’Alpha shadows dans le Kernel, on verra tout de suite une différence de diffusion de la lumière dans le matériau ainsi qu’une altération des reflets mais aussi une disparition nettement plus rapide du bruit. Si on laisse le rendu se poursuivre, les différences avec et sans Fake shadows vont s’estomper, sans totalement disparaître mais il y aura de grandes similarités.

Par contre, si on teste le même matériau avec un Scattering à 0,25 au lieu de 1,0, on constatera que les différences seront plus marquées entre la version avec et sans Fake shadows. La version avec Fake shadows sera plus laiteuse, plus diffuse, moins précise au redémarrage du rendu. On pourrait en déduire que le Fake shadows est plutôt à réserver aux translucidités très diffuses nécessitant un passage plus libre de la lumière, comme un abat-jour en opaline par exemple. Ce sera à vérifier au cas par cas. Pour la suite de ce premier tour d’horizon, laissons le Fake shadows inactif et désactivons l’Alpha shadows dans le kernel puisque ça ralenti le rendu.

Le paramètre Scattering

Si nous réduisons la valeur du Scattering à 0,5, on obtiendra un matériau globalement plus transparent que diffus, plus proche de l’eau que de la neige sur les parties fines. Un peu comme si la neige avait continué à fondre de l’extérieur vers l’intérieur du matériau.

On peut donc en déduire que le paramètre de Scattering règle la diffusion de la lumière à l’intérieur du matériau : plus le Scattering est proche du blanc, plus vite la lumière est diffusée dans tous les sens à l’intérieur du matériau ; plus le Scattering est proche du noir, moins vite la lumière est diffusée à l’intérieur du matériau et donc plus le matériau ressemble à de l’eau ou à du verre. En quelque sorte, le Scattering « explose » plus ou moins fort et plus ou moins vite la lumière dans le matériau. Avec du noir, on désactive tout simplement le Scattering et on obtient un matériau Specular standard.

La couleur et l’Absorption

Pour colorer la couleur à l’intérieur de notre matériau, nous ajoutons un nœud RGB Spectrum ou GaussianSpectrum à l’Absorption avec par exemple une couleur jaunâtre, nous obtenons alors une translucidité légèrement jaunâtre en profondeur. Selon la saturation et la luminosité, ce sera plus ou moins perceptible. Avec une Absorption quasi noire, presque toute la lumière sera arrêtée dès sa pénétration dans l’objet et la translucidité ne sera presque plus visible. Avec une luminosité haute, la lumière n’est presque pas arrêtée mais filtrée selon la saturation de la couleur choisie.

Le paramètre Invert absorption activé permet de choisir la couleur qu’on veut effectivement obtenir à l’intérieur de l’objet. En décochant cette option, on doit définir la couleur qu’on veut soustraire du spectre global, soit la complémentaire de la couleur qu’on veut obtenir. Pour obtenir un cyan, il faut choisir un rouge RVB, pour obtenir un vert RVB, il faut un choisir un magenta, etc. La luminosité est également inversée dans ce cas donc du blanc arrête toute la lumière là où le noir laisse tout passer, etc. Pour plus d’info sur les couleurs complémentaires: https://fr.wikipedia.org/wiki/Couleur_complémentaire

Il me semble que le nœud GaussianSpectrum, de par sa nature même de « fourchette de couleur » au lieu de teinte absolue, a tendance à générer moins de bruit dans un nœud Scattering medium. J’ai également le sentiment que ce nœud génère des translucidités plus subtiles avec des variations de couleurs plus réalistes. Néanmoins, certaines saturations fortes sont difficiles à trouver car le comportement du nœud est moins intuitif. Il faut parfois assez bien chercher avant de trouver la bonne longueur d’onde mais il me semble que ça en vaut la peine. A vous de tester et de vous faire votre propre opinion.

La couleur et le Scattering

Si on met de la couleur dans le Scattering, le comportement sera différent de l’Absorption : Avec une couleur cyan par exemple, la lumière cyan sera dispersée plus vite et aura donc plus volontiers tendance à se disperser à la surface du matériau avant d’être absorbée. La lumière rouge RVB quant à elle sera dispersée moins vite et aura donc tendance à pénétrer le matériau, donnant aux zones d’ombre une teinte rouge RVB et au surfaces éclairées une teinte cyan.

