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raymarching算法

raymarching 算法

raymarching 算法思想很直观：首先有一个3D的体纹理，然后从相机发射n条射线，射线有一个采样的步长。当射线处在体纹理中时，每个步长采一次样，获取纹理值（实际上表示该点的密度值），计算光照，然后和该条射线当前累积的颜色值进行混合。

为什么这样就可以渲染出正确的图案呢？因为光路是可逆的，从光源射出的光线经过散射，最终进入摄像机的效果等同于从摄像机发出的射线进行着色和采样，这个raytracing的道理是一样的。

图片来自网络，图侵删

这种算法很适合在GPU上实现，因为每条射线的计算都是独立并行的，GPU在大量并行计算上有先天的优势。为了在GPU上实现，我们需要解决的问题主要有2个：

  1. 哪些片段需要raymarching。
  2. raymarching的方向和终点在哪里。

下面来逐一进行解决。

确定raymarching的片段

体绘制首先需要一个载体(proxy geometry)，也就是为了确定屏幕上的哪些像素是属于某个体纹理的。这个问题很容易就让人联想到包围盒，问题也就引刃而解。

我们只需将体纹理的包围盒绘制出来，那么包围盒在屏幕上覆盖的片段自然就是需要进行raymarching的了。如下图所示：

这里写图片描述

随后只需要执行raymarching的片断着色器即可。

raymarching的方向和终止点

在使用包围盒作为体绘制的载体时，起/终点就是每根ray进出包围盒时的两个交点。关于如何得到这两个点的坐标，有一种2个pass的算法：

  • 绘制包围盒的背面，即将OpenGL背面剔除设置为GL_FRONT，并将每个片段的世界坐标保存在纹理缓存中。
  • 绘制正面，将每个片段的坐标和上一个pass中的每个片段的坐标相减，即可的到ray的方向和长度，然后进行raymarching算法，达到长度终止即可（采样时要转换为纹理坐标）。

2个pass过程相对繁琐，我使用了1个pass：

  • 获得片段的世界坐标，然后减去视点位置得到ray的方向。然后每次步进时都判断当前的纹理坐标是否超出了包围盒的边界，一旦超出，就停止算法。

确定ray的起始和终止点，是一个对资源消耗很大的过程，这方面也有许多内容值得研究，作为一个探索原理的程序，就以体现算法思想为主了。

顶点着色器如下：

#version 450 corelayout(location = 0) in vec3 vertices;
layout(location = 1) in vec3 UVW;uniform mat4 M;
uniform mat4 V;
uniform mat4 P;
uniform vec3 viewPos;out vec3 textCoord;
out vec3 fragWorldPos;void main()
{gl_Position = P*V*M*vec4(vertices, 1.0);// 把片段的世界坐标以及纹理坐标传递给下一个阶段fragWorldPos = vec3(M*vec4(vertices, 1.0));textCoord = UVW;
}

然后是片断着色器：

#version 450 coreuniform sampler3D noiseSampler;
out vec4 outColor;in vec3 textCoord;
in vec3 fragWorldPos;
uniform vec3 viewPos;uniform mat4 M;struct Ray{vec3 o;vec3 d;
}eyeRay;// 这个着色函数copy的shadertoy上iq大神的，关于体绘制的着色还没有开始深入的学习，日后再说哈哈
vec4 integrate( in vec4 sum, in float dif, in float den, in vec3 bgcol, in float t )
{// lightingvec3 lin = vec3(0.65,0.7,0.75)*1.4 + vec3(1.0, 0.6, 0.3)*dif;        vec4 col = vec4( mix( vec3(1.0,0.95,0.8), vec3(0.25,0.3,0.35), den ), den );col.xyz *= lin;col.xyz = mix( col.xyz, bgcol, 1.0-exp(-0.003*t*t) );// front to back blending    col.a *= 0.2;col.rgb *= col.a;return sum + col*(1.0-sum.a);
}#define CHECK_IN_BOX(p) 
if(p.x < 0.0 || p.x > 1.0||p.y < 0.0 || p.y > 1.0||p.z < 0.0 || p.z > 1.0)break;void main()
{vec3 bgColor = vec3(0.8,0.0,0.4);vec3 lightColor = vec3(0.6, 0.8, 0.7);vec3 lightDir = normalize(vec3(5,5,5));// 射线的起点和方向eyeRay.o = viewPos;// 由于采样时使用的纹理坐标，// 而这个3D纹理坐标系和包围盒的本地坐标系是平行的（原点可能不一致），// 因此将ray的方向向量从世界坐标转换回本地坐标eyeRay.d = inverse(mat3(M)) * normalize(fragWorldPos - viewPos);float stepSize = 0.005;vec4 result = vec4(0.0);// 采样其实是从这个片段的纹理坐标开始的，然后沿着ray的方向步进vec3 p = textCoord;float steps = 0;for(int i = 0; i < 1000; i++, steps++){CHECK_IN_BOX(p);float dens = texture(noiseSampler, p).r;if(dens >= 0.01){float dif = clamp((dens - texture(noiseSampler, p + lightDir *0.5).r), 0.0, 1.0);result = integrate(result, dif, dens, bgColor, stepSize);}p += stepSize*eyeRay.d;}outColor = result;//outColor = vec4(fragWorldPos, 1.0);
}


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