什么是Ray Marching？Sphere Tracing是同一件事吗？

许多ShaderToy演示程序共享Ray Marching算法来渲染场景，但是它们通常以非常紧凑的样式编写，我找不到任何简单的示例或解释。

那么，雷·马兴（Ray Marching）是什么？一些评论表明这是“球形跟踪”的一种变体。这种方法的计算优势是什么？

TL; DR

它们属于同一个求解器家族，其中球体跟踪是射线行进的一种方法，即家族名称。

Raymarching定义

射线行进是一种与传统射线跟踪类似的技术，在该技术中，表面函数不容易解决（或者如果没有数字迭代方法，则不可能解决）。在光线追踪中，您只需要查找光线的交点，而在光线行进中，您可以前进（或来回）前进，直到找到交点，并有足够的样本或您要尝试解决的任何问题。尝试将其认为是用于表面查找的牛顿拉普森方法，或求积分以集成变化的函数。

如果您执行以下操作，这可能会很有用：

• 需要渲染不均匀的体积
• 渲染隐式函数，分形
• 渲染其他类型的参数曲面，这些参数曲面提前不知道交点，例如视差映射
• 等等

图片1：传统射线行进进行表面寻找

相关文章：

• raymarch着色器的工作方式（GameDev.SE）

球体追踪

球跟踪是一种可能的射线行进算法。并非所有的光线行进都使用这种方法的好处，因为它们无法转换为这种方案。

球面跟踪用于渲染隐式曲面。隐式表面是在连续功能的某个级别上形成的。本质上解决方程

F(X,Y,Z) = 0

由于如何在每个点上都可以解决此功能，因此可以继续进行估算，以适合当前的行进步骤（或者如果不是十分合理的话）。然后，您知道下一次行进距离至少要这么大。这样，您可以采用自适应光线行进步骤来加快过程。

图2：实际的球体跟踪*，注意步长如何自适应

有关更多信息，请参见：

• 球面追踪：隐式曲面的抗锯齿光线追踪的一种几何方法

*也许在2D中应该称为圆跟踪:)

射线行进是一种迭代的射线相交测试，您可以沿着光线进行步进并测试相交，通常用于查找具有实体几何的相交，其中内部/外部测试快速。

^{具有浮雕纹理的渲染几何图像}

如果您真的不知道可能在何处发生交点，则固定步长是很常见的，但是有时会使用诸如二进制或割线搜索之类的求根方法。通常使用固定的步长来查找第一个交点，然后进行二进制搜索。我首先遇到了逐像素位移贴图技术中的射线行进。非高度场表面细节的浮雕贴图是一本好书！

它通常与空间跳跃一起使用，这是一种加速技术，其中一些预处理可以提供一个安全距离，使您可以沿射线移动而不会与几何图形相交，或者更好的是，没有相交然后离开几何图形，以便您错过它。例如，圆锥步映射和松弛圆锥步映射。

球面追踪可能是指隐式射线-球面相交测试，但这也是约翰·哈特（@ Harojaa）提到的约翰·哈特（John Hart）的空间跳跃技术的名称，并由威廉·唐纳利（William Donnelly）使用（具有距离函数的按像素位移映射），其中3D纹理编码不存在几何形状的球体半径。