Ray Marching é um método de visualização de cenas 3D usado na renderização sem representar explicitamente a geometria como polígonos. Essa abordagem é particularmente popular em gráficos procedurais e shaders, como no ShaderToy, onde as cenas são criadas usando funções matemáticas.
Princípio Básico
Ao contrário do Ray Tracing clássico, que busca a interseção exata de um raio com a geometria, o Ray Marching funciona de forma iterativa. O raio se move pelo espaço em pequenos passos até atingir um objeto ou exceder o número máximo de iterações.
O processo pode ser descrito com o seguinte algoritmo:
- Geração do Raio: Um raio é criado a partir do ponto de vista (câmera), com sua direção calculada com base nas coordenadas do pixel na tela.
- Progressão Iterativa: O raio se move ao longo de sua direção com um tamanho de passo determinado pela Signed Distance Function (SDF). Essa função retorna a distância mínima até a superfície mais próxima.
- Detecção de Colisão: Se o valor da SDF ficar abaixo de um determinado limite (por exemplo, 0.001), considera-se que o raio atingiu a superfície de um objeto.
- Limite de Iterações: Se o número de passos exceder um limite definido, o processo para e o pixel é tratado como fundo.
- Iluminação e Sombras: Se o raio atingir uma superfície, cálculos de iluminação são aplicados (por exemplo, normais podem ser calculadas por diferenciação numérica da SDF), seguidos de efeitos como sombras e reflexos.
Signed Distance Function (SDF)
O conceito-chave do Ray Marching é a Signed Distance Function. Ela determina a distância de um ponto no espaço até a superfície mais próxima de um objeto. Exemplos incluem:
- Esfera: distance = length(p) - r
- Cubo: distance = max(abs(p.x) - s, abs(p.y) - s, abs(p.z) - s)
- União de Formas: min(distance1, distance2)
A SDF permite descrever objetos complexos sem armazenar explicitamente sua geometria, tornando esse método uma ferramenta poderosa em gráficos procedurais.
Vantagens e Desvantagens
Vantagens:
- Flexibilidade – Permite a criação de cenas complexas sem malhas.
- Compacidade – As cenas são codificadas com fórmulas matemáticas.
- Realismo – Iluminação global, sombras suaves e reflexos podem ser facilmente integrados.
Desvantagens:
- Alta Complexidade Computacional – Requer muitas iterações.
- Artefatos – Precisão insuficiente pode levar a "buracos" ou interseções incorretas.
Conclusão
Ray Marching é uma técnica poderosa usada em gráficos procedurais e na demoscene. Embora exija consideráveis recursos computacionais, sua flexibilidade permite a criação de efeitos visuais impressionantes e cenas completamente descritas por matemática.
Esse método é especialmente interessante para pesquisadores de renderização e para aqueles que desejam entender mais profundamente as técnicas modernas de shaders.