Unity Shader - Ray Marching - T2 - SimpleSphereAndPlane

文章目录

CSharp
Shader
运行效果
总结
- 主要是步进的步长值有技巧
- - 第一次步进
  - 第二次步进
  - 第三次
Project
GGB

自学Raymarching汇总：Unity Shader - Ray Marching Study Summary - 学习汇总

这次Raymarching任务：球体、平板地表的测试

CSharp

SphereHolder.cs和上一文一样：https://editor.csdn.net/md/?articleId=105734156

using System.Collections; using UnityEngine; #if UNITY_EDITOR using UnityEditor; #endif // jave.lin 2020.04.24 - 面板挂载器 public class PlaneHolder : MonoBehaviour { public Vector3 pos => transform.position; public Vector4 n { get { Vector3 n = transform.up; Vector4 result = n; result.w = dist; return result; } } [Range(0, 200)] public float dist = 0; #if UNITY_EDITOR [Range(0, 10)] public float drawSize = 5; private void OnDrawGizmos() { Gizmos.color = Color.blue; Vector3 right = transform.right * drawSize; Vector3 forward = transform.forward * drawSize; Vector3 up = transform.up * drawSize; Vector3 p = transform.position; Vector3 p0 = p + forward - right; Vector3 p1 = p + forward + right; Vector3 p2 = p - forward + right; Vector3 p3 = p - forward - right; // plane Gizmos.DrawLine(p0, p1); Gizmos.DrawLine(p1, p2); Gizmos.DrawLine(p2, p3); Gizmos.DrawLine(p3, p0); // normal Gizmos.color = Color.blue; Gizmos.DrawLine(p, p + up); } #endif }

using UnityEngine; // jave.lin 2020.04.24 - 球体与平板 public class T2_SimpleSphereAndPlane : MonoBehaviour { private int _Ray_hash = Shader.PropertyToID("_Ray"); private int _Sphere_hash = Shader.PropertyToID("_Sphere"); private int _PlanePos_hash = Shader.PropertyToID("_PlanePos"); private int _PlaneNormal_hash = Shader.PropertyToID("_PlaneNormal"); public bool raymarching = true; public Camera cam; public Material mat; public SphereHolder sh; public PlaneHolder ph; private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination) { var aspect = cam.aspect; // 宽高比 var near = cam.nearClipPlane; // 近截面距离长度 var rightDir = transform.right; // 相机的右边方向（单位向量） var upDir = transform.up; // 相机的顶部方向（单位向量） var forwardDir = transform.forward; // 相机的正前方（单位向量） // fov = field of view，就是相机的顶面与底面的连接相机作为点的夹角， // 我们取一半就好，与相机正前方方向的线段 * far就是到达远截面的位置（这条边当做下面的tan公式的邻边使用） // tan(a) = 对 比 邻 = 对/邻 // 邻边的长度是知道的，就是far值，加上fov * 0.5的角度，就可以求出高度（对边） // tan(a)=对/邻 // 对=tan(a)*邻 var halfOfHeight = Mathf.Tan(cam.fieldOfView * 0.5f * Mathf.Deg2Rad) * near; // 剩下要求宽度 // aspect = 宽高比 = 宽/高 // 宽 = aspect * 高 var halfOfWidth = aspect * halfOfHeight; // 前，上，右的角落偏移向量 var forwardVec = forwardDir * near; var upVec = upDir * halfOfHeight; var rightVec = rightDir * halfOfWidth; // 左下角 bottom left var bl = forwardVec - upVec - rightVec; // 左上角 top left var tl = forwardVec + upVec - rightVec; // 右上角 top right var tr = forwardVec + upVec + rightVec; // 右下角 bottom right var br = forwardVec - upVec + rightVec; // 视锥体近截面角落点的射线 var frustumFarCornersRay = Matrix4x4.identity; // 经shader中顶点颜色赋值后出入到屏幕，可以确定，第0是：左下角，1：左上角，2：右上角，3：右下角 frustumFarCornersRay.SetRow(0, bl); frustumFarCornersRay.SetRow(1, tl); frustumFarCornersRay.SetRow(2, tr); frustumFarCornersRay.SetRow(3, br); mat.SetMatrix(_Ray_hash, frustumFarCornersRay); // sphere informations mat.SetVector(_Sphere_hash, sh.spInfo); // plane informations mat.SetVector(_PlanePos_hash, ph.pos); mat.SetVector(_PlaneNormal_hash, ph.n); // blit if (raymarching) Graphics.Blit(source, destination, mat); else Graphics.Blit(source, destination); } }

