Ray Marching (или пошаговый трассинг лучей) — это метод визуализации 3D-сцен, используемый в рендеринге без явного представления геометрии в виде полигонов. Этот подход особенно популярен в процедурной графике и шейдерах, например, в ShaderToy, где сцены создаются с помощью математических функций.
Основной принцип работы
В отличие от классического Ray Tracing, который ищет точное пересечение луча с геометрией, Ray Marching работает итеративно. Луч движется в пространстве малыми шагами, пока не достигнет объекта или не превысит максимальное количество итераций.
Процесс можно описать следующим алгоритмом:
- Генерация луча: Из точки обзора (камеры) создается луч, направление которого вычисляется на основе координат пикселя на экране.
- Итеративное продвижение: Луч движется вдоль своего направления с шагом, определяемым функцией расстояния (Signed Distance Function, SDF). Эта функция возвращает минимальное расстояние до ближайшей поверхности.
- Проверка на попадание: Если значение SDF становится меньше заданного порога (например, 0.001), считается, что луч достиг поверхности объекта.
- Ограничение итераций: Если число шагов превышает заданный предел, процесс останавливается, и пиксель считается фоновым.
- Освещение и затенение: Если луч достиг поверхности, применяются расчеты освещения (например, нормали можно вычислить через численное дифференцирование SDF), а затем накладываются эффекты, такие как тени и отражения.
Signed Distance Function (SDF)
Ключевая концепция Ray Marching — это Signed Distance Function. Она определяет расстояние от заданной точки в пространстве до ближайшей поверхности объекта. Например:
-
- Сфера: distance = length(p) – r
- Куб: distance = max(abs(p.x) – s, abs(p.y) – s, abs(p.z) – s)
- Объединение фигур: min(distance1, distance2)
SDF позволяет описывать сложные объекты без явного хранения их геометрии, что делает метод мощным инструментом в процедурной графике.
Достоинства и недостатки
Плюсы:
- Гибкость: можно создавать сложные сцены без мешей.
- Компактность: сцена кодируется формулами.
- Реалистичность: легко добавлять глобальное освещение, мягкие тени и отражения.
Минусы:
- Высокая вычислительная сложность: требует большого количества итераций.
- Артефакты: при недостаточной точности могут появляться «дырки» или недостоверные пересечения.
Заключение
Ray Marching — мощный инструмент, используемый в процедурной графике и демосцене. Хотя он требует значительных вычислительных ресурсов, его гибкость позволяет создавать впечатляющие визуальные эффекты и сцены, полностью описанные математикой.
Этот метод особенно интересен для исследователей рендеринга и тех, кто хочет глубже понять работу современных шейдеров.
