レイマーチングでソフトシャドウ

先日の社内のシェーダ勉強会#2で「レイマーチングでソフトシャドウ」を実装する手法について発表しました。その資料を共有します。

後半ではソフトシャドウの現実らしい半影の特徴などにも触れています。半影については、3DCGに関する前提知識なしに直感的に理解できる内容だと思います。

半影の特徴は、現実世界の光の振る舞いにより生じるため、レイマーチングに限った話ではありません。レイマーチングに興味が無い方でも、3DCGに少しでもご興味があれば、目を通していただければ幸いです。

ソフトシャドウは、3DCGの基礎的なテーマですが、実際にはとても奥が深いと思います。

Transcript

1. ϨΠϚʔνϯάͰ
   ιϑτγϟυ΢
   2016/03/17
   KLabࣾ಺ γΣʔμษڧձ#2
   ࡉా ᠳ @gam0022
   

   View Slide

2. ࣗݾ঺հ
   ࡉాᠳ
   ϥϒϥΠϒӡ༻ݟश͍
   ڈ೥·Ͱஜ೾େֶ

   ͷ$(ͷݚڀࣨ
   UISFFKTྺ೥໨

   ஍ຯʹίϯτϦϏϡʔλ
   
   2
   !HBNʢ͕Ήʣ
   

   View Slide

3. ιϑτγϟυ΢ͷϨΠϚʔνϯά࣮૷ྫ
   IUUQHBNOFUXFCHMSBZNBSDIJOH@TIBEPX
   3
   

   View Slide

4. ϨΠϚʔνϯάͱ͸
   ϨΠτϨʔγϯάͷछ
   ڑ཭ؔ਺ʢ෺ମ΁ͷ࠷୹ڑ཭Λฦؔ͢਺ʣʹΑͬͯিಥ൑ఆ
   ϨΠͱ෺ମͷڑ཭͕ᮢ஋ΑΓখ͘͞ͳΔ·ͰϨΠΛਐΊΔ
   IUUQXXXTMJEFTIBSFOFUTIPIPTPEB
   UISFFKT
   4
   

   View Slide

5. ϥελϥΠζ VS ϨΠτϨʔγϯά
   5
   ʲը૾ग़యʳhttp://kagamin.net/hole/gallery.htm
   

   View Slide

6. γϟυ΢΋
   ϨΠΛඈ͹ͯ͠
   ࣮ݱՄೳʂ
   

   View Slide

7. γϟυ΢ͷख๏
   ϥελϥΠζʢγϟυ΢Ϛοϐϯάʣ
   ޫݯ͔Βͷਂ౓஋ϚοϓΛ࡞ͬͯؤுΔ
   ϨΠϚʔνϯά
   িಥͨ͠Βޫݯํ޲ʹϨΠΛඈ͹͢
   7
   

   View Slide

8. γϟυ΢Ϛοϐϯάʢઌिͷ෮शʣ
   8
   ʲը૾ग़యʳhttp://www.wakayama-u.ac.jp/~tokoi/lecture/gg/ggnote11.pdf
   

   View Slide

9. γϟυ΢Ϛοϐϯάʢઌिͷ෮शʣ
   9
   ʲը૾ग़యʳhttp://www.wakayama-u.ac.jp/~tokoi/lecture/gg/ggnote11.pdf
   

   View Slide

10. ϨΠϚʔνϯάͰͷӨͷग़͠ํ
    10
    ʲը૾ग़యʳhttps://wgld.org/d/glsl/g020.html
    

    View Slide

11. ϨΠϚʔνϯάͰͷӨͷग़͠ํ
    11
    ʲը૾ग़యʳhttps://wgld.org/d/glsl/g020.html
    

    View Slide

12. ϨΠϚʔνϯάͰϋʔυγϟυ΢
    12
    float shadow =
    getShadow( p + nearest.normal * OFFSET, lightDir );
    vec3 color = vec3( 0.9 ) * diffuse * shadow;
    HFU4IBEPX
    ͸EJ⒎VTFʹ৐ࢉͯ͠࢖͏
    Ͱ׬શʹਅͬࠇͳӨ
    ͸Ө͕ແ͍
    চͷγΣʔσΟϯάॲཧ
    

    View Slide

13. ϨΠϚʔνϯάͰϋʔυγϟυ΢
    িಥ͢ΔͳΒɺ͠ͳ͍ͳΒΛฦ͢
    13
    float getShadow( vec3 ro, vec3 rd ) {
    float dist;
    float depth = EPS;
    for ( int i = 0; i < 30; i++ ) {
    dist = sceneDist( ro + rd * depth );
    if ( dist < EPS ) return 0.5;
    depth += dist;
    }
    return 1.0;
    }
    

    View Slide

14. িಥͨ͠ɾ͠ͳ͍ = ϋʔυγϟυ΢
    14
    

    View Slide

15. িಥͨ͠ɾ͠ͳ͍ = ϋʔυγϟυ΢
    15
    

    View Slide

16. িಥͨ͠ɾ͠ͳ͍ = ϋʔυγϟυ΢
    16
    

    View Slide

17. ຊӨͱ൒Өʢઌिͷ෮शʣ
    17
    ʲը૾ग़యʳhttp://www.wakayama-u.ac.jp/~tokoi/lecture/gg/ggnote11.pdf
    