Rien n’empêche donc de combiner de la couleur dans les paramètres d’Absorption et de Scattering. D’ailleurs, certains effets ne peuvent être réalisés que de cette manière. Il faut néanmoins garder à l’esprit que si on utilise des couleurs très saturées avec des effets contraires (du cyan dans l’Absorption, avec Invert absorption coché, et du cyan dans le Scattering, donnant du rouge RVB en profondeur), on va inévitablement générer du bruit puisque le spectre des couleurs résultantes possibles sera très étroit ou quasi inexistant (les deux couleurs complémentaires couvrant à elles-deux la plus grande part du spectre). Dans ce cas, peu de rayons lumineux parviendront à passer et le nœud Scattering medium produira beaucoup de bruit… A fortiori si les saturations des nœuds sont fortes.

La Phase

Passons maintenant au paramètre de la Phase. Ce paramètre agit en quelque sorte comme un contre-effort : alors que le Scattering diffuse et filtre plus ou moins fort la lumière qui pénètre dans le matériau dans tous les sens sans distinction, la Phase elle définit une tendance globale de direction à cette diffusion. C’est donc un paramètre loin d’être négligeable qu’il est indispensable de gérer pour des effets subtils.

• Si la Phase est positive, les rayons lumineux auront tendance – plus ou moins fort selon la force du paramètre – à poursuivre leur course dans le sens dans lequel ils auront pénétré le matériau. Une valeur à 1 équivaut en quelque sorte à du verre absorbant graduellement la lumière.
• Si la phase est négative, les rayons lumineux auront tendance – plus ou moins fort selon la force du paramètre – à poursuivre leur course dans le sens opposé à celui dans lequel ils auront pénétré le matériau. Une valeur à -1 équivaut alors à un miroir plutôt bizarre (pour un matériau Specular).
• Si la Phase est neutre (zéro), les rayons lumineux sont diffusés dans tous les sens – plus ou moins fort selon le Scattering.

L’intensité globale et le Density (Scale dans la v2.xx)

Passons enfin au paramètre Density. Cette valeur agit comme un multiplicateur des autres paramètres. Donc avec une valeur très basse le matériau sera quasi transparent et blanchâtre. Plus on monte la valeur et plus on multiplie les valeurs d’Absorption et de Scattering, ce qui a pour effet de réduire la profondeur de la translucidité et d’augmenter l’intensité des filtres de couleur. Par exemple, si on veut un SSS très saturé comme une oreille translucide rouge par exemple, il faudra mettre de la couleur rouge dans Absorption et/ou du cyan dans le Scattering, définir la luminosité du Scattering sur une valeur assez basse et monter le Density jusqu’à ce que le blanc du Scattering medium se transforme en couleur. À partir de là, ce sera un jeu de réglage entre les trois paramètres pour affiner et conserver suffisamment de saturation dans la couleur tout réglant la bonne profondeur de translucidité.

Généralités

Selon l’effet désiré (un verre coloré, une bougie ou la translucidité d’une oreille de personnage), on pourra se limiter à de la couleur dans l’Absorption ou le Scattering, ou combiner les deux. On pourra aussi limiter l’effet à certaines zones de l’objet par une texture dans le canal de Transmission (blanc : la lumière passe ; noir : la lumière ne passe pas ; couleur : seule cette couleur passe). Tout peut être combiné mais gardez toujours à l’esprit que vous filtrez de la lumière. Donc si vous demandez des choses contradictoires, vous obtiendrez inévitablement du bruit.

Pour obtenir des translucidités aux teintes tranchées, il est de très loin préférable de jouer avec des Density plus élevés que des teintes plus fortes et plus saturées dans l’Absorption ou le Scattering car cette dernière solution produira nettement plus de bruit que d’augmenter le Density. C’est une proportion à trouver qui dépendra toujours de l’échelle, de l’éclairage, etc, mais commencez toujours par adapter le Density.

Une chose est certaine : à une échelle réelle, obtenir une teinte rouge à travers une oreille au soleil avec un Density à 100 ou inférieur est quasi impossible ou produira beaucoup de bruit.

