Entendendo a Renderização Raymarching do WebGL 2.0

Um mergulho profundo em raymarching WebGL 2.0, SDFs e renderização volumétrica em tempo real

O WebGL 2.0 desbloqueia um poderoso conjunto de recursos de GPU, permitindo técnicas avançadas de renderização que tradicionalmente exigiam APIs nativas. Entre essas, o raymarching se destaca como um dos métodos mais expressivos e matematicamente elegantes para renderizar cenas complexas com geometria mínima.

Este artigo explora os conceitos fundamentais por trás do raymarching WebGL 2.0, explica como os Campos de Distância Assinada (SDFs) permitem renderização eficiente e mostra como essa técnica pode extrair desempenho surpreendente da GPU.

1. O que é Raymarching?

Raymarching é um método de renderização onde, em vez de projetar geometria na tela, disparamos um raio da câmera por pixel, movemo-lo passo a passo através de uma cena virtual e avaliamos distâncias até que o raio atinja uma superfície ou alcance um alcance máximo.

1.1 Como o Raymarching Funciona (Diagrama Visual)

Câmera
  |
  | raio
  v
  +--------------------------------- Pixel da Tela
  |
  | passo de marcha 1      (distância d1)
  |
  |---------> passo de marcha 2      (distância d2)
  |
  |-----------------------> passo de marcha 3 ...
  |
Superfície atingida quando distância < ε

Raymarching é essencialmente um loop:

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

O ingrediente mágico é a função SDF que passamos.

2. O que são Campos de Distância Assinada (SDFs)?

Um Campo de Distância Assinada é uma função que retorna:

> 0  distância fora do objeto  
= 0  exatamente na superfície  
< 0  distância dentro do objeto

2.1 Diagrama SDF

           fora
        +------------+
        |   d = 0.5  |
        |            |
dentro  |     SDF    | superfície d = 0
d < 0   |            |
        |   d = -0.3 |
        +------------+

2.2 Exemplo: SDF de Esfera

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

Ao combinar essas formas básicas com operações booleanas (união, subtração, interseção), você pode construir cenas complexas sem qualquer geometria tradicional.

3. Por que usar Raymarching SDF no WebGL 2.0?

3.1 Benefícios

Sem buffers de vértices ou malhas necessários Tudo é calculado matematicamente no fragment shader.
Detalhe geométrico infinito SDFs definem superfícies suaves e contínuas.
Objetos dinâmicos e deformáveis Anima facilmente formas com matemática.
Cenas compactas Uma cena 3D completa pode ser definida usando apenas algumas linhas de GLSL.

3.2 Recursos do WebGL 2.0 que tornam isso possível

Floats de alta precisão
Suporte completo a shaders GLSL ES 3.0
UBOs (buffers uniformes)
Texturas float
Loops e ramificações mais flexíveis

Isso permite raymarching estável e de alto desempenho que era difícil no WebGL 1.0.

4. Construindo um Raymarcher WebGL 2.0 Passo a Passo

4.1 Configuração do Raio da Cena

Calcule um raio para cada pixel:

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

4.2 O Loop 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);     // sua função SDF

        if (d < EPSILON) break;    // acerto
        if (totalDist > MAX_DISTANCE) break;  // erro

        totalDist += d;
    }
    return totalDist;
}

4.3 Definindo a Cena 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); // união
}

4.4 Cálculo da Normal

Usando aproximação de gradiente:

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 Modelo de Iluminação

Sombreamento difuso simples:

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

5. Renderizando Volumes (Névoa, Nuvens, Fumaça)

Raymarching SDF pode ser estendido para renderização volumétrica, onde cada passo contribui com cor e densidade em vez de parar em uma superfície.

5.1 Diagrama de Volume

Raio →
[baixa densidade] [média] [alta densidade] [opaco]
   +--------+---------+---------+-------+
   amostra1   amostra2   amostra3   amostra4

5.2 Modelo de Acumulação 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;
}

Raymarching de volumes é mais caro, mas as melhorias de desempenho do WebGL 2.0 (especialmente em GPUs móveis) tornam nuvens, névoa e nebulosas em tempo real viáveis.

6. Técnicas de Otimização de Desempenho

Raymarching pode ser pesado, então otimizações são essenciais.

6.1 Técnicas Principais

Culling de Distância Pule grandes áreas vazias confiando em distâncias SDF precisas.
Volumes Delimitadores Teste se o raio sequer entra na região onde os SDFs existem.
Tamanho de Passo Adaptativo Use passos menores perto de superfícies, passos maiores em espaço aberto.
Saída Antecipada Pare de marchar assim que a superfície for atingida.
Reduzir MAX_STEPS Valores típicos variam de 64–128 para renderização em tempo real.
Use uniforms e buffers do WebGL 2.0 com eficiência Mova valores que não mudam para fora dos loops.

7. Estrutura de Código para um Projeto WebGL 2.0

Exemplo de layout de diretório:

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

Seções típicas de fragment shader:

// 1. Configuração de Câmera/Raio
// 2. Definições SDF
// 3. Funções de Material e Iluminação
// 4. Loop de Raymarch
// 5. Saída de Cor Final

8. Quando Você Deve Usar Raymarching?

Raymarching se destaca quando você quer:

Formas suaves infinitas
Fractais
Cenas de ficção científica
Sombras suaves de distância assinada
Geometria procedural
Efeitos volumétricos (nuvens, névoa, raios de deus)

Evite raymarching quando você precisa:

Muitas malhas complexas detalhadas
Personagens realistas com skinning
Cenas dinâmicas grandes com milhares de objetos

Raymarching é melhor para mundos procedurais e efeitos visuais estilizados.

9. Conclusão

O raymarching WebGL 2.0 traz renderização avançada em tempo real para o navegador usando nada mais que matemática e GLSL. Com SDFs, você pode criar cenas 3D complexas sem um único buffer de vértices. Embora a técnica seja computacionalmente intensiva, otimização cuidadosa permite visuais expressivos que rivalizam com aplicações GPU nativas.

Raymarching representa uma interseção única de matemática, arte e programação GPU, tornando-o uma das técnicas mais emocionantes para explorar no desenvolvimento WebGL moderno.