立体渲染 Volumetric Rendering
基础概念
在3D游戏引擎中，球体、立方体以及所有其它复杂的集合体都是由三角面片组成的。引擎只会渲染物体的表面,比如球体,半透明物体等.整个世界由各种空壳构成.
立体渲染（Volumetric Rendering）的基本概念：模拟光线在物体内部的传送,从而实现更震撼也更真实的视觉效果。
片段着色器最后返回的对象，是从特定角度看过去特定位置的颜色。
这种方式计算的颜色是完全随意的，因此返回的内容可以不必匹配几何体的真实渲染情况。
下图展示了一个3D立方体的例子。当片段着色器检测到立方体表面的颜色时，模拟光线传送，使得结果如同一个球体
立体射线投射 Volumetric Raycasting
用一个函数判断光线与自定义的几何体相交的问题，限制较大，只能模拟简单几何体比如球，圆柱等。
固定步长立体光线追踪 Volumetric Raymarching with Constant Step
不依赖相交函数的，基于迭代的，可以模拟任意几何体
一步一步的检测光线是否已经投射到红色球体
bool raymarchHit (float3 position, float3 direction)
{
for (int i = 0; i < STEPS; i++)
{
if ( sphereHit(position) )
return true;
position += direction * STEP_SIZE;
}
return false;
}
bool sphereHit (float3 p)
{
return distance(p,_Centre) < _Radius;
}距离辅助的光线追踪 Distance Aided Raymarching
固定步长的光线追踪非常低效，需要一种方法估算在遇到几何体之前需要走多远，
比如之前的sphereHit函数，不是返回bool值，而是距离球面的距离
float sphereDistance (float3 p)
{
return distance(p,_Centre) - _Radius;
}该函数就是一个有向距离函数(signed distance function),正数在几何体外,负数在几何体上,0在几何体表面
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;
}在一个比较复杂的场景运行的效果如下
STEPS 最大步数,需要根据图像形状调整
MIN_DISTANCE 不能是0,给一个比较合适的误差值0.01左右
SDF Signed Distance Fields(Functions) 有向距离场(函数) 组合
可以用组合的方式做出比较复杂的图形,例如那个很出名的蜗牛
简单来说 min返回并集,max返回交集
可以用类似Alpha混合的方式做多个形状的混合 as1 + (1-a)s2
还有很多种别的合并方式,如光滑合并
float sdf_smin(float a, float b, float k = 32)
{
float res = exp(-k*a) + exp(-k*b);
return -log(max(0.0001,res)) / k;
}法线预估
Íñigo Quílez的方法是对周围其它点的距离场进行取样，来估算局部表面的曲率
float3 normal (float3 p)
{
const float eps = 0.01;
return normalize
( float3 (
map(p + float3(eps, 0, 0) ) - map(p - float3(eps, 0, 0)),
map(p + float3(0, eps, 0) ) - map(p - float3(0, eps, 0)),
map(p + float3(0, 0, eps) ) - map(p - float3(0, 0, eps))
) );
}更多
一个简单的实例Unity Shader
效果如下,在Cube内绘制了一个球
// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
Shader "Unlit/VolumetricText"
{
Properties
{
_BaseColor ("Base Color", Color) = (1,1,1,1)
_SphereColor ("Sphere Color", Color) = (1,0,0,1)
_SphereCentre("Sphere Centre",Vector) = (0,0,0)
_ShpereRange ("Sphere Range", Range(0.1,2)) = 0.8
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" "LightMode" = "ForwardBase" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#include "Lighting.cginc"
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 wPos : TEXCOORD0; //世界坐标
};
float4 _BaseColor;
float4 _SphereColor;
float3 _SphereCentre;
fixed _ShpereRange;
//有向距离函数
float SphereDistance(float3 p)
{
return distance(p, _SphereCentre) - _ShpereRange;
}
//光线追踪
fixed Raymarch(float3 position, float3 direction)
{
float STEPS = 10;
float MIN_DISTANCE = 0.01;
for (int i = 0; i < STEPS; i++)
{
float distance = SphereDistance(position);
if (distance < MIN_DISTANCE)
return i / (float)STEPS;
position += distance * direction;
}
return 0;
}
//法线模拟_简单球形测试
float3 NormalEstimation_Sphere(float3 p)
{
return normalize(p - _SphereCentre);
}
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
fixed4 col = _BaseColor;
float3 viewDirection = normalize(i.wPos - _WorldSpaceCameraPos);
fixed rayHit = Raymarch(i.wPos, viewDirection);
if (rayHit >= 0.01)
col = _SphereColor;
//丢弃不在形状内的,测试,不在的改为白色
clip(col.a - 0.01);
fixed3 normal = NormalEstimation_Sphere(i.wPos);
//简单处理下光照
fixed3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz; // Light direction
fixed3 lightCol = _LightColor0.rgb; // Light color
fixed NdotL = max(dot(normal, lightDir), 0);
col.rgb = col * lightCol * NdotL;
return col;
}
ENDCG
}
}
}参考网页
Unity教程｜立体渲染
Unity3D体积烟雾制作思路分享
梯度下降法
comprehensive guide to volume rendering
