一、问题总览
在之前的练习中，我们实现了Whitted-Style Ray Tracing 算法，并且用BVH等加速结构对于求交过程进行了加速。在本次实验中，我们将在上一次实验的基础上实现完整的Path Tracing算法。
二、代码框架
2.1 修改内容
相比上一次实验，本次实验对框架的修改较大，主要在以下几方面：
- 修改了main.cpp，以适应本次实验的测试模型CornellBox
- 修改了Render，以适应CornellBox 并且支持Path Tracing 需要的同一Pixel多次Sample
- 修改了Object，Sphere，Triangle，TriangleMesh，BVH，添加了area属性与Sample方法，以实现对光源按面积采样，并在Scene中添加了采样光源的接口sampleLight
- 修改了Material 并在其中实现了sample, eval, pdf三个方法用于Path Tracing变量的辅助计算
2.2 需要迁移的内容
你需要从上一次编程练习中直接拷贝以下函数到对应位置：
- Triangle::getIntersection in Triangle.hpp: 将你的光线-三角形相交函数粘贴到此处，请直接将上次实验中实现的内容粘贴在此。
- IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, const std::array<int, 3>& dirIsNeg) in the Bounds3.hpp: 这个函数的作用是判断包围盒BoundingBox 与光线是否相交，请直接将上次实验中实现的内容粘贴在此处，并且注意检查t_enter = t_exit 的时候的判断是否正确。
- getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray ray)in BVH.cpp: BVH查找过程，请直接将上次实验中实现的内容粘贴在此处.
三、代码框架
在本次实验中，只需要修改这一个函数:
- castRay(const Ray ray, int depth)in Scene.cpp: 在其中实现Path Tracing算法
可能用到的函数有：
- intersect(const Ray ray)in Scene.cpp: 求一条光线与场景的交点
- sampleLight(Intersection pos, float pdf) in Scene.cpp: 在场景的所有光源上按面积uniform 地sample 一个点，并计算该sample 的概率密度
- sample(const Vector3f wi, const Vector3f N) in Material.cpp: 按照该材质的性质，给定入射方向与法向量，用某种分布采样一个出射方向
- pdf(const Vector3f wi, const Vector3f wo, const Vector3f N) in Material.cpp: 给定一对入射、出射方向与法向量，计算sample 方法得到该出射方向的概率密度
- eval(const Vector3f wi, const Vector3f wo, const Vector3f N) in Material.cpp: 给定一对入射、出射方向与法向量，计算这种情况下的f_r值
可能用到的变量有：
- RussianRoulette in Scene.cpp: P_RR, Russian Roulette 的概率
四、参考答案
4.1 castRay(const Ray ray, int depth)in Scene.cpp
按照本次实验给出的框架（wo定义与课程介绍相反），我们进一步可以将伪代码改写为：
- 如果严格按照上述算法实现，你会发现渲染结果中光源区域为纯黑。这是因为在计算渲染方程时，没有加上自身释放的光
- 不同于以往从观察点射出光线，上述代码是从光源射出光线。此举是为了解决光线浪费的问题(从观察点产生光线时，受光源大小的影响有些光线可能永远都不会打到光源上，导致这些光线浪费了)
- 根据以上代码，可以将各个参数的关系画出来，如下图。黄线是 path tracing 的方向，和课上定义相反。(参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/488882096)
// Implementation of Path Tracing
Vector3f Scene::castRay(const Ray &ray, int depth) const
{// TO DO Implement Path Tracing Algorithm hereIntersection intersection = Scene::intersect(ray);if(intersection.happened) {Material *m = intersection.m;//MatiralVector3f L_dir(0.0), L_indir(0.0);// sampleLight(inter, pdf_light)Intersection inter;float pdf_light;sampleLight(inter, pdf_light);// Get x, ws, NN, emit from interVector3f X = inter.coords;Vector3f P = intersection.coords;Vector3f ws = (X - P).normalized();Vector3f N = intersection.normal; Vector3f NN = inter.normal;Vector3f emit = inter.emit;// Shoot a ray from p to x(inter)Ray ray_p_x(P + EPSILON * N, ws);Intersection intersection_p_x = Scene::intersect(ray_p_x);// If the ray is not blocked in the middleif((intersection_p_x.coords - inter.coords).norm() < EPSILON) {L_dir = emit * m->eval(ray.direction, ws, N) * dotProduct(ws, N) * dotProduct(-ws, NN) / std::pow(intersection_p_x.distance,2)/ pdf_light;}// 使用俄罗斯轮盘赌判断反射光线是否应停止继续反射if(get_random_float() <= RussianRoulette) {// Trace a ray r(p, wi)Vector3f wi = m->sample(ray.direction, N).normalized();Ray r(P, wi);Intersection intersection_r = Scene::intersect(r);// If ray r hit a non-emitting object at qif(intersection_r.happened && !intersection_r.m->hasEmission()) {L_indir = castRay(r, depth+1) * m->eval(ray.direction, wi, N) * dotProduct(wi, N) / m->pdf(ray.direction, wi, N) / RussianRoulette;}}return m->getEmission() + L_dir + L_indir;} return this->backgroundColor;
}
4.2 多线程加速
- 在Render.cpp中使用多线程加速
- 多线程会影响部分变量的值(如变量m)，所以需要修改下函数
- 使用
#pragma omp parallel for, 然后在CMakeLists.txt中加上set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -fopenmp")
void Renderer::Render(const Scene& scene)
{std::vector<Vector3f> framebuffer(scene.width * scene.height);float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5));float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;Vector3f eye_pos(278, 273, -800);int m = 0;// change the spp value to change sample ammountint spp = 16;std::cout << "SPP: " << spp << "\n";#pragma omp parallel for shared(m)for (uint32_t j = 0; j < scene.height; ++j) {for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) {// generate primary ray directionfloat x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) *imageAspectRatio * scale;float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;Vector3f dir = normalize(Vector3f(-x, y, 1));for (int k = 0; k < spp; k++){//framebuffer[m] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp; framebuffer[j * scene.width + i] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp; }//m++;}//UpdateProgress(j / (float)scene.height);UpdateProgress(m / (float)scene.height);m++;}UpdateProgress(1.f);// save framebuffer to fileFILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb");(void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height);for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) {static unsigned char color[3];color[0] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].x), 0.6f));color[1] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].y), 0.6f));color[2] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].z), 0.6f));fwrite(color, 1, 3, fp);}fclose(fp);
}
五、编译
mkdir build
cd ./build
cmake ..
make./RayTracing
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