    View Slide

18. ιϑτγϟυ΢ʹ͸
    ൒Өͷ൓ө͕ඞཁʂ
    

    View Slide

19. ϋʔυɾιϑτγϟυ΢ൺֱ
    19
    ϋʔυγϟυ΢ʢ൒Өͳ͠ʣ ιϑτγϟυ΢ʢ൒Ө͋Γʣ
    

    View Slide

20. ιϑτγϟυ΢
    20
    ϋʔυγϟυ΢ʢ൒Өͳ͠ʣ ιϑτγϟυ΢ʢ൒Ө͋Γʣ
    

    View Slide

21. ຊӨͱ൒Өʢઌिͷ෮शʣ
    21
    ʲը૾ग़యʳhttp://www.wakayama-u.ac.jp/~tokoi/lecture/gg/ggnote11.pdf
    dist ͸
    ϨΠͱ෺ମͷִؒ
    dist
    

    View Slide

22. ιϑτγϟυ΢
    22
    float shadowIntensity = 0.7;
    float shadowSharpness = 6.0;
    float getSoft1Shadow( vec3 ro, vec3 rd ) {
    float dist, depth = EPS;
    float bright = 1.0;
    for ( int i = 0; i < 30; i++ ) {
    dist = sceneDist( ro + rd * depth );
    if ( dist < EPS ) return 1.0 - shadowIntensity;
    bright = min( bright, shadowSharpness * dist );
    depth += dist;
    }
    return 1.0 - ( 1.0 - bright ) * shadowIntensity;
    }
    

    View Slide

23. ൒Өͷܗ͕ۉ౳Ͱෆࣗવ
    ޫݯ͕ਅ্͡Όͳ͍ͷʹ
    ൒Ө͕ۉ౳ʹͳ͍ͬͯΔ
    23
    

    View Slide

24. ޫݯ͕ͣΕΔͱɺ൒Ө΋ภΔ
    24
    ʲը૾ग़యʳhttp://www.wakayama-u.ac.jp/~tokoi/lecture/gg/ggnote11.pdf
    

    View Slide

25. ෺ମ͕ԕ͔͟Δͱɺ൒Ө΋޿͕Δ
    25
    ʲը૾ग़యʳhttp://www.wakayama-u.ac.jp/~tokoi/lecture/gg/ggnote11.pdf
    

    View Slide

26. ൒Өͷੑ࣭
    ޫݯͷ܏͖ʹΑͬͯɺ൒Өͷ໘ੵ΋ภΔ
    ෺ମͱচ͕ԕ͍΄Ͳɺ൒Өͷ໘ੵ͕޿͕Δ
    26
    

    View Slide

27. ιϑτγϟυ΢վྑ
    27
    ιϑτγϟυ΢ ιϑτγϟυ΢վ
    

    View Slide

28. ιϑτγϟυ΢ൺֱ
    28
    ιϑτγϟυ΢
    ൒Өͷ෯͕Ұ༷
    ιϑτγϟυ΢վ
    ࣗવͳ൒Өͷ෯
    

    View Slide

29. ιϑτγϟυ΢վ
    29
    float shadowIntensity = 0.7;
    float shadowSharpness = 6.0;
    float getSoft2Shadow( vec3 ro, vec3 rd ) {
    float dist, depth = EPS;
    float bright = 1.0;
    for ( int i = 0; i < 30; i++ ) {
    dist = sceneDist( ro + rd * depth );
    if ( dist < EPS ) return 1.0 - shadowIntensity;
    bright = min( bright, shadowSharpness * dist / depth );
    depth += dist;
    }
    return 1.0 - ( 1.0 - bright ) * shadowIntensity;
    }
    

    View Slide

30. iqͷιϑτγϟυ΢࣮૷
    IUUQTXXXTIBEFSUPZDPNWJFX9ET[/
    30
    float softshadow( in vec3 ro, in vec3 rd, in
    float mint, in float tmax )
    {
    ɹfloat res = 1.0;
    float t = mint;
    for( int i=0; i<16; i++ )
    {
    ɹɹfloat h = map( ro + rd*t ).x;
    res = min( res, 8.0*h/t );
    t += clamp( h, 0.02, 0.10 );
    if( h<0.001 || t>tmax ) break;
    }
    return clamp( res, 0.0, 1.0 );
    }
    

    View Slide

31. doxasͷιϑτγϟυ΢࣮૷
    IUUQTXHMEPSHEHMTMHIUNM
    31
    float genShadow(vec3 ro, vec3 rd){
    float h = 0.0;
    float c = 0.0;
    float r = 1.0;
    float shadowCoef = 0.5;
    for(float t = 0.0; t < 50.0; t++){
    h = distFunc(ro + rd * c);
    if(h < 0.001){
    return shadowCoef;
    }
    r = min(r, h * 16.0 / c);
    c += h;
    }
    return 1.0 - shadowCoef + r *
    shadowCoef;
    }
    

    View Slide

32. શ͘ಉ͡ʢม਺໊΍܎਺ͷࠩҟʣ
    ιϑτγϟυ΢վ
    CSJHIU

    NJO CSJHIU TIBEPX4IBSQOFTTEJTUEFQUI
    
    JR
    SFTNJO SFT IU
    
    EPYBT
    SNJO S ID
    
    32
    

    View Slide

33. ·ͱΊ
    ϨΠϚʔνϯάͩͱ؆୯ʹιϑτγϟυ΢͕Ͱ͖Δ
    ޫݯʹϨΠΛඈ͹ͯ͠িಥ͢ΔͳΒӨ
    ιϑτγϟυ΢ͷ൒Ө͸ɺڑ཭ؔ਺ͷ࠷খ஋ͰܭࢉͰ͖Δ
    ൒Өͷੑ࣭΋γϯϓϧͳࣜͰදݱՄೳ
    33
    

    View Slide