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[Unity Shader Base] RayMarching in Cloud Rendering

news 2025/11/14 10:56:03

基础知识：
1.SDF 有符号距离场，且通过正负可以判断在物体外部还是内部，通常外正内负

这是RayMarching的灵魂支撑，能够通过一个数学函数，输入一个空间中的点，输出这个点到物体表面的最短距离（带符号）。可以使复杂的几何形状可以通过简单的 SDF运算来组合。比如，两个球体的 SDF 可以通过 min() 操作来融合，通过 max() 来相交，通过 abs()和减法来创造出“镂空”效果。

RayMarching 区别于正常的射线求交，根据他的中文翻译名，光线步进，可以比较生动的理解。
光并非直接打到物体表面求交然后渲染，而是每一步都计算和物体表面的SDF，从而安全前进，循环直道命中物体或者超出最大步数结束。

第一种制作方法：

球体采用XYZW四维向量，W表示球体半径
在这里插入图片描述

// 版本1：简单的球体密度测试
void raymarchv1_float(float3 rayOrigin,        // 光线起点float3 rayDirection,     // 光线方向float numSteps,          // 步进次数float stepSize,          // 步长float densityScale,      // 密度缩放float4 Sphere,           // 球体数据：xyz=中心位置, w=半径out float result         // 输出：累积密度
)
{float density = 0;// 简单步进循环for (int i = 0; i < numSteps; i++){// 沿光线方向移动rayOrigin += (rayDirection * stepSize);// 计算到球心的距离float sphereDist = distance(rayOrigin, Sphere.xyz);// 如果点在球体内，增加密度if (sphereDist < Sphere.w){density += 0.1; // 固定密度值}}// 应用密度缩放result = density * densityScale;
}

在此基础上能输出一个白色的圆环
光线步进-经典的三个参数：
numstep是步数，步数越大，光线越容易走出圆圈的范围，渲染出的效果越淡
stepSize是步长，步长越长，分层越明显，越小，分层越不明显，越偏向全白
densityScale是密度缩放数值， result = density * densityScale;

在这里插入图片描述

然后把球的节点更换增加一个3D体积纹理就可以变得更像云一些了

// 版本2：使用3D纹理的基本实现
void raymarchv2_float(float3 rayOrigin,        // 光线起点float3 rayDirection,     // 光线方向float numSteps,          // 步进次数float stepSize,          // 步长float densityScale,      // 密度缩放UnityTexture3D volumeTex, // 3D体积纹理UnitySamplerState volumeSampler, // 采样器float3 offset,           // 纹理偏移out float result         // 输出：累积密度
)
{float density = 0;float transmission = 0;// 基本步进循环for (int i = 0; i < numSteps; i++){// 沿光线方向移动rayOrigin += (rayDirection * stepSize);// 从3D纹理采样密度float sampledDensity = SAMPLE_TEXTURE3D(volumeTex, volumeSampler, rayOrigin + offset).r;// 累积密度density += sampledDensity;}// 应用密度缩放result = density * densityScale;
}

在这里插入图片描述
参数还是同理
sphere四个参数控制圆心位置和半径
numsteps 确定步数，步长太少根本画不出圆，只有能走过圆的步长才能有形状，step数量确定有没有
step size 确定步长，步长越长数值越大
density scale 确定每一步的值的缩放尺寸

云越多，光线照射到物体上的光线方向数量就越少
在这里插入图片描述
最终版本的代码如下

void raymarch_float(float3 rayOrigin, float3 rayDirection, float numSteps, float stepSize,float densityScale, UnityTexture3D volumeTex, UnitySamplerState volumeSampler,float3 offset, float numLightSteps, float lightStepSize, float3 lightDir,float lightAbsorb, float darknessThreshold, float transmittance, out float3 result)
{float density = 0;float transmission = 0;float lightAccumulation = 0;float finalLight = 0;for (int i = 0; i < numSteps; i++){rayOrigin += (rayDirection * stepSize);//The blue dot positionfloat3 samplePos = rayOrigin + offset;float sampledDensity = SAMPLE_TEXTURE3D(volumeTex, volumeSampler, samplePos).r;density += sampledDensity * densityScale;//light loop   numLightSteps 数量直接影响性能float3 lightRayOrigin = samplePos;for (int j = 0; j < numLightSteps; j++){//The red dot positionlightRayOrigin += -lightDir * lightStepSize;float lightDensity = SAMPLE_TEXTURE3D(volumeTex, volumeSampler, lightRayOrigin).r;//The accumulated density from samplePos to the light - the higher this value the less light reaches samplePoslightAccumulation += lightDensity;}//The amount of light received along the ray from param rayOrigin in the direction rayDirectionfloat lightTransmission = exp(-lightAccumulation);//shadow tends to the darkness threshold as lightAccumulation risesfloat shadow = darknessThreshold + lightTransmission * (1.0 - darknessThreshold);//The final light value is accumulated based on the current density, transmittance value and the calculated shadow value finalLight += density * transmittance * shadow;//Initially a param its value is updated at each step by lightAbsorb, this sets the light lost by scatteringtransmittance *= exp(-density * lightAbsorb);}transmission = exp(-density);result = float3(finalLight, transmission, transmittance);
}