Le nœud de Density peut aussi bien descendre dans des valeurs très en dessous de la virgule que monter jusqu’à 10 000 (aussi bien dans le nœud Scattering medium que dans le nœud Absorption medium). Les valeurs en dessous de la virgule seront plutôt à réserver aux effets évanescents comme de la brume, des nuages, des lucioles, etc. Dans ce cas, il est préférable d’activer le Fake shadows si on utilise un matériau Specular (et l’Alpha shadows dans le Kernel).

Les autres paramètres du matériau Specular

Film Width et Film Index

Comme ces deux paramètres ont pour effet de générer une iridescence à la surface du matériau (comme une bulle de savon), elles ont aussi pour effet de filtrer partiellement la lumière qui pénètre l’objet. Ces deux paramètres auront donc également théoriquement un effet sur la couleur de la translucidité, tout comme la réflexion. Mais pour être honnête, l’impact est tout de même très subliminal…

Le matériau Diffuse et le SSS

Le Scattering medium en combinaison avec un matériau Diffuse fonctionne globalement de la même manière qu’avec un matériau Specular. Il y a néanmoins quelques points d’attention dont il faut tenir compte pour bien paramétrer la translucidité diffuse.

Le plus gros avantage du SSS avec un matériau Diffuse est que ce mode est nettement plus rapide à rendre et qu’il génère nettement moins de bruit puisqu’il génère peu ou pas de caustiques et qu’il ne comporte pas d’Index.

Donc, dans beaucoup de cas, il sera nettement plus avantageux de combiner un matériau Diffuse avec un matériau Glossy dans un MixMaterial si on a besoin de brillance plutôt que de vouloir à tout prix travailler avec un matériau Specular qui sera de toute façon toujours plus long à rendre. Cela étant, pour des gemmes ou des liquides, c’est à dire des matériaux dont l’aspect est fortement lié à la réfraction de la lumière, le matériau Specular sera incontournable bien entendu…

Le port Diffuse

Assez logiquement, le port diffuse est destiné à recevoir la couleur de surface de l’objet, comme une texture par exemple. Toutefois, la couleur Diffuse affecte la lumière transmise dans le cas du matériau Diffuse combiné à un Scattering medium, et ce dans une large mesure. Comme vous avez pu le voir dans une capture plus haut, le blanc annule purement et simplement le SSS. Donc je vous conseille de d’abord tester votre translucidité avec une couleur noire dans le port Diffuse puis d’ajouter votre texture avec une luminosité très basse que vous augmenterez graduellement jusqu’à obtenir l’effet souhaité. Pour ma part, s’il s’agit d’une texture dans le port Diffuse, je la combine toujours à un nœud ColorCorrection pour avoir plus de contrôle avec le SSS.

Comme la couleur du port Diffuse a un fort impact sur la translucidité, ce matériau est considéré comme plus difficile à paramétrer que le matériau Specular mais, si vous vous contentez d’un simple gris foncé dans le port Diffuse et que vous gérez la couleur de l’objet via un autre matériau et un MixMaterial, ce matériau n’est pas plus difficile à paramétrer que le matériau Specular. Si néanmoins vous voulez ajouter de la couleur dans le port Diffuse, sachez que cette couleur agira de la même manière que de la couleur dans le Scattering : la lumière qui traversera l’objet sera d’une teinte complémentaire à la couleur diffuse et la lumière réfléchie aura la même teinte que la couleur diffuse. Et plus la luminosité de la couleur diffuse sera forte, moins le SSS sera visible. Le blanc, occultant complètement le Scattering medium.

Le Roughness

Il y a bien entendu une interaction entre le Roughness du matériau Diffuse et la translucidité mais son impact est nettement moins perceptible que pour un matériau Specular.

La Transmission

Contrairement au matériau Specular, la Transmission dans le matériau Diffuse est désactivée par défaut. Il faut donc s’assurer qu’elle soit active en ajoutant un nœud Float ou du blanc (ou une texture, etc) dans la Transmission avant de pouvoir utiliser un nœud medium. Sans quoi il ne se passera tout simplement rien… La transmission assure le passage de la lumière dans le matériau donc ajouter une couleur limitera le passage de la lumière strictement à cette couleur ou ajouter un masque en valeurs de gris limitera graduellement la pénétration de la lumière aux zones non noires.

Le port Emission du Scattering medium

Le port Emission permet de produire de la lumière à partir de l’intérieur de l’objet et pas seulement de sa surface en connectant un nœud Blackbody ou Texture Emission au port Emission du Scattering medium. Cette lumière est influencée par les paramètres de Scattering et les couleurs définies dans le nœud Scattering medium ainsi que par le paramètre de Density.

