ShaderToy入门教程(1) - SDF 和 Raymarching 算法

本文深入探讨了光线追踪(RayMarching)算法与符号距离函数(SDF)的结合使用,展示如何实时创建复杂的3D图形。从SDF定义3D几何形状到Ray-marching算法的实现,详细解析了光线追踪的原理与实践。

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许多演示场景中使用的技术之一称为 光线追踪(Ray Marching) 。该算法与一种称为 有符号距离函数 的特殊函数结合使用,可以实时创建一些非常酷的东西。这是系列教程,陆续推出,这篇涵盖以下黑体所示内容

  • 符号距离函数
  • Ray-marching算法
  • 曲面法线和光照
  • 相机变换
  • 构造实体形状(CSG)
  • 模型变换
    • 平移和旋转
    • 比例缩放
    • 非均匀缩放
  • 结论
  • 参考
困惑

ShaderToy最让初学者困惑的:看不到它显示的绘制什么图形,它是隐式的,由数学公式定义的
我们知道,raymarching和raytracing都是用于渲染3D对象的算法,无论如何渲染某个3D对象,我们首先需要构造/定义其形状。

显示的方式
一般而言,使用一系列参数化函数定义显式几何。例如,对于中心位于(x0,y0,z0)和半径r的球体:
f ( x ) = x 0 + r sin ⁡ φ    cos ⁡ θ f ( y ) = y 0 + r sin ⁡ φ    sin ⁡ θ ( 0 ≤ φ ≤ π ,    0 ≤ θ < 2 π ) f ( z ) = z 0 + r cos ⁡ φ   {\begin{aligned}f(x)&=x_{0}+r\sin \varphi \;\cos \theta \\f(y)&=y_{0}+r\sin \varphi \;\sin \theta \qquad (0\leq \varphi \leq \pi ,\;0\leq \theta <2\pi )\\f(z)&=z_{0}+r\cos \varphi \,\end{aligned}} f(x)f(y)f(z)=x0+rsin

<think>嗯,用户问的是ShaderToy是什么,我需要先回忆一下相关知识。ShaderToy是一个在线平台,主要用于编写分享着色器程序,特别是基于GLSL的片段着色器。用户可能对图形编程有兴趣,或者是想了解如何创建实时视觉效果。 首先,我应该解释ShaderToy的基本概念。用户可能不太清楚着色器是什么,所以需要简单说明片段着色器的定义作用。然后,提到它的主要功能,比如实时渲染、教育、创意社区等。还要强调它的交互性,用户可以直接在浏览器里编辑查看效果。 接下来,用户可能想知道ShaderToy的特点。比如支持WebGL,跨平台,社区驱动的内容库,还有内置的全局变量如iTime、iResolution,这些让编写着色器更方便。需要举几个例子,比如分形、流体模拟,来说明它能实现的复杂效果。 然后,使用场景方面,用户可能是开发者、学生或者艺术家,不同的群体可能有不同的用途。比如学习图形编程、艺术创作、技术验证等。这时候要分点说明,让不同背景的用户都能找到关联点。 还有,可能需要提到入门方法,比如从简单例子开始,学习GLSL语法,利用内置变量。这样用户知道如何开始使用ShaderToy。最后,可以举一个经典案例,比如Ray Marching,展示平台的能力。 需要注意的是,用户之前的问题是关于卫星影像提取高程数据,现在转向ShaderToy,可能属于不同的领域,但用户可能对技术工具感兴趣。回答时要保持结构清晰,分点解释,避免技术术语过多,同时提供足够的信息帮助理解。 需要确保回答准确,比如提到支持的着色器类型,虽然主要是片段着色器,但也可以提及计算着色器。另外,指出ShaderToy的局限性,比如无法访问完整渲染管线,适合特定类型的项目。这样用户能全面了解其适用范围。 最后,检查是否有遗漏的重要信息,比如社区竞赛、资源分享,以及如何访问平台。确保语言口语化,避免使用Markdown格式,保持自然的中文表达。</think>**ShaderToy 是什么?——逐步解析** ShaderToy 是一个专注于**实时图形编程**的在线平台,允许用户通过编写着色器(Shader)代码直接生成视觉效果。以下是其核心特点与技术原理的拆解: --- ### 1. **基本概念** - **定位**:浏览器端的「着色器实验室」 - **核心功能**:用**GLSL**(OpenGL Shading Language)编写片段着色器(Fragment Shader),实时渲染2D/3D图形 - **典型应用**:分形、流体模拟、光线追踪、艺术创作等 --- ### 2. **核心特点** **① 零环境配置** - 纯网页运行(基于WebGL/WebGPU) - 即时编译+预览(代码修改后效果实时更新) **② 受限渲染管线** - 仅开放片段着色器阶段 - 通过输入坐标自动处理顶点数据 - 内置全局变量(例如: `iTime`(时间), `iResolution`(画布尺寸), `iMouse`(鼠标交互), `iChannel0-3`(纹理输入)) **③ 创意社区驱动** - 用户共享超10万份着色器作品 - 支持代码分叉(Fork)与二次创作 - 定期举办图形竞赛(如「One Hour Challenge」) --- ### 3. **技术实现原理** 以经典「画圆」代码为例: ```glsl void mainImage(out vec4 fragColor, in vec2 fragCoord) { vec2 uv = (fragCoord * 2.0 - iResolution.xy) / iResolution.y; float d = length(uv); //计算到中心的距离 float circle = smoothstep(0.5,0.49,d); //生成平滑边缘 fragColor = vec4(vec3(circle),1.0); } ``` - **输入**:`fragCoord`(当前像素坐标) - **处理**:数学运算定义图形规则 - **输出**:`fragColor`(最终像素颜色) --- ### 4. **典型应用场景** | 场景 | 案例 | |---------|--------| | **图形学教学** | 展示SDF(有向距离场)、噪声算法实现 | | **艺术创作** | 生成动态抽象艺术(如[「Star Nest」](https://www.shadertoy.com/view/XlfGRj)) | | **技术验证** | 测试光线步进(Ray Marching)、物理模拟算法 | --- ### 5. **局限性** - 无法访问完整渲染管线(如几何着色器) - 性能依赖GPU(复杂着色器可能导致卡顿) - 缺乏场景管理(适合单通道特效,不适合完整3D应用) --- **入门建议**: 1. 访问 [shadertoy.com](https://www.shadertoy.com) 浏览「Popular」作品 2. 使用「New」功能创建空白着色器 3. 从修改`uv`坐标系开始实验基础图形 4. 逐步引入时间变量`iTime`创造动画效果 该平台既是图形开发者的实验场,也是计算机图形学的可视化教科书。
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