23.06.2025

Что такое Ray Marching и как он работает?

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:

  1. Генерация луча: Из точки обзора (камеры) создается луч, направление которого вычисляется на основе координат пикселя на экране.
  2. Итеративное продвижение: Луч движется вдоль своего направления с шагом, определяемым функцией расстояния (Signed Distance Function, SDF). Эта функция возвращает минимальное расстояние до ближайшей поверхности.
  3. Проверка на попадание: Если значение SDF становится меньше заданного порога (например, 0.001), считается, что луч достиг поверхности объекта.
  4. Ограничение итераций: Если число шагов превышает заданный предел, процесс останавливается, и пиксель считается фоновым.
  5. 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:

SDF позволяет описывать сложные объекты без явного хранения их геометрии, что делает метод мощным инструментом в процедурной графике.

Достоинства и недостатки

Плюсы:

Минусы:

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.