unity 实现 raymarching(二)

主要参考来自 https://github.com/SebLague/Ray-Marching

优化渲染物体

之前的 raymarching 由于使用的是固定的步长,然而物体的边界是连续的,最后渲染的结果会模糊
可以优化下,在步进(marching)的时候,如果计算出当前距离内没有物体,那么直接将射线的原点前进当前的步长,跳过很多无效的计算,可以快速遍历场景


调整之后

还原物体颜色

现在的最终渲染的场景还是黑白,可以将物体的颜色传入 shader,就得到了还原物体颜色的场景


显示物体颜色

最后按照链接中的方法加上光照

其中通过 estimateNormal 方法估算物体表面的法线,原理是获得光线和物体表面的交点,然后沿着轴的相反方向各延长一小段距离,重新计算场景深度之后相减,相当于计算轴方向的梯度,近似的计算出法线方向
使用 lambert 光照模型计算出的光照场景


加上光照

添加光照之后的全部代码

using UnityEngine;

[ExecuteInEditMode]
public class SDF : MonoBehaviour
{
    Camera currentCamera;
    [SerializeField]
    Material effectMaterial;

    public GameObject cube;
    public GameObject sphere;
    public GameObject capsule;

    public int stepCount;
    public float stepSize;

    private void Awake()
    {
        currentCamera = GetComponent<Camera>();
        currentCamera.depthTextureMode = DepthTextureMode.Depth;
    }

    private void OnValidate()
    {
        Shader.SetGlobalFloat("_StepCount", stepCount);
        Shader.SetGlobalFloat("_StepSize", stepSize);
    }

    void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
    {
        if (effectMaterial == null)
        {
            Graphics.Blit(src, dest);
        }
        else
        {
            Matrix4x4 viewMat = currentCamera.worldToCameraMatrix;
            Matrix4x4 projMat = GL.GetGPUProjectionMatrix(currentCamera.projectionMatrix, false);
            Matrix4x4 viewProjMat = (projMat * viewMat);
            Shader.SetGlobalMatrix("_InverseVPMatrix", viewProjMat.inverse);

            Shader.SetGlobalVector("_CubePosInfo", cube.transform.position);
            Shader.SetGlobalVector("_CubeScaleInfo", cube.transform.localScale);
            Shader.SetGlobalColor("_CubeColorInfo", cube.GetComponent<MeshRenderer>().sharedMaterial.color);

            Vector3 t = sphere.transform.position;
            Vector4 sphereInfo = new Vector4(t.x, t.y, t.z, sphere.transform.localScale.x);
            Shader.SetGlobalVector("_SphereInfo", sphereInfo);
            Shader.SetGlobalColor("_SphereColorInfo", sphere.GetComponent<MeshRenderer>().sharedMaterial.color);

            Vector3 tc = capsule.transform.position;
            Vector4 capsuleInfo = new Vector4(tc.x, tc.y, tc.z, capsule.transform.localScale.x);
            Shader.SetGlobalVector("_CapsuleInfo", capsuleInfo);
            Shader.SetGlobalColor("_CapsuleColorInfo", capsule.GetComponent<MeshRenderer>().sharedMaterial.color);

            Graphics.Blit(src, dest, effectMaterial);
        }
    }
}
Shader "Unlit/SDF"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            sampler2D _CameraDepthTexture;
            float4x4 _InverseVPMatrix;

            float _StepCount;
            float _StepSize;

            float4 _SphereInfo;
            float4 _SphereColorInfo;

            float4 _CubePosInfo;
            float4 _CubeScaleInfo;
            float4 _CubeColorInfo;
            
            float4 _CapsuleInfo;
            float4 _CapsuleColorInfo;

            #define EPSILON 0.001

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                return o;
            }
            
            // sphere
            float sdSphere(float3 eye, float3 center, float radius)
            {
                return distance(eye, center)-radius;
            }

            // cube
            float sdCube(float3 eye, float3 center, float3 size)
            {
                float3 o = abs(eye-center)-size;
                float ud = length(max(o,0));
                float n = max(max(min(o.x,0),min(o.y,0)), min(o.z,0));
                return ud+n;
            }

            // capsule
            float sdCapsule(float3 eye, float3 center, float3 a, float3 b, float radius)
            {
                float3 pa = (eye-center)-a;
                float3 ba = b-a;
                float h = clamp(dot(pa,ba)/dot(ba,ba), 0.0, 1.0 );
                return length(pa-ba*h)-radius;
            }

            // cylinder
            float sdCylinder(float3 eye, float3 center, float h, float r )
            {   
                float3 p = eye - center;
                float2 d = abs(float2(length(p.xz),p.y)) - float2(h,r);
                return min(max(d.x,d.y),0.0) + length(max(d,0.0));
            }

            float4 sdfScene(float3 eye) 
            {
                float ds = sdSphere(eye, _SphereInfo.xyz, _SphereInfo.w * 0.5);
                float dc = sdCube(eye, _CubePosInfo.xyz, _CubeScaleInfo.xyz * 0.5);
                float3 cc = _CapsuleInfo.xyz;
                float dcapsule = sdCapsule(eye, cc, cc + float3(0,0.5,0), cc + float3(0,-0.5,0), _CapsuleInfo.w * 0.5);
                float3 color = _SphereColorInfo.xyz;
                float d = ds;
                if (d > dc) {
                    color = _CubeColorInfo.xyz;
                    d = dc;
                } 
                if (d > dcapsule) {
                    color = _CapsuleColorInfo.xyz;
                    d = dcapsule;
                }
                return float4(color, d);
            }

            float3 estimateNormal(float3 p) {
                float e = EPSILON;
                float x = sdfScene(float3(p.x+e,p.y,p.z)).w - sdfScene(float3(p.x-e,p.y,p.z)).w;
                float y = sdfScene(float3(p.x,p.y+e,p.z)).w - sdfScene(float3(p.x,p.y-e,p.z)).w;
                float z = sdfScene(float3(p.x,p.y,p.z+e)).w - sdfScene(float3(p.x,p.y,p.z-e)).w;
                return normalize(float3(x,y,z));
            }

            float3 raymarching(float3 position, float3 direction)
            {
                float3 startPoint = position;
                float3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz;
                for (int i = 0; i < _StepCount; i++)
                {
                    float4 sdfInfo = sdfScene(startPoint);
                    float dst = sdfInfo.w;
                    if (dst <= EPSILON) 
                    {
                        float3 pointOnSurface = startPoint + direction * dst;
                        float3 normal = estimateNormal(pointOnSurface - direction * EPSILON);
                        float lighting = saturate(dot(normal, lightDir));
                        return lighting * sdfInfo.xyz;
                    }
                    else
                    {
                        startPoint += direction * dst;
                    }
                }
                return float3(0,0,0);
            }

            float4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float depthTextureValue = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv);
                float4 ndc = float4(i.uv.x * 2 - 1, i.uv.y * 2 - 1, depthTextureValue, 1);
                float4 worldPos = mul(_InverseVPMatrix, ndc);
                worldPos /= worldPos.w;

                // return depthTextureValue;
                
                float3 rayStart = _WorldSpaceCameraPos;
                float3 direction = normalize(worldPos.xyz - rayStart);
                float3 lighting = raymarching(rayStart, direction);
                return float4(lighting, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}
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