基于C++完善光线追踪器【100012093】

# 光线追踪器完善 ## 简介 对光线追踪器进行完善，实现了光源添加，纹理添加，三角形模型引入，bvh 树实现，以及多线程加速 ## 项目实现方法简述 ### 添加纹理 ```c++ virtual vec3 value(double u, double v, const vec3& p) const { int i = static_cast<int>(u * m_width); int j = static_cast<int>((1.0f - v)*m_height) - 0.001; if (i < 0) i = 0; if (j < 0) j = 0; if (i > m_width - 1) i = m_width - 1; if (j > m_height - 1) j = m_height - 1; int index = (j * m_width + i) * m_channel; float r = static_cast<int>(m_data[index + 0]) / 255.0f; float g = static_cast<int>(m_data[index + 1]) / 255.0f; float b = static_cast<int>(m_data[index + 2]) / 255.0f; return vec3(r, g, b); } ``` 具体思路为在材料中添加一个指向纹理的指针，这样在计算材料表面颜色的时候，不是返回默认值，而是调用 value 函数，根据 u，v 值来获取相应的值。上述代码为图片纹理的 value 函数实现。 ### 添加光源 ```c++ class diffuse_light :public material{//光源材质，将碰撞到该材质的光线设为光源颜色，光源颜色的分量可以大于1，如（4，4，4） public: diffuse_light(std::shared_ptr<texture> a) : albedo(a) {}; virtual bool scatter(const ray& r_in, const hit_record& rec, vec3& attenuation, ray& scattered) const { return false; } virtual vec3 emitted(const float &u,const float &v, const vec3 &p) const { return albedo->value(u, v, p); } std::shared_ptr<texture> albedo; }; ``` 这里，我们把光源当成一种特殊的材质，这种材质不反射光线，而是直接发射相应的颜色，强度的光线。 ### 三角形渲染 ```c++ bool triangle::hit(const ray& r, float t_min, float t_max, hit_record& rec) const{ if (dot(normal, r.direction()) == 0.0f)//光线与平面平行 return false; float t = -(dot(normal, r.origin()) + d) / dot(normal, r.direction()); if (t < t_min || t > t_max) return false; rec.t = t; rec.point = r.point_at_parameter(t); rec.mat_ptr = mat_ptr; //判断点是否在三角形内 vec3 R = rec.point - point0; vec3 Q1 = point1 - point0; vec3 Q2 = point2 - point0; float dot_Q1_Q1 = dot(Q1, Q1); float dot_Q2_Q2 = dot(Q2, Q2); float dot_Q1_Q2 = dot(Q1, Q2); float dot_R_Q1 = dot(R, Q1); float dot_R_Q2 = dot(R, Q2); float determinant = 1.0f / (dot_Q1_Q1*dot_Q2_Q2 - dot_Q1_Q2*dot_Q1_Q2); //获取当前点的信息，由三个顶点和omega，1omega2得到 float omega1 = determinant*(dot_Q2_Q2*dot_R_Q1 - dot_Q1_Q2*dot_R_Q2); float omega2 = determinant*(-dot_Q1_Q2*dot_R_Q1 + dot_Q1_Q1*dot_R_Q2); if (omega1 + omega2 > 1.0f || omega1 < 0.0f || omega2 < 0.0f) return false; rec.normal = normal0* (1.0f - omega1 - omega2) + normal1 * omega1 + normal2 * omega2; rec.u = u0* (1.0f - omega1 - omega2) + u1 * omega1 + u2 * omega2; rec.v = v0* (1.0f - omega1 - omega2) + v1 * omega1 + v2 * omega2; if (dot(rec.normal, r.direction()) > 0.0f) rec.normal = -rec.normal; return true; } ``` 这里，我们把光源当成一种特殊的材质，这种材质不反射光线，而是直接发射相应的颜色，强度的光线。 ### 加载网格模型 ```c++ virtual bool hit(const ray& r, float t_min, float t_max, hit_record& rec) const{ hit_record temp_rec; bool hit_anything = false; float closest_so_far = t_max; for (int i = 0; i < mod.size(); i++){ if (mod.at(i).hit(r, t_min, closest_so_far, temp_rec)){ hit_anything = true; closest_so_far = temp_rec.t; rec = temp_rec; } } return hit_anything; } vector<triangle> mod; ``` 一个模型拥有一个 vector 用来储存三角形，具体的处理思路在没有处理优化的时候其实和 hitable_list 差不多。在 obj 文件读取时，会碰到四边形面片处理，如（p0,p1,p2,p3).这里我们就要把它当成 2 个三角形（p0,p1,p2)和(p0,p3,p2)就能刚好组成一个四边形面片，即两个三角形的公共边需要是四边形中的对角线。 ### 构建 BVH 树 ```c++ auto comparator = (index == 0) ? box_x_compare : (index == 1) ? box_y_compare : box_z_compare; size_t length = end - start; if (length == 1){ left = right = objects[start]; } else if (length == 2){ if (comparator(objects[start], objects[start+1])){ left = objects[start]; right = objects[start + 1]; } else{ left = objects[start + 1]; right = objects[start]; } } else{ std::sort(objects + start, objects + end, comparator); auto mid = start + length / 2; left = new bvh_node(objects, start, mid, t0, t1); right = new bvh_node(objects, mid, end, t0, t1); } ``` 首先利用层次包围盒的概念，利用 bvh 树对求交进行简化，可以理解为 B（左节点），C（右节点）两个小的包围盒组合成一个大的包围盒 A（父节点），在判断求交的时候，先判断是否和 A（父节点）相交，若相交，再判断子节点。 那么主要的难点就是如何构建 bvh 树，这里利用了递归的思想，每次将数组二分，直到只剩两个物体分别为左右节点，同时，在每次二分前，随机选择一个轴对物体进行排序。 ### 多线程加速 ```c++ # pragma omp parallel for ``` 通过在 for 循环前添加上述语句，然后在项目属性的语言，C++ 中，openMP 支持改为是~，就可以自动将下面的 for 循环分成 N 份，(N 为电脑 CPU 核数)，然后把每份指派给一个核去执行，而且多核之间为并行执行 ### 结果