Unity教程｜立体渲染

本文将介绍在Unity中实现简单的立体渲染（Volumetric Rendering）效果，立体渲染可以实现逼真的材质与灯光进行复杂的交互，例如：雾、烟、水和玻璃。

立体渲染的基本概念可以查看下图了解：

介绍

在3D游戏引擎中，球体、立方体以及所有其它复杂的集合体都是由三角面片组成的。Unity采用的实时光照系统只能渲染平面。例如：渲染球体，Unity仅绘制球体表面的三角形。尽管一些材质是半透明的，也只绘制表面并将其颜色与后面的物体进行混合。光照系统无法探测到材质的几何体的内部。对于GPU来说，整个世界就是由各种空壳构成的。

为了突破这种强大的限制，大量技术顺势而出。尽管传统着色器最终都会止于物体表面，但这并不意味着无法更深入。立体渲染技术可以在材质内部模拟光线的传送，从而实现更震撼也更真实的视觉效果。

立体渲染

无光照纹理的片段着色器如下：

不严格地说，上述代码会为最终渲染图像每一个可能的像素（片段）调用。GPU会在有三角形与相机视锥体相交时，调用该片段着色器。换句话说，就是相机“看见了”该对象。Unity需要知道该对象的实际颜色，以便将其分配到渲染图像的各个像素。

片段着色器最后返回的对象，是从特定角度看过去特定位置的颜色。这种方式计算的颜色是完全随意的，因此返回的内容可以不必匹配几何体的真实渲染情况。下图展示了一个3D立方体的例子。当片段着色器检测到立方体表面的颜色时，我们获得的颜色如同我们在一个球体上所看到的。这个几何体是个立方体，但是从相机的角度来看，它的外观和感觉其实“酷似”一个球体。
这就是立体渲染（Volumetric Rendering）的基本概念：模拟光线在物体内部的传送。

如果想模拟前面的效果，就要更精确地进行描述。假设主物体是一个立方体，要在其内部立体渲染一个球体，实际上并不存在这个球体，因为我们将完全通过着色器代码来渲染。球体中心点位于_Centre，半径是_Radius，均为世界坐标。移动立方体不会影响球体位置，因为它是完全以世界坐标系来表述的。外部的几何体也不会对该球体造成任何影响。立方体表面的三角形就是通向几何体内部的窗口。虽然可以使用四边形（Quad）减少三角形数量，但要能从立方体的任意角度观看该球体。

立体射线投射

第一种立体渲染的方式完全适用于实现前文所述的效果。片段着色器接收要渲染的点（wolrdPosition）以及视线方向（viewDirection），然后使用raycastHit函数检测是否投射到红色球体。这种技术叫做立体射线投射（Volumetric Raycasting），它将射线从相机投射到几何体内部。

在片段着色器函数中添加剩下的代码：

下面来解释代码中的其它变量。

世界坐标

首先，片段的世界坐标就是从相机生成的射线投射到几何体上的点。在片段着色器中获取世界坐标的代码如下：

视线方向

其次，视线方向就是射线从相机投射到几何体上被渲染的点的方向。这里需要知道相机坐标，Unity已内置了该变量 _WorldSpaceCameraPos。计算通过两点的射线方向可使用如下代码：

Raycast Hit函数

当我们知道了渲染点的坐标和方向后，现在需要使用raycastHit函数来决定射线是否投射到了虚拟的红色球体上。这就是球体与线段相交的问题，这种问题已有惯用解决方案，但通常效率不高。如果需要更具分析性的方法，就需要自行解决线段与自定义几何体相交的问题。这种方案极大限制了可以创建的模型，所以很少被应用。

固定步长的立体光线追踪

上面提到纯分析式的立体射线投射，其实不适合解决这里的问题。如果希望模拟任意几何体，就要找到不依赖于相交方程的更为灵活的技术。常见的解决方案叫做立体光线追踪（Volumetric Raymarching），是基于迭代的解决方案。

立体光线追踪会缓慢地将射线投射到立方体内，每一步都会检测当前是否已投射到红色球体。

每条射线均从片段坐标worldPosition开始，然后迭代沿着viewDirection的方向投射STEP_SIZE单位长度。这可以通过每次迭代为worldPosition加上STEP_SIZE * viewDirection 来实现。

用下面的raymarchHit函数代替之前的raycastHit：

下面的函数用于检测点p是否位于球体内：
线段与球体相交很难，但迭代检测点是否位于球体内就很简单了。结果见下图，别看它看起来就是个圆形，实际上这就是个无光照的球体：

小结

本文介绍了基本的立体渲染概念。尽管传统着色器只能渲染材质的外壳，但还是有办法让光线穿透到材质内部的几何体，创造画面的深度。光线追踪就是最常用的技术，本文用该技术在立方体内绘制了一个红色球体。后面的教程将分享如何逼真地着色（第三篇表面着色）以及如何做出一些有趣的形状（第四篇 有向距离场）。最终将能够使用简单几行代码和一个立体渲染着色器实现如下效果：

本系列共有四篇教程，立体渲染是第一篇，后面将继续更新，请保持关注。

本文来源于：alanzucconi.com

原作者：Alan Zucconi

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