Unity中如何使用Raymarching实现惊艳的图形效果

本文将由David Arppe分享一些在游戏中使用Raymarching技术的建议，以及他已用于实际游戏中的Raymarching代码，看看Raymarching这种古老的渲染技术如何回归游戏，并且使用并行处理和计算技术进行优化！

Raymarching技术实际上已经非常“古老”，在很早之前就被用于一些“古老”而经典的游戏中。例如下面两款经典的“老”游戏：

1.《Tennis for Two》

《Tennis for Two》被广泛认为是最早的视频游戏之一，它是一款使用示波器进行播放的游戏！非常酷并且很有创意！由William Higinbotham在1958年推出。

2. 《Donkey Kong》

《Donkey Kong》是一款诞生于视频游戏黄金年代的街机游戏。游戏主角是Jumperman（也就是现在的马里奥）。它被认为是首批带有故事情节的视频游戏之一，玩家在屏幕上可以像“看电影”一样，惊恐地看着公主一次又一次被绑架。由Nintendo Research and Development 1在1981年推出。

这些比较古老的游戏都非常有创意，他们突破了当时计算机硬件和软件的限制。超前地使用了现在仍未过时的技术。

什么是Raymarching技术

Raymarching是一种计算机图形渲染方式，但它的潜力仍未被完全发掘。Raymarching一般用于渲染体积纹理、高度图以及解析曲面。如今，大多数游戏用OpenGL或Direct3D（DirectX）来使用显卡的硬件加速器绘制多边形，电脑可以以每秒60帧的速度渲染几百万个三角面。虽然Raymarching没有那些图形API那么出名，但它可以仅用两个三角面实现无与伦比的细节。

RayMarching是一种数学渲染方式。它是由距离场（点到一个图元的距离）、固定步长（通常用于体积渲染）和根定位（一个数学方法）完成的。

创建上图这样的场景需要借助三维工具（Maya, Blender, 3DsMax），纹理工具（Photoshop, Gimp, MSPaint）。而该场景使用数学方法创建，通过Raymarching技术来渲染，不再受渲染三角面数的限制。不过，Raymarching技术并不是万能的，它速度较慢，我认为其应该与多边形渲染一起使用。

下面的内容所涉及的代码可以给出很好的解释，您可点击【阅读原文】查看具体代码。

如何在游戏中添加Raymarching

结合Raymarching与多边形两种渲染方式并不难。不过首先要理解它们之间的区别：

• Raymarching并非百分百精确。而使用距离场可以趋近于希望渲染的表面，但几乎无法得到真正想要的距离。

• 渲染多边形（透视模式下）使用了投影矩阵。这是深度，不是距离。
  

通常两者结合使用时，最简单的方式就是从多边形开始，用Raymarching作为结束。使用距离缓冲区进行深度测试是很难的，并且会局限于固态物体。Raymarching阶段需要在所有渲染结束后进行（就好比固态物体无法在透明物体之前渲染）。您可通过原文中的具体代码，了解如何准备好深度缓冲区，并将其转化为距离缓冲区！

Raymarching的工作原理

在准备工作就绪后，获得深度缓冲区里的距离，就可以处理相交。通过逆投影矩阵计算出正确的射线，来匹配游戏中摄像机的视角。然后定位摄像机即可。

在Unity中的效果如下图，两个黄色球体与一个长方体相交。其中一个（右边的）球体使用多边形渲染。它按照预期与立方体相交。左边的球体则按设置从游戏摄像机中计算的正确FOV，位置和旋转信息。

另外请注意，与右侧多面球体相比，用Raymarching渲染球体相交的立方体表面边缘非常平滑。

渲染其他内容

使用Raymarching渲染需要较深的数学功底，下面用球体以外的形状来实现一些特殊物体！

float sdTorus( float3 p, float2 t )

{

  float2 q = float2(length(p.xz)-t.x,p.y);

  return length(q)-t.y;

}

这是一个环面的距离公式。此距离函数返回从点到距离图元最近的点的距离，将用于渲染甜甜圈。在下图中可以看到黑色图形、红圈、蓝点及红线。左下角的蓝点是摄像机，右上角的蓝点是正在观察的点。除了知道与最近平面（底部中心粗短的黑线）的距离以外没有任何信息。因此，使用这个距离来向前移动。不断重复这个过程，直到到达最终想要的平面！最后就可以得到目标平面的距离。

要实现甜甜圈，还需要实现以下功能：

• 获取射线源（摄像机位置）

• 获取射线方向（摄像机FOV，长宽比还有旋转角度）

• 在函数中添加一个距离函数（环形）

• 将光线投射到图形上

• 在该光线上获取到图形表面的距离
  

下面，首先要计算一个点。使用标准的point-along-a-vector方程，沿着所投射的射线移动一定的距离，然后计算到图元的距离。将刚刚计算的数值加上沿射线移动的距离，然后重复该过程。通过FOR循环进行控制，结果如下图。

现在还只渲染出纯黄色。到此已成功创建了一个环形，您也可以尝试一些其它的距离函数，并观察它们的工作工作原理。后面还会使用一些更高级的东西。

获取G-Buffer信息

还需要更多信息来使用光照模型。现在，只有一条射线的距离。要在图形上进行更多操作，需要知道：3D坐标和表面法线。这些属性都非常容易获得！

下图是一个有法线和世界坐标的圆环。

下面来添加光照。这里使用了标准的Phong光照模型为圆环添加光照，看起来效果不错！

投影映射

下面在甜甜圈上撒些东西！可以在此获取所用的纹理。目标是尽可能地让它看起来更像甜甜圈，最终可以达到如下图的效果。

总结

当“古老”的技术与现实碰撞，有的时候能产生很不一样的效果。本文我们教大家Raymarching这种计算机图形渲染方式实现了一个“甜甜圈”，是不是很有意思？您可以点击【阅读原文】查看文中功能实现的源代码。

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