Unity立体渲染（四）｜有向距离函数

  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。

本系列教程全集：
第一篇：立体渲染。介绍立体渲染的概念以及在Unity中如何实现立体渲染。 第二篇：光线追踪。文章着重说明如何实现距离辅助的光线追踪，这是是渲染立体的事实性标准技术。 第三篇：表面着色。全面指引如何逼真地进行立体着色。 第四篇：有向距离函数。一篇对于数学工具更深入的讨论，让我们能制作和组合任意几何体。

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，我们引入了光线追踪（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：

struct v2f { 
  float4 pos : SV_POSITION; 

// Clip space float3 wPos : TEXCOORD1; 
// World position }; 
// Vertex function v2f vert (appdata_full v) 
   { v2f o; 
     o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); 
     o.wPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz; 
     return o; 
   } 

// Fragment function fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { 
  float3 worldPosition = i.wPos; 
  float3 viewDirection = normalize(i.wPos - _WorldSpaceCameraPos); 
  return raymarch (worldPosition, viewDirection); } 

struct v2f { 
  float4 pos : SV_POSITION; 
  // Clip space float3 wPos : TEXCOORD1; 
  // World position }; 
  // Vertex function v2f vert (appdata_full v) {
  v2f o; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); 
  o.wPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz; return o; 
} 
  // Fragment function fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { 
  float3 worldPosition = i.wPos; 
  float3 viewDirection = normalize(i.wPos - _WorldSpaceCameraPos); 
  return raymarch (worldPosition, viewDirection); 
}

下文将提供raymarch函数的多种不同实现。

固定步长（Constant Step）的光线追踪
在立体渲染系列文章第一篇中实现的光线追踪就使用了固定步长。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。



固定步长的光线追踪可以通过下列代码实现：

fixed4 raymarch (float3 position, float3 direction) 
{ 
  for (int i = 0; i < STEPS; i++) 
  { 
    if ( sphereHit(position) ) 
    return fixed4(1,0,0,1); 
    // Red position += direction * STEP_SIZE; } 
    return fixed4(0,0,0,1); 
   // White 
}

上篇已经看到其渲染结果是看起来像平面的几何体：



下面是距离辅助的光线追踪实现代码：

fixed4 raymarch (float3 position, float3 direction) 
{ 
  for (int i = 0; i < STEPS; i++) { 
  float distance = sphereDistance(position); 
  if (distance < MIN_DISTANCE) 
  return i / (float) STEPS; position += distance * direction; } 
  return 0; 
}

为了更好地理解它的工作原理，将表面着色替换为渐变色，来表示光线追踪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。其边缘相比之前复杂了许多。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光线追踪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。