Cette technique est assez complexe à maîtriser et mériterait un article à elle toute seule. Je ne vais pas m’y attarder pour cet article car je ne la maîtrise pas suffisamment moi-même pour donner un quelconque conseil. Sachez seulement que si vous voulez faire de la lave, une luciole, un filament d’ampoule ou un quelconque éclairage volumétrique du même acabit, c’est ici que ça se passe et c’est à tester sans modération.

Pour commencer avec ce port Emission, j’ai constaté lors de mes quelques tests qu’il était plus simple de travailler avec un matériau Diffuse plutôt qu’un Specular. Aussi, le comportement des nœuds Texture ou Blackbody sont assez différents. N’hésitez pas à tester les deux avec votre nœud medium selon vos besoins car vous obtiendrez des résultats très différents. Sachez enfin que la valeur de Temperature du nœud Blackbody fait varier la luminosité en plus de la couleur : une valeur haute produira nettement plus de lumière qu’une valeur basse.

Le nœud Absorption medium

Le gros avantage de ce nœud est aussi et surtout la vitesse de rendu, au détriment de translucidités nettement moins réalistes bien évidemment. Mais, comme dit plus haut, c’est un nœud qui vaut la peine d’être exploré pour des verres teintés si on a besoin de rendu rapides ou pour des éléments de décor, d’arrière plan, des personnages cartoon, des translucidités vues de loin comme des feuilles d’arbre (en polygones avec une épaisseur), des cheveux pas chers à rendre, etc.

Combiné à un MixMaterial et un nœud Glossy, il est aussi possible d’obtenir des translucidités teintées rapides à rendre pour des animations de personnages par exemple. Ce ne sera pas aussi précis que le Scattering medium mais ça peut faire largement l’affaire entre autre pour des personnages cartoon. Donc ce n’est sûrement pas un nœud à dédaigner si on a besoin de vitesse d’exécution. Ce serait donc dommage de s’en passer…

En conclusion

Comme vous avez pu vous en rendre compte avec cet article, le Subsurface scattering est un monde en soi en ce qui concerne la créations de matériaux. Comme cette propriété physique particulière est influencée par la quasi totalité des autres paramètres des matériaux, il est bien souvent nécessaire d’appréhender le problème dans son ensemble si on veut aller au bout des choses. Ce qui rend la tâche d’autant plus ardue dans certains cas.

Néanmoins, comme je l’ai dit à plusieurs reprises dans cet article, si on ne s’en sort pas avec un effet de translucidité en un seul matériau à cause de la multiplicité de paramètres à prendre en compte, il est également possible de combiner un matériau SSS plus simple avec un autre matériau sans SSS via un MixMaterial. De cette façon, on pourra dissocier du SSS l’influence de la spécularité ou de la couleur de l’objet. Bien entendu dans certains cas des effets seront perdus, ce ne sera pas toujours possible en un seul MixMaterial, etc, mais avec le système nodal d’Octane, il n’y a pas un seul chemin possible pour réaliser un matériau et, paradoxalement, ce n’est pas toujours le setup qui semble le plus simple qui est effectivement le plus facile à maîtriser.

Si vous utilisez un MixMaterial, faites preuve de logique et de bon sens. Si vous voulez faire un ballon de baudruche ou une feuille d’arbre qui n’ont pas d’effets de réfraction à l’intérieur du matériau, il sera plus logique de mixer un matériau Diffuse avec un matériau Glossy. Par contre, pour un matériau comme une gemme, un liquide trouble, un raisin blanc, etc, où les réfractions et/ou réflexions ont toute leur importance, il sera plus logique de travailler avec un Specular et un Glossy. Cette logique est bien entendu à mettre en balance avec la précision qu’on désire obtenir en regard de la vitesse de rendu puisque le matériau Diffuse sera toujours rendu plus rapidement que le matériau Specular.

Voilà tout ce que je peux dire sur ce sujet en regard de mes découvertes personnelles. Je vous souhaite beaucoup d’amusement dans l’exploration des matériaux translucides ou SSS (SubSurface Scattering) d’Octane et j’espère que cet article vous aura été utile. Je vous remercie de m’avoir lu jusqu’ici…