WebGL 2.0 Raymarching-Rendering verstehen

Ein tiefer Einblick in WebGL 2.0 Raymarching, SDFs und Echtzeit-Volumenrendering

WebGL 2.0 entsperrt einen mächtigen Satz von GPU-Funktionen und ermöglicht fortgeschrittene Rendering-Techniken, die traditionell native APIs erforderten. Unter diesen sticht Raymarching als eine der ausdrucksstärksten und mathematisch elegantesten Methoden hervor, um komplexe Szenen mit minimaler Geometrie zu rendern.

Dieser Artikel führt durch die Kernkonzepte hinter WebGL 2.0 Raymarching, erklärt, wie Signed Distance Fields (SDFs) effizientes Rendering ermöglichen, und zeigt, wie diese Technik erstaunliche Leistung aus der GPU herausholen kann.

1. Was ist Raymarching?

Raymarching ist eine Rendering-Methode, bei der wir anstatt Geometrie auf den Bildschirm zu projizieren, einen Strahl von der Kamera pro Pixel abfeuern, ihn schrittweise durch eine virtuelle Szene bewegen und Entfernungen auswerten, bis der Strahl eine Oberfläche trifft oder eine maximale Reichweite erreicht.

1.1 Wie Raymarching funktioniert (Visuelles Diagramm)

Kamera
  |
  | Strahl
  v
  +--------------------------------- Bildschirmpixel
  |
  | Marschschritt 1      (Entfernung d1)
  |
  |---------> Marschschritt 2      (Entfernung d2)
  |
  |-----------------------> Marschschritt 3 ...
  |
Oberfläche erreicht, wenn Entfernung < ε

Raymarching ist im Wesentlichen eine Schleife:

for (int i = 0; i < MAX_STEPS; i++) {
    float dist = sdf(currentPos);
    if (dist < EPSILON) hitSurface();
    currentPos += rayDir * dist;
}

Die magische Zutat ist die SDF-Funktion, die wir übergeben.

2. Was sind Signed Distance Fields (SDFs)?

Ein Signed Distance Field ist eine Funktion, die zurückgibt:

> 0  Entfernung außerhalb des Objekts  
= 0  genau auf der Oberfläche  
< 0  Entfernung innerhalb des Objekts

2.1 SDF-Diagramm

           außen
        +------------+
        |   d = 0.5  |
        |            |
innen   |     SDF    | Oberfläche d = 0
d < 0   |            |
        |   d = -0.3 |
        +------------+

2.2 Beispiel: Kugel-SDF

float sdSphere(vec3 p, float r) {
    return length(p) - r;
}

Durch Kombinieren dieser Grundformen mit booleschen Operationen (Vereinigung, Subtraktion, Schnittmenge) können Sie komplexe Szenen ohne traditionelle Geometrie erstellen.

3. Warum SDF Raymarching in WebGL 2.0 verwenden?

3.1 Vorteile

Keine Vertex-Puffer oder Meshes erforderlich Alles wird mathematisch im Fragment-Shader berechnet.
Unendliche geometrische Details SDFs definieren glatte und kontinuierliche Oberflächen.
Dynamische, verformbare Objekte Animieren Sie Formen einfach mit Mathematik.
Kompakte Szenen Eine vollständige 3D-Szene kann mit nur wenigen Zeilen GLSL definiert werden.

3.2 WebGL 2.0-Funktionen, die dies ermöglichen

Hochpräzise Floats
Vollständige GLSL ES 3.0 Shader-Unterstützung
UBOs (Uniform-Buffer)
Float-Texturen
Flexiblere Schleifen und Verzweigungen

Dies ermöglicht stabiles, leistungsstarkes Raymarching, das in WebGL 1.0 schwierig war.

4. Schritt-für-Schritt-Aufbau eines WebGL 2.0 Raymarchers

4.1 Szenenstrahl-Setup

Berechnen Sie einen Strahl für jedes Pixel:

vec3 rayOrigin = cameraPos;
vec3 rayDir = normalize(uv.x * camRight + uv.y * camUp + camForward);

4.2 Die Raymarch-Schleife

float marchRay(vec3 ro, vec3 rd) {
    float totalDist = 0.0;

    for (int i = 0; i < MAX_STEPS; i++) {
        vec3 p = ro + rd * totalDist;
        float d = map(p);     // Ihre SDF-Funktion

        if (d < EPSILON) break;    // Treffer
        if (totalDist > MAX_DISTANCE) break;  // Fehlschlag

        totalDist += d;
    }
    return totalDist;
}

4.3 Definieren der SDF-Szene

float map(vec3 p) {
    float s = sdSphere(p, 1.0);
    float box = sdBox(p - vec3(2.0, 0.0, 0.0), vec3(0.7));
    return min(s, box); // Vereinigung
}

