Unity Ray Marching 体积光渲染

基于Unity URP的高性能Ray Marching体积光渲染实现，适用于游戏级实时渲染。

📋 项目简介

本项目实现了一个优化的体积光散射系统，使用Ray Marching算法在Unity URP管线中实现真实的光线在体积雾中的散射效果。适用于游戏场景中的光束、雾效、上帝之光等视觉效果。

✨ 核心特性

🎯 Ray Marching算法

• 自适应步进：16-32步的游戏级优化步数
• Henyey-Greenstein相位函数：物理正确的光散射模拟
• Beer-Lambert衰减：真实的光线吸收和散射
• 早期退出优化：透明度阈值检测，提升性能

🎨 渲染优化

• Blue Noise抖动：消除Ray Marching带状伪影
• Interleaved Gradient Noise：像素级空间抖动
• 时间抖动：减少闪烁，平滑帧间变化
• 混合抖动策略：Blue Noise（时间） + IGN（空间）

💡 光照特性

• 实时阴影采样：体积雾支持主光源阴影
• 多光源支持：兼容URP多光源系统
• 密度变化：3D噪声函数生成非均匀雾效
• 可调参数：散射强度、密度、消光系数等

🔧 技术实现

Ray Marching核心流程

// 伪代码展示算法流程
for (int i = 0; i < steps; i++) {
    // 1. 采样当前位置的密度
    float density = GetDensity(currentPos);
    
    // 2. 采样阴影
    float shadow = GetShadow(currentPos);
    
    // 3. 计算相位函数
    float phase = PhaseHG(viewDir, lightDir);
    
    // 4. 累积散射光
    scatteredLight += lightColor * density * phase * shadow * transmittance;
    
    // 5. 更新透射率（Beer-Lambert定律）
    transmittance *= exp(-extinction * density * stepSize);
    
    // 6. 前进一步
    currentPos += rayDir * stepSize;
}

抖动优化策略

本实现使用双重抖动策略消除伪影：

1. Blue Noise时间抖动

   • 使用R2序列生成低差异采样
   • 控制帧间变化速度，减少闪烁
   • 平铺无缝循环的Blue Noise纹理

2. IGN空间抖动

   • 每个像素不同的起始偏移
   • 打破规律性采样模式
   • 隐藏Ray Marching步进伪影

📦 项目结构

Assets/
├── RayMarching/
│   ├── VolumetricLight.shader          # 体积光Shader
│   ├── CustomRenderPassFeature.cs      # URP渲染Feature
│   ├── VolumetricLightFeature.mat      # 材质
│   ├── Wall.shader                     # PBR物体Shader
│   └── LDR_LLL1_0.png                  # Blue Noise纹理
├── RP/
│   ├── RayMarching/
│   │   ├── URPRayMarching.asset        # URP Asset
│   │   └── URPRayMarching_Renderer.asset  # 渲染器配置
│   └── NormalURP/                       # 标准URP配置
└── Scenes/
    └── RayMarching.unity                # 演示场景

🚀 使用方法

1. 设置URP渲染器

1. 打开 Assets/RP/RayMarching/URPRayMarching_Renderer.asset
2. 在 Renderer Features 列表中找到 Custom Render Pass Feature
3. 分配 VolumetricLightFeature 材质

2. 调整参数

在材质面板中可调整以下参数：

Ray Marching 参数

• Steps: 步进数量（16-32，越高越精确但性能越低）
• Max Distance: 最大追踪距离
• Phase G: 相位函数参数（-0.99到0.99，控制前向/后向散射）

散射属性

• Scattering Intensity: 散射强度（0-50）
• Density: 雾密度（0-1）
• Extinction: 消光系数（0-1）

抖动优化

• Blue Noise Texture: Blue Noise纹理
• Jitter Strength: 抖动强度（0-1）
• Temporal Strength: 时间抖动强度（0-1，越低越稳定）
• Noise Intensity: 噪声强度（0-2）

3. 场景配置

• 确保场景中有Directional Light作为主光源
• 在URP Asset中启用Depth Texture
• 在Light组件中启用Shadows

🎮 性能优化

本实现针对游戏级实时渲染进行了多项优化：

1. 步数控制：推荐使用16-32步，在质量和性能间平衡
2. 早期退出：透明度<0.01时终止追踪
3. 采样抖动：用抖动换取更少的采样步数
4. 距离限制：设置合理的Max Distance避免远处浪费
5. 密度优化：使用简化的噪声函数，避免复杂计算

📊 性能表现

在1080p分辨率下的性能参考（GTX 1660 Ti）：

步数	帧率	备注
16	~60fps	推荐移动端
32	~45fps	PC推荐配置
64	~25fps	高质量截图

🎓 技术参考

• GPU Gems 7 - Real-Time Volumetric Cloudscapes
• Physically Based Sky, Atmosphere and Cloud Rendering
• Interleaved Gradient Noise

📝 其他功能

本项目还包含其他URP学习内容：

• 卡通渲染：基础Toon Shading实现
• 自定义渲染管线：Custom SRP示例
• PBR材质：带描边的PBR Shader

📄 许可证

MIT License - 可自由用于学习和商业项目

👤 作者

Sirius-Lucien

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