光线步进中坐标钳制导致奇怪拉伸伪影问题排查

我尝试用Raymarching渲染球体网格，编写的SDF代码如下：

float sq_layer(vec3 p, vec3 bounding_box_min, vec3 bounding_box_max)
{
         float cell_size = 4.0 / 16.0;
         vec3 p0 = clamp(p.xyz, bounding_box_min, bounding_box_max);
         p0 = mod(p0, cell_size) - cell_size * 0.5f;
         float d_pt = sphereSDF(vec3(p0.x, p0.y, p0.z), 0.05f)
         return d_pt;
}

渲染结果出现拉伸伪影：

为排查问题，我将球体替换为盒子，修改后的代码如下：

float sq_layer(vec3 p, vec3 bounding_box_min, vec3 bounding_box_max)
{
         vec3 cell_size = (bounding_box_max - bounding_box_min)  / 4.0;
         vec3 p0 = clamp(p.xyz, bounding_box_min, bounding_box_max);
         p0 = mod(p0, cell_size) - cell_size * 0.5f;
         float d_pt = boxSDF(p0, cell_size * 0.35);
         return d_pt;
}

仍出现类似拉伸伪影：

问题根源 #

错误出在先clamp再mod的顺序：clamp会把超出bounding box的点强行拉到盒子边界上，比如所有x坐标大于bounding_box_max.x的点，都会被设为bounding_box_max.x。对这个固定值做mod运算时，所有超出边界的点在对应维度的mod结果完全相同，最终导致渲染时出现拉伸变形。

修正方案 #

正确的处理顺序是：先将世界坐标转换到bounding box的局部空间，再做mod运算得到单元格内的位置，最后再限制SDF仅在bounding box内部生效。

球体网格修正代码

float sq_layer(vec3 p, vec3 bounding_box_min, vec3 bounding_box_max)
{
    float cell_size = 4.0 / 16.0;
    // 转换到bounding box的局部空间（原点对齐盒子最小角）
    vec3 local_p = p - bounding_box_min;
    // 计算单元格内的相对位置，偏移到单元格中心
    local_p = mod(local_p, cell_size) - cell_size * 0.5;
    // 球体SDF
    float d_sphere = sphereSDF(local_p, 0.05);
    // 确保仅在bounding box内部生效，外部返回极大距离
    float d_bound = length(p - clamp(p, bounding_box_min, bounding_box_max));
    return max(d_sphere, d_bound);
}

盒子网格修正代码

float sq_layer(vec3 p, vec3 bounding_box_min, vec3 bounding_box_max)
{
    vec3 cell_size = (bounding_box_max - bounding_box_min) / 4.0;
    // 转换到bounding box的局部空间
    vec3 local_p = p - bounding_box_min;
    // 计算单元格内的相对位置，偏移到单元格中心
    local_p = mod(local_p, cell_size) - cell_size * 0.5;
    // 盒子SDF
    float d_box = boxSDF(local_p, cell_size * 0.35);
    // 限制在bounding box内部
    float d_bound = length(p - clamp(p, bounding_box_min, bounding_box_max));
    return max(d_box, d_bound);
}

补充说明 #

• d_bound的作用是让bounding box外部的点返回一个极大的距离，避免Raymarching错误地在盒子外部渲染网格。
• 如果你的bounding box不是轴对齐的，还需要额外做坐标旋转处理，但当前案例假设是轴对齐盒子。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jaysmito Mukherjee