4.4 Normalenberechnung

Verwenden von Gradientenapproximation:

vec3 calcNormal(vec3 p) {
    const vec2 e = vec2(0.001, 0.0);
    return normalize(vec3(
        map(p + e.xyy) - map(p - e.xyy),
        map(p + e.yxy) - map(p - e.yxy),
        map(p + e.yyx) - map(p - e.yyx)
    ));
}

4.5 Beleuchtungsmodell

Einfache diffuse Schattierung:

float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);

5. Rendern von Volumen (Nebel, Wolken, Rauch)

SDF Raymarching kann auf Volumenrendering erweitert werden, bei dem jeder Schritt Farbe und Dichte beiträgt, anstatt an einer Oberfläche zu stoppen.

5.1 Volumendiagramm

Strahl →
[niedrige Dichte] [mittel] [hohe Dichte] [opak]
   +--------+---------+---------+-------+
   Probe1    Probe2    Probe3    Probe4

5.2 Volumenakkumulationsmodell

vec3 color = vec3(0);
float absorption = 1.0;

for (int i = 0; i < STEPS; i++) {
    float density = computeDensity(p);
    vec3 sampleColor = density * vec3(0.6, 0.7, 1.0);

    color += sampleColor * absorption;
    absorption *= (1.0 - density * 0.1);

    p += rd * STEP_SIZE;
}

Raymarching von Volumen ist teurer, aber die Leistungsverbesserungen von WebGL 2.0 (besonders auf mobilen GPUs) machen Echtzeit-Wolken, Nebel und Nebel möglich.

6. Leistungsoptimierungstechniken

Raymarching kann schwer sein, daher sind Optimierungen unerlässlich.

6.1 Schlüsseltechniken

Entfernungsculling Überspringen Sie große leere Bereiche durch Verlassen auf genaue SDF-Entfernungen.
Begrenzungsvolumen Testen Sie, ob der Strahl überhaupt in die Region eintritt, wo SDFs existieren.
Adaptive Schrittgröße Verwenden Sie kleinere Schritte nahe Oberflächen, größere Schritte im offenen Raum.
Früher Ausstieg Stoppen Sie das Marschieren, sobald die Oberfläche getroffen wird.
MAX_STEPS reduzieren Typische Werte liegen zwischen 64–128 für Echtzeit-Rendering.
WebGL 2.0 Uniforms und Buffer effizient verwenden Verschieben Sie sich nicht ändernde Werte aus Schleifen.

7. Codestruktur für ein WebGL 2.0-Projekt

Beispiel für Verzeichnislayout:

shader/
  raymarch.vert
  raymarch.frag
src/
  webgl2-context.js
  camera.js
  renderer.js
index.html

Typische Fragment-Shader-Abschnitte:

// 1. Kamera/Strahl-Setup
// 2. SDF-Definitionen
// 3. Material- und Beleuchtungsfunktionen
// 4. Raymarch-Schleife
// 5. Finale Farbausgabe

8. Wann sollten Sie Raymarching verwenden?

Raymarching glänzt, wenn Sie wollen:

Unendliche glatte Formen
Fraktale
Science-Fiction-Szenen
Signed Distance Soft Shadows
Prozedurale Geometrie
Volumetrische Effekte (Wolken, Nebel, God Rays)

Vermeiden Sie Raymarching, wenn Sie brauchen:

Viele detaillierte komplexe Meshes
Realistische Skinned-Charaktere
Große dynamische Szenen mit Tausenden von Objekten

Raymarching ist am besten für prozedurale Welten und stilisierte visuelle Effekte.

9. Fazit

WebGL 2.0 Raymarching bringt fortgeschrittenes Echtzeit-Rendering in den Browser, nur mit Mathematik und GLSL. Mit SDFs können Sie komplexe 3D-Szenen ohne einen einzigen Vertex-Puffer erstellen. Obwohl die Technik rechenintensiv ist, ermöglicht sorgfältige Optimierung ausdrucksstarke Visuals, die mit nativen GPU-Anwendungen konkurrieren.

Raymarching repräsentiert einen einzigartigen Schnittpunkt von Mathematik, Kunst und GPU-Programmierung und macht es zu einer der aufregendsten Techniken, die in der modernen WebGL-Entwicklung zu erkunden sind.