Shader

主要核心逻辑

/* T2_SimpleSphereAndPlane.cginc
  jave.lin 2020.04.24
 */ #include "UnityCG.cginc" #include "../SDFs.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; uint vid : SV_VertexID; }; struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 ray : TEXCOORD1; }; float4x4 _Ray; // 视锥体角落射线 float4 _Sphere; // 球体信息：.xyz = pos, .w = radius float3 _PlanePos; // 平板的质心点 float4 _PlaneNormal; // 平板的法线 #define EPSILON 0.01 // 最小接触距离 #define MAX_STEP_TIMES 100 // 最大步进次数 float sceneDF(float3 pos) { // 获取场景中所有几何体当中最近距离的 // 使用自己的 DIY 版 // sphere d // float sphereDist = length(pos - _Sphere.xyz) - _Sphere.w; // plane d // references : Unity Shader - 模型消融/淡入淡出效果 // https://blog.csdn.net/linjf520/article/details/98878168 // float planeDist = dot(pos - _PlanePos, _PlaneNormal.xyz); // 使用 IQ 大神SDFs版 float sphereDist = sdSphere(pos - _Sphere.xyz, _Sphere.w); float planeDist = sdPlane(pos - _PlanePos, _PlaneNormal); return min(sphereDist, planeDist); } fixed4 getColor(v2f i) { float3 ori = i.ray; // 射线起点 float3 dir = normalize(i.ray); // 射线方向 float3 pos; // 当前步进到的位置 float dist; // 当前步进到的最近距离 float d; // 当前最近距离 float far = _ProjectionParams.z; // far ori += _WorldSpaceCameraPos.xyz; // 偏移，加上相机位置 pos = ori; // 从起点出发 UNITY_LOOP for (int it = 0; it < MAX_STEP_TIMES; it++) { d = sceneDF(pos); // 获取当前几何体集合中最近的距离 dist += d; // 调整当前步进到的最近距离 pos = ori + dir * dist; // 调整当前的步进位置 if (d < EPSILON) { // 有碰撞 return (float) it / MAX_STEP_TIMES * fixed4(1,1,0,1); } if (dist > far) { return (float) it / MAX_STEP_TIMES * fixed4(1,0,0,1); return 0; } } return fixed4(1,0,0,1); } v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = v.uv; o.ray = _Ray[v.vid]; return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { return getColor(i); }

运行效果

在这里插入图片描述

总结主要是步进的步长值有技巧

留意sceneDF

float sceneDF(float3 pos) { // 获取场景中所有几何体当中最近距离的 // 使用自己的 DIY 版 // sphere d // float sphereDist = length(pos - _Sphere.xyz) - _Sphere.w; // plane d // references : Unity Shader - 模型消融/淡入淡出效果 // https://blog.csdn.net/linjf520/article/details/98878168 // float planeDist = dot(pos - _PlanePos, _PlaneNormal.xyz); // 使用 IQ 大神SDFs版 float sphereDist = sdSphere(pos - _Sphere.xyz, _Sphere.w); float planeDist = sdPlane(pos - _PlanePos, _PlaneNormal); return min(sphereDist, planeDist); }

这个函数可以看到我们获取了两个几何体：Sphere与Plane与当前步进点的最近距离值。以此值作为这次步进的距离，这样就不会因为固定的步长值导致精度或是性能的问题。

步进值过大：得到的射线检测表面的细节精度就低。步进值过小：计算量将大大增加。效果还不一定能还好的适配每次表面的距离。

所以我们才使用上面的算法：取到当前步进位置与所有几何体的最小距离作为步进，那么每次步进就很可能直接到一个表面的表面值，

Plane 的最小距离的计算方式，先看我注释的部分：// float planeDist = dot(pos - _PlanePos, _PlaneNormal.xyz);，这部分我们可以参考我之前的一篇：Unity Shader - 模型消融/淡入淡出效果，与IQ的SDFs是一样的，不过他的多了一个：n.w的增加值，用于控制平面距离用的。

Sphere 的最小距离，我用GGB画个图，方便理解：

第一次步进

我们步进到最近的距离为：d0，与Plane的距离最近的值作为射线步进的长度，如下图：d0=length(pos0-Pos)就是步进距离，然后我们用这个d0距离值来步进射线在这里插入图片描述