raymarching

Ray Marching是一种基于距离场的渐进式光线追踪技术，通过逐步推进光线并利用距离函数（SDF）检测场景中的物体表面，广泛应用于体积渲染（如云、雾）和复杂几何体渲染。以下从原理、实现到应用展开详解：

⚙️ 一、核心原理

1. 光线步进（Ray Marching）
   从摄像机向每个像素发射光线（Ray），光线沿方向逐步前进（Marching）。每一步通过有向距离场（SDF） 计算当前位置到最近物体表面的距离，并以此距离作为下一步的步长。若距离小于阈值（如 SURF_DIST=0.01）或达到最大步数/距离则终止16。

   • 优势：避免固定步长导致的穿透（步长过大）或性能浪费（步长过小）6。

   • 公式简化：

     float RayMarch(vec3 rayStart, vec3 rayDir) {
         float depth = 0.0;
         for (int i = 0; i < MAX_STEPS; i++) {
             vec3 p = rayStart + depth * rayDir;
             float dist = SDF(p);  // 距离场查询
             depth += dist;
             if (dist < SURF_DIST || depth > MAX_DIST) break;
         }
         return depth;
     }

2. 有向距离场（SDF）
   SDF定义了空间中任意点到最近物体表面的带符号距离（正为外部，负为内部）。常见几何体的SDF公式：

   • 球体：length(p - center) - radius

   • 平面：p.y + height

   • 环面：length(vec2(length(p.xz) - t.x, p.y)) - t.y（t为主半径和管半径）15。

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🛠️ 二、关键技术实现

1. 法线与光照计算

   • 法线估计：通过中心差分计算SDF的梯度，近似表面法线16：

     vec3 getNormal(vec3 p) {
         float d = SDF(p);
         vec2 e = vec2(0.001, 0);
         return normalize(vec3(
             d - SDF(p - e.xyy),
             d - SDF(p - e.yxy)),
             d - SDF(p - e.yyx))
         );
     }

   • 阴影与漫反射：从表面点向光源二次发射光线，若路径被遮挡则减弱光照6。

2. 体积渲染应用
   用于云、雾等非刚性物体：

   • 密度采样：步进时采样3D噪声纹理（如Perlin-Worley噪声）模拟不均匀密度7。

   • 光能衰减：基于Beer-Lambert定律计算透光率：transmittance = exp(-density * stepLength)37。

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⚡️ 三、性能优化

1. 距离场加速

   • 利用SDF值自适应调整步长，大幅减少无效循环次数16。

   • 预计算光源贡献，避免实时多光源遍历的性能开销3。

2. GPU并行化
   每条光线独立计算，天然适合GPU并行处理。现代引擎（如Unity）通过Compute Shader或后处理阶段实现实时渲染47。

3. 混合渲染管线
   与传统多边形渲染结合：

   • 先用常规流程渲染实体物体，深度缓存转为距离场。

   • Ray Marching处理体积效果（如雾），通过深度测试避免重复计算57。

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🎯 四、应用场景

1. 体积效果

   • 实时体积雾：基于高度、区域遮罩与噪声控制密度，叠加光照散射（HG相位函数）7。

   • 云层渲染：在3D噪点图中步进，根据灰度值阈值判定云的存在1。

2. 复杂几何体

   • 用数学公式定义分形、扭曲曲面等难以网格化的形状（如案例中的“程序化史莱姆”）15。

3. 艺术化渲染
   SDF结合噪声与域操作（如扭曲、布尔运算），生成抽象视觉作品（如Shadertoy社区作品）26。

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⚠️ 五、局限性与挑战

问题	原因	解决方案
计算成本高	步进循环次数多	SDF加速、步长优化 6
物体边缘锯齿	离散采样导致精度不足	距离场软化+抗锯齿 5
动态场景更新难	SDF需实时重建	层级SDF或局部更新 7

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🔮 六、与其他光线技术对比

技术	原理	适用场景
Ray Casting	直接求交，无递归	简单几何体快速检测 3
Ray Tracing	递归反射/折射	高真实感镜面/折射 3
Path Tracing	蒙特卡洛模拟光路	物理精确全局光照
Ray Marching	步进式逼近+SDF	体积/复杂解析曲面 36

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💎 总结

Ray Marching以距离场为核心，通过自适应步进平衡精度与性能，成为体积渲染与程序化几何的首选方案。未来趋势包括：

• 结合神经辐射场（NeRF） 提升动态场景适应性；

• 优化SDF生成算法（如八叉树加速）以支持开放大场景57。

以上代码及案例均来自公开技术文档，可参考Shadertoy实践实时Demo。

参考：https://chat.deepseek.com/a/chat/s/86416cf3-281f-4a85-8b76-56efed5d67e1