Unity教程｜立体渲染之Raymarching

在立体渲染（Volumetric Rendering，为保持一致，本系列译文均称立体渲染）系列第一篇文章——Unity教程｜立体渲染中，我们简单介绍了立体渲染的基本概念。对立体渲染不太熟悉的开发者，请先查阅第一篇文章。

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。Raymarch就是最常用的技术，第一篇文章使用Raymarch技术在立方体内绘制了一个红色球体。本文将深入为大家介绍效率更高的Raymarch实现方案。

引言不严谨地说，当光线从相机发射到物体表面时，Unity 5光照引擎的标准行为是停止渲染。目前并没有内建机制能让这些射线穿透物体表面进入内部。为了补偿这个缺陷，我们引入了Raymarch技术。片段着色器包含要渲染的点的位置（世界坐标系下）以及从相机到物体的视线方向，我们手动延长这些射线，让它们射向仅存在于着色器代码中的自定义几何体。能实现该需求的着色器原型如下：

下文将提供raymarch函数的多种不同实现。

固定步长的Raymarch在立体渲染系列文章第一篇中实现的Raymarch就使用了固定步长（Constant Step）。每一束射线都会沿视线方向延伸STEP_SIZE的长度，直到击中目标为止。上篇的示例将目标绘制为红色，而其他部分为白色。

固定步长的Raymarch可以通过下列代码实现：

上篇已经看到其渲染结果是看起来像平面的几何体：

下一篇要介绍的表面着色器将全权负责立体渲染的三维效果。但此前需要更好的方式来实现Raymarch。

距离辅助的Raymarch

固定步长的Raymarch非常低效，原因是射线每次都会延长同样的长度，不会考虑到几何体填满立体空间的情况。对于着色器来说，无效循环的增加就意味着性能的下降。如果要实现实时的立体渲染，就必须找到更好更高效的解决方案。

我们需要一种方法来估算射线在遇到几何体之前到底要走多远。这就需要估算射线到达几何体的距离。上一篇文章中用到了sphereHit函数，它可以判断一个点是否存在于某个球体内：

对其稍作修改，将返回值从布尔值修改为距离：

现在该函数属于符号距离函数（signed distance function）家族。正如函数名称所示，它测量的返回值是可正可负的。当返回值为正数时，点在球体外。而返回值为负数时，点就在球体内。为零就表示点在球的表面。

sphereDistance能做的就是提供一个保守的预估距离，告诉我们射线在到达球体之前还要前进多远。不过如果没有进行适当的着色，立体渲染的结果还是比较单调的。本例中只渲染了一个球体，看起来似乎不重要。但如果使用更复杂的几何形状，这个技术就非常有价值了。下图（取自Distance Estimated 3D Fractals，经过距离估算的3D分形）呈现了Raymarch的工作原理。每条射线都会走过到达最近物体的距离。通过这样的方式，就可以大幅减少射线命中渲染体所需的步数了。

下面是距离辅助的Raymarch实现代码：

为了更好地理解它的工作原理，将表面着色替换为渐变色，来表示Raymarch命中几何体前究竟需要多少个步骤：

很明显，立刻就能找出面向相机的平面几何体，但是辨别边缘则要复杂许多。这种技术同样可以估算出到附近任意几何体之间的距离。

结论

本文介绍了实现实时Raymarch着色器实际可用的标准技术。射线会先保守估计到附近几何体的最近距离，再根据该距离进入立体空间。

下一篇文章将着重介绍使用距离函数创建基本几何体的方法，以及如何组合这些几何体以便得到您想要的任意形状。

本系列共有四篇教程，本文为第二篇，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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