学习 Shader 系列一: 理解光线步进渲染

Warning: 以下内容由 AI 总结生成。是我个人在学习过程中的问答思考。可能会有错误,请酌情参考。

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Learning The Book of Shaders

在学习 shader 编程的过程中,我深入研究了光线步进(Ray Marching)这种渲染技术。这篇文章将总结我对这个主题的理解。

光线步进的基本原理

光线步进是一种用于渲染 3D 场景的算法,它是光线追踪的一个变体。其基本思想是:

1. 从相机(视点)发射光线
2. 沿着光线方向以一定步长前进
3. 在每一步检查是否"击中"了物体
4. 如果击中物体,计算该点的光照等信息

关键概念

1. ro (Ray Origin)

ro 表示光线的起点,也就是相机的位置。在我们的例子中:

vec3 ro = vec3(0.0, 0.0, -3.0);

这意味着相机位于 z=-3 的位置,正对着场景中心。

2. rd (Ray Direction)

rd 表示光线的方向向量。它是通过每个像素的 UV 坐标计算得出的:

vec3 rd = normalize(vec3(uv * 2.0 - 1.0, 1.0));

这个计算创建了一个 90° 视角的透视相机,每个像素对应一个独特的光线方向。

3. 步进过程

步进过程是在一个循环中完成的:

vec3 p = ro + rd * t;

这里 p 是当前检查的 3D 空间中的点,t 是从起点走的距离。

渲染过程

1. 对于屏幕上的每个像素,我们发射一条光线。
2. 沿着光线方向一步步前进,检查是否击中物体。
3. 如果击中物体,我们计算该点的法线、光照效果等。
4. 最后,我们不是直接显示击中点 p,而是根据 p 的信息计算出一个颜色值。
5. 这个颜色值才是最终显示在像素上的内容。

优化技巧

对于特定类型的场景,如 2D 俯视角游戏,我们可以优化这个算法:

1. 从建筑物最高点开始步进,而不是从相机位置。
2. 只检查最高建筑到地面之间的空间。
3. 利用建筑物的精确高度信息进行更准确的碰撞检测。

这些优化可以大大减少计算量,提高渲染效率。

结语

理解光线步进算法让我对 shader 编程有了更深入的认识。它不仅是一种渲染技术,更是一种思考 3D 空间和光线交互的方式。在接下来的学习中,我会继续探索更多 shader 相关的主题,敬请期待！