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体素化渲染是现代化渲染中重要的分支，也是发展比较快速的领域。它有传统顶点+面渲染无法比拟的真实性，但也有性能开销过大的一面，即使在用各种方式简化优化后，一般也只会用在pc/主机游戏伤。在3A游戏中属于标配。例如常见的体素云、体素雾、体素光，能很好的表达现实生活中云雾这种透明胶状的物体感。
游戏《Horizon: Zero Daw》（地平线）-体素云
学习过硬件的渲染api后，我们可以知道，正常渲染一个物体的方法，是传入预备好的顶点数据（VAO+VBO)，然后通过顶点着色器处理过顶点数据，再经过像素着色器对三角面内的像素逐一处理。这个方式易懂高效，但是我们可以设想一下，如果我们想渲染一个立方体，如果摄像机进入到立方体内部，就会发现这个立方体是空心，四周依旧是面。而我们想渲染一个内部是实心的物体，点面渲染的方式就无法做到。比如我们想做一个空战游戏，飞机会在云中穿梭。如果用面的扰动来做一个外面看起来像云的物体，当飞机进入到云中的时候，就会穿帮。只能看到一个个面片。而体素化渲染就是为了解决这种特定问题而生的。
体素化渲染假定我们要渲染的不是一个个面，而是一个实心的物体。
（个人在学习的时候，购买了一个不错的资料，因为是收费的，就不放原文了，有条件的可以自行购买。The Unity Shaders Bible，作为入门资料极佳）
1.SDF
为了实现实时体素化渲染，我们必须借助硬件渲染api，因而本质上我们依旧是通过传入三角面数据来渲染，不过在算法思想上，采取体积化的概念。常用的算法有SDF。
SDF（Signed Distance Functions）,有向向量场，有的教程中叫符号距离函数，我个人觉得有向向量场更为贴切。而利用其算法的渲染技术称之为Raymatch（步进射线，不同资料上的中译不同），它的思想很类似于我们编程中的递归。利用了极限的思想。
假设A为摄像机，B为要渲染的位置，而AB中间可能有障碍物，障碍物可能是半透，也可能是全遮蔽。而假定我们在已知一个点的坐标的时候，可以求出当前点的颜色值，那么我们要求的就是，当一束光从B点射向A后，最终得到的颜色。
不是很规范
如图所示，我们可以求出A到平面的距离d，以d为半径画一个圆，圆到B的交点作为A1,求出A1的色值，然后再求出A1到平面d1,再以d1为半径画一个圆，再得到焦点A2,以此不断类推，可以无限接近B点。我们设置一个阈值，比如类推次数或者半径的大小。将沿途所求得的色值进行叠加，就是最终所要的色值了。
乍看下来是不是觉得和体素化没什么联系。那接下来我们做一个示例，来做一个体素化渲染一个物体的横截面。
2.利用Raymatch渲染物体横截面
效果如下。
渲染球的横截面
https://www.zhihu.com/video/1565110133889146880
首先创建一个urp项目，用unity默认创建一个球体 Sphere，再新建一个unlit shader。
为了性能，我们先定义两个常量，MAX_STEP（最大步进次数）和MIN_Y_DIFF（最小到横截面的距离）。
#define MAX_STEP 30
#define MIN_Y_DIFF 0.001我们这里以物体空间坐标系下的Y轴做横截面，作为示例。
那么我们先定义变量Y轴横截面的Y坐标，横截面采样的纹理和纹理的伸缩值
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_Y_CutOff("Y_CutOff",Range(-1,1)) = 1
_UVScale ("UV_Scale",float) = 1
}关键点来了，我们想渲染对应横截面上的点，是要通过渲染背面的像素来求出横截面的点的坐标。
A为摄像机点，当像素着色器渲染到B点时，我们已知AB点的坐标和P的Y坐标，利用SDF算法，从A点出发，不停的逼近P点，则可求出P的近似坐标。我们将P点的xz值作为uv值采样对应横截面贴图，即可渲染横截面。
因此，我们要屏蔽掉背部裁剪
Pass
{
...
Cull Off
...
}并且，在像素着色器中，也提供了很方便判断是否是背面的参数：
// FRONT_FACE_TYPE 在不同硬件api中定义不同值，具体可去D3D11.hlsl/GLES2.hlsl查看定义
half4 frag (v2f i,FRONT_FACE_TYPE face : SV_isFrontFace) : SV_Target
{
...
half4 col = IS_FRONT_VFACE(face,half4(1,1,1,1),CalBackColor(ro,rd)); // IS_FRONT_VFACE(face,正面色值，背面色值)
...
return col;
}首先，出发点是摄像机坐标，_WorldSpaceCameraPos;因为我们定义的是物体空间坐标系的Y值，所有将其转换到物体空间坐标系中。而射向的目标则是当前像素点的物体空间坐标。大于横截面Y值的部分，我们用硬透直接抛弃掉。
half4 frag (v2f i,FRONT_FACE_TYPE face : SV_isFrontFace) : SV_Target
{
// 射向目标
float3 pos = i.objPos.xyz / i.objPos.w;
// 出发点
float3 ro = TransformWorldToObject(_WorldSpaceCameraPos);
// 射向方向（归一化）
float3 rd = normalize(pos-ro);
if (pos.y > _Y_CutOff) {
discard;
}
half4 col = IS_FRONT_VFACE(face,half4(1,1,1,1),CalBackColor(ro,rd));// IS_FRONT_VFACE(face,正面色值，背面色值)
return col;
}下面我们来实现 CalBackColor
先定义一个sdf函数：
float planeSDF(in float3 pos,in float y)
{
return pos.y - y;
}该函数的作用是在已知坐标A和横截面Y的情况下，求出需要画的圆的半径。
下面就是循环步进。
float raymatch(in float3 ro,in float3 rd)
{
float t = 0;
for (int i = 0; i < MAX_STEP; i++) {
float3 pos = ro + rd * t;
if (abs(pos.y - _Y_CutOff) < MIN_Y_DIFF) {
break;
}
float p = planeSDF(pos,_Y_CutOff);
t += p;
}
return t;
}以上函数可以看出，每次都步进一个坐标(pos)距离横截面Y(_Y_CutOff)的距离作为半径(p)的圆。t即为所求的步进的总长度。当小于阈值MIN_Y_Diff的时候，中断循环。
下面就好算了。
float4 CalBackColor(in float3 ro,in float3 rd)
{
float t = raymatch(ro,rd);
float3 r_pos = ro + rd * t;
float4 col = tex2D(_MainTex, (r_pos.xz * _UVScale + 0.5));
return col;
}rd(射线方向)乘以t(步进的总长度)，加上ro（出发点），即为横截面上的交点P的坐标或者近似坐标。拿坐标的xz值作为uv采样贴图，即可实现效果。
3.总结
可能有人会觉得为了实现这种效果，方法太过繁琐。确实，要实现类似效果，用一个三角函数计算p点即可。这么做唯一的好处就是摄像机处于球体内仍旧能保持效果不变。但一般项目中不会有这种需求。因此这种做法只是一种演示，不具备实用价值。真正的Raymatch使用一般还是在体素云/雾/光，这些特定场景下，这些情况下要如何实现，我们之后的教程一起探讨。 |
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发表于 2022-11-27 19:30:19
