Comprendre le Rendering Raymarching de WebGL 2.0

Une plongée approfondie dans le raymarching WebGL 2.0, les SDFs et le rendu volumétrique en temps réel

WebGL 2.0 débloque un puissant ensemble de fonctionnalités GPU, permettant des techniques de rendu avancées qui nécessitaient traditionnellement des APIs natives. Parmi celles-ci, le raymarching se distingue comme l'une des méthodes les plus expressives et mathématiquement élégantes pour rendre des scènes complexes avec une géométrie minimale.

Cet article explore les concepts fondamentaux derrière le raymarching WebGL 2.0, explique comment les Champs de Distance Signés (SDFs) permettent un rendu efficace et montre comment cette technique peut extraire des performances étonnantes du GPU.

1. Qu'est-ce que le Raymarching ?

Le raymarching est une méthode de rendu où, au lieu de projeter la géométrie sur l'écran, nous tirons un rayon depuis la caméra par pixel, le déplaçons étape par étape à travers une scène virtuelle et évaluons les distances jusqu'à ce que le rayon frappe une surface ou atteigne une portée maximale.

1.1 Comment fonctionne le Raymarching (Diagramme visuel)

Caméra
  |
  | rayon
  v
  +--------------------------------- Pixel d'écran
  |
  | pas de marche 1      (distance d1)
  |
  |---------> pas de marche 2      (distance d2)
  |
  |-----------------------> pas de marche 3 ...
  |
Surface atteinte lorsque distance < ε

Le raymarching est essentiellement une boucle :

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

L'ingrédient magique est la fonction SDF que nous passons.

2. Qu'est-ce que les Champs de Distance Signés (SDFs) ?

Un Champ de Distance Signé est une fonction qui retourne :

> 0  distance à l'extérieur de l'objet  
= 0  exactement sur la surface  
< 0  distance à l'intérieur de l'objet

2.1 Diagramme SDF

           extérieur
        +------------+
        |   d = 0.5  |
        |            |
intérieur |     SDF    | surface d = 0
d < 0   |            |
        |   d = -0.3 |
        +------------+

2.2 Exemple : SDF de Sphère

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

En combinant ces formes de base avec des opérations booléennes (union, soustraction, intersection), vous pouvez construire des scènes complexes sans aucune géométrie traditionnelle.

3. Pourquoi utiliser le Raymarching SDF dans WebGL 2.0 ?

3.1 Avantages

Aucun tampon de sommets ou maillage nécessaire Tout est calculé mathématiquement dans le fragment shader.
Détail géométrique infini Les SDFs définissent des surfaces lisses et continues.
Objets dynamiques et déformables Animez facilement les formes avec des mathématiques.
Scènes compactes Une scène 3D complète peut être définie en utilisant seulement quelques lignes de GLSL.

3.2 Fonctionnalités WebGL 2.0 qui le rendent possible

Floats haute précision
Support complet des shaders GLSL ES 3.0
UBOs (tampons uniformes)
Textures float
Boucles et branches plus flexibles

Cela permet un raymarching stable et performant qui était difficile dans WebGL 1.0.

4. Construction étape par étape d'un Raymarcher WebGL 2.0

4.1 Configuration du rayon de scène

Calculez un rayon pour chaque pixel :

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

4.2 La boucle de Raymarch

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);     // votre fonction SDF

        if (d < EPSILON) break;    // touché
        if (totalDist > MAX_DISTANCE) break;  // raté

        totalDist += d;
    }
    return totalDist;
}

4.3 Définition de la scène SDF

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); // union
}

4.4 Calcul de la normale

Utilisation de l'approximation du gradient :

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 Modèle d'éclairage

Ombrage diffus simple :

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

5. Rendu de volumes (Brouillard, Nuages, Fumée)

Le raymarching SDF peut être étendu au rendu volumétrique, où chaque étape contribue à la couleur et à la densité au lieu de s'arrêter à une surface.

5.1 Diagramme de volume

Rayon →
[faible densité] [moyenne] [haute densité] [opaque]
   +--------+---------+---------+-------+
   échantillon1   échantillon2   échantillon3   échantillon4

5.2 Modèle d'accumulation de volume

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;
}

Le raymarching de volumes est plus coûteux, mais les améliorations de performance de WebGL 2.0 (surtout sur les GPU mobiles) rendent les nuages, le brouillard et les nébuleuses en temps réel réalisables.

6. Techniques d'optimisation des performances

Le raymarching peut être lourd, donc les optimisations sont essentielles.

6.1 Techniques clés

Culling de distance Ignorez de grandes zones vides en vous fiant aux distances SDF précises.
Volumes englobants Testez si le rayon entre même dans la région où les SDFs existent.
Taille de pas adaptative Utilisez des pas plus petits près des surfaces, des pas plus grands dans l'espace ouvert.
Sortie anticipée Arrêtez de marcher dès que la surface est touchée.
Réduire MAX_STEPS Les valeurs typiques vont de 64–128 pour le rendu en temps réel.
Utilisez efficacement les uniforms et tampons WebGL 2.0 Déplacez les valeurs qui ne changent pas hors des boucles.

7. Structure de code pour un projet WebGL 2.0

Exemple de disposition de répertoire :

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

Sections typiques de fragment shader :

// 1. Configuration Caméra/Rayon
// 2. Définitions SDF
// 3. Fonctions de Matériau et d'Éclairage
// 4. Boucle de Raymarch
// 5. Sortie de Couleur Finale

8. Quand devriez-vous utiliser le Raymarching ?

Le raymarching excelle quand vous voulez :

Formes lisses infinies
Fractales
Scènes de science-fiction
Ombres douces de distance signée
Géométrie procédurale
Effets volumétriques (nuages, brouillard, rayons de dieu)

Évitez le raymarching quand vous avez besoin de :

Beaucoup de maillages complexes détaillés
Personnages réalistes avec skinning
Grandes scènes dynamiques avec des milliers d'objets

Le raymarching est meilleur pour les mondes procéduraux et les effets visuels stylisés.

9. Conclusion

Le raymarching WebGL 2.0 apporte le rendu avancé en temps réel au navigateur en utilisant rien de plus que des mathématiques et du GLSL. Avec les SDFs, vous pouvez créer des scènes 3D complexes sans un seul tampon de sommets. Bien que la technique soit intensivement computationnelle, une optimisation soigneuse permet des visuels expressifs qui rivalisent avec les applications GPU natives.

Le raymarching représente une intersection unique des mathématiques, de l'art et de la programmation GPU, en faisant l'une des techniques les plus excitantes à explorer dans le développement WebGL moderne.