Sphere Tracing — это метод рендеринга, используемый для визуализации 3D-сцен без явного хранения геометрии в виде полигонов. Он основан на Signed Distance Functions (SDF) и является разновидностью Ray Marching, но отличается оптимизированным подходом к шагам трассировки, что позволяет точнее и быстрее определять пересечения с объектами.
Основной принцип работы
Вместо равномерного продвижения луча, как в классическом Ray Marching, Sphere Tracing использует информацию о расстоянии до ближайшей поверхности для выбора оптимального шага. Это позволяет значительно сократить количество итераций и уменьшить вероятность артефактов.
Алгоритм работы можно описать так:
- Генерация луча: Из точки камеры запускается луч, направление которого вычисляется по пиксельным координатам.
- Шаги трассировки: Луч движется вперед, но не фиксированными шагами, а с шагами, равными значению SDF. Это гарантирует, что луч никогда не перескочит объект.
- Проверка попадания: Если SDF становится меньше заданного порога (например, 0.001), луч считается достигшим поверхности.
- Ограничение итераций: Если число шагов превышает заданный лимит, пиксель считается фоновым.
- Расчет освещения и теней: После определения точки пересечения вычисляются нормали, тени и другие эффекты.
Преимущества Sphere Tracing
- Более эффективный рендеринг: По сравнению с традиционным Ray Marching требует меньше итераций, так как использует информацию о расстоянии для адаптивного шага.
- Гарантированное отсутствие перескакивания объектов: Луч не может пройти сквозь поверхность, что устраняет ошибки рендеринга.
- Хорошая совместимость с процедурной графикой: Позволяет визуализировать сложные формы без хранения полигональной сетки.
Ограничения
- Не подходит для сложных сцен с плотными деталями: Там, где градиенты SDF меняются резко, могут появляться проблемы с точностью.
- Не работает для произвольных геометрий без SDF-описания: В отличие от классического Ray Tracing, который может работать с любой поверхностью, Sphere Tracing требует заранее определенных Signed Distance Functions.
Заключение
Sphere Tracing — это мощный метод для рендеринга сцен с использованием SDF, который значительно улучшает эффективность Ray Marching. Он широко применяется в процедурной графике, демосцене и генеративном искусстве, обеспечивая быструю и точную визуализацию сложных форм.