Ray Marching in Shadertoy

15 March 2021 - less than 1 min read time
Tags: Shader Notes

Ray Marching

在Shadertoy里只处理片元着色器，输入FragCoord，通过自己的操作输出该点的颜色值，因此处理3d物体必须用到Ray Marching。

如图所示：

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连接摄像机和像素点，向前延伸，和物体求交点，符合相交条件则进行处理，利用distance去计算该点上的颜色。

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光线步进的大概原理如下：

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float RayMarch(vec3 ro, vec3 rd)
{
    float dO = 0.;

    for (int i = 0; i < MAX_STEPS; i++)
    {
    	vec3 p = ro + dO * rd;
    	float dS = GetDist(p);
    	dO += dS;
    	if (dS < SURF_DIST || dO > MAX_DIST) break;
    }

    return dO;
}

用RayMarch()函数获取步进距离d，计算出当前像素点所在的世界坐标p，接着用GetLight()函数就可以进行颜色计算辣。

vec3 ro = vec3(0, 1, 0); // Camera
vec3 rd = normalize(vec3(uv.x, uv.y, 1)); // Light direction

float d = RayMarch(ro, rd);
vec3 p = ro + rd * d;

vec3 col = vec3(GetLight(p, ro));

fragColor = vec4(col, 1.0);

值得一提的是在GetLight()里可以计算阴影，方法就是从当前点沿着光线方向再进行一次RayMarch，得到距离值d，如果d小于像素点到光源的距离，则说明从光源到该点之间有物体遮挡，即该点处于阴影中。

float d = RayMarch(p + n * SURF_DIST * 2., l);
if (d < length(lightPos - p)) return 0.;

球体示例（源码）

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胶囊体的距离计算方法：