unity 实现 raymarching(一)

主要参考自 https://github.com/SebLague/Ray-Marching

raymarching 的原理是将屏幕像素分成网格,然后以相机作为原点,指向每个网格发出射线,计算射线于场景内物体的交点,遍历所有的网格之后,就完成了整个场景的渲染


raymarching

关键在于如果计算射线于物体的交点

raymarching 不同于 raytracing 直接计算,则是是沿着射线方向,每次延长固定步长,检测射线是否于场景内的物体相交

不过步长不容易控制,太长容易跳过尺寸小的物体,太短的话效率低,需要很多次才能遍历到远处的物体

通常由于步长的原因,计算和物体相交也并不能准确,可以于定义好的最小距离,如果和物体的距离小于最小的距离,则认为和物体表面相交了

翻译成伪代码大致就是

var startPoint;
var direction;
var step = 64;
var point = startPoint;
for (i = 0; i < step; i++)
{
    point += direction;
    if (distanceSceneInfo(point) < EPSILON) 
    {
          // hit
          break;
    }
}

其中计算射线和场景中物体的距离使用的是SDF
https://iquilezles.org/www/articles/distfunctions/distfunctions.htm
这个网址列出了基础几何物体的SDF公式,还有良心的推导视频

下面是球形和立方体的SDF公式

// sphere
float sdSphere(float3 eye, float3 center, float radius)
{
    return distance(eye,center)-radius;
}

// cube
float sdCube(float3 eye, float3 center, float3 size)
{
    float3 o = abs(eye-center)-size;
    float ud = length(max(o,0));
    float n = max(max(min(o.x,0),min(o.y,0)), min(o.z,0));
    return ud+n;
}

unity 的 postprocess 可以使用自定义的 shader 对每个像素进行处理,就可以模拟屏幕射线,用来实现SDF

先搭建一个简单的场景
加上 postprocess,测试下输出渲染场景深度


场景深度

先计算以相机为原点发出的射线
然后raymarching遍历场景物体
最后用深度作为颜色输出场景

Shader "Unlit/SDF"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            sampler2D _CameraDepthTexture;
            float4x4 _InverseVPMatrix;

            float _StepCount;
            float _StepSize;

            float4 _SphereInfo;
            float4 _CubePosInfo;
            float4 _CubeScaleInfo;

            #define EPSILON 0.05

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                return o;
            }

            // sphere
            float sdSphere(float3 eye, float3 center, float radius)
            {
                return distance(eye, center)-radius;
            }

            // cube
            float sdCube(float3 eye, float3 center, float3 size)
            {
                float3 o = abs(eye-center)-size;
                float ud = length(max(o,0));
                float n = max(max(min(o.x,0),min(o.y,0)), min(o.z,0));
                return ud+n;
            }

            float sdfScene(float3 eye) 
            {
                float ds = sdSphere(eye, _SphereInfo.xyz, _SphereInfo.w * 0.5);
                float dc = sdCube(eye, _CubePosInfo.xyz, _CubeScaleInfo.xyz * 0.5);
                return min(ds, dc);
            }

            float raymarching(float3 position, float3 direction)
            {
                float3 startPoint = position;
                float depth = 0;
                for (int i = 0; i < _StepCount; i++)
                {
                    startPoint += direction * _StepSize;
                    if (sdfScene(startPoint) <= EPSILON) 
                    {
                        depth += 0.01;
                    }
                }
                return depth;
            }

            float4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float depthTextureValue = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv);
                float4 ndc = float4(i.uv.x * 2 - 1, i.uv.y * 2 - 1, depthTextureValue, 1);
                float4 worldPos = mul(_InverseVPMatrix, ndc);
                worldPos /= worldPos.w;

                // return worldPos;

                // 相机为射线起点
                float3 rayStart = _WorldSpaceCameraPos;
                // 物体的世界坐标 - 相机的坐标为射线的方向
                float3 direction = normalize(worldPos.xyz - rayStart);
                // 遍历场景
                float r = raymarching(rayStart, direction);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

using UnityEngine;

[ExecuteInEditMode]
public class SDF : MonoBehaviour
{
    Camera currentCamera;
    [SerializeField]
    Material effectMaterial;

    public GameObject cube;
    public GameObject sphere;

    public int stepCount; // 遍历次数
    public float stepSize; // 遍历步长

    private void Awake()
    {
        currentCamera = GetComponent<Camera>();
        currentCamera.depthTextureMode = DepthTextureMode.Depth;
    }

    private void OnValidate()
    {
        // 方便调整参数,观察效果
        Shader.SetGlobalFloat("_StepCount", stepCount);
        Shader.SetGlobalFloat("_StepSize", stepSize);
    }

    void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
    {
        if (effectMaterial == null)
        {
            Graphics.Blit(src, dest);
        }
        else
        {
            Matrix4x4 viewMat = currentCamera.worldToCameraMatrix;
            Matrix4x4 projMat = GL.GetGPUProjectionMatrix(currentCamera.projectionMatrix, false);
            Matrix4x4 viewProjMat = (projMat * viewMat);
            Shader.SetGlobalMatrix("_InverseVPMatrix", viewProjMat.inverse);

            // 场景只有简单的球和立方体
            // 传递球和立方体的信息到shader中
            Shader.SetGlobalVector("_CubePosInfo", cube.transform.position);
            Shader.SetGlobalVector("_CubeScaleInfo", cube.transform.localScale);

            Vector3 t = sphere.transform.position;
            Vector4 sphereInfo = new Vector4(t.x, t.y, t.z, sphere.transform.localScale.x);
            Shader.SetGlobalVector("_SphereInfo", sphereInfo);

            Graphics.Blit(src, dest, effectMaterial);
        }
    }
}

raymarching
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