usage:

#mac
brew install imagemagick
#linux
sudo apt-get install imagemagick

bash run.sh

result:

光线追踪大作业实验报告

实现效果

​ 本次作业主要基于smallpt完成，使用路径跟踪的方式，在原代码的基础上实现了更多的功能，采用stb读取图片，imagemagick输出png文件。主要的得分点如下：

• 基础项：

  • 折射
  • 反射
  • 阴影
  • 参数曲面

• 低

  • 抗锯齿

  • 纹理贴图

  • 凹凸贴图

  • 法线贴图

• 中

  • 漫反射

  • 景深

  • 运动模糊

  • 软阴影

• 包围盒

具体实现

• 折射、反射、阴影：

  • 基于路径跟踪的原理，反射只需返回反射后的光线继续跟踪即可，而折射需要在跟踪的光线进入或离开可折射材质表面时，对光线沿表面法向进行一个偏移，具体来讲，设定玻璃折射率为1.5，当发生全反射时直接返回反射光，当非全反射时，对折射和反射的光线分别进行追踪。阴影则是光线全部被遮挡后自然实现。具体函数为

    Vector3f radiance(const Ray &r, int depth, unsigned short *Xi) 

• 参数曲面：

  • 旋转面，使用牛顿迭代法进行求交，使用柱坐标系描述曲面，对角度和参数进行迭代，具体代码见revsurface.hpp。
  • 使用光线与包围盒交点作为迭代初值，从而加速计算。

• 抗锯齿：

  • 对每个像素内部分为4个单元格随机采样，最后取平均值，从而达到抗锯齿的效果，即

    for (int sy = 0, i = (h - y - 1) * w + x; sy < 2; sy++)                                 // 2x2 subpixel rows
            for (int sx = 0; sx < 2; sx++, r = Vector3f()) {  

    与

    double r1 = 2 * erand48(Xi), dx = r1 < 1 ? sqrt(r1) - 1 : 1 - sqrt(2 - r1);
    double r2 = 2 * erand48(Xi), dy = r2 < 1 ? sqrt(r2) - 1 : 1 - sqrt(2 - r2);

• 贴图：

  • 纹理贴图（地板）：在获取物体颜色时从图片中读取，具体代码如下：

    void change_hit(double u, double v, Hit &hit) override {
            int i = (int) (u * width);
            int j = (int) (v * height);
            if (i < 0) i = 0;
            if (j < 0) j = 0;
            if (i >= width) i = width - 1;
            if (j >= height) j = height - 1;
            int index = (i + j * width) * channel_num;
            double r = int(tex_data[index]) / 255.0;
            double g = int(tex_data[index + 1]) / 255.0;
            double b = int(tex_data[index + 2]) / 255.0;
            hit.hit_color = Vector3f(r, g, b);
        }

  • 法线贴图（左右砖墙）：读取图片文件中记录的法线偏移信息，对已经获得的hit中的法向量进行偏移，具体代码如下：

    double r = int(tex_data[index]) / 255.0;
            double g = int(tex_data[index + 1]) / 255.0;
            double b = int(tex_data[index + 2]) / 255.0;
            hit.hit_normal = hit.hit_normal + Vector3f(r - 0.5, g - 0.5, b - 0.5)*1.3;

  • 凹凸贴图（地板）：对hit记录的交点信息沿法向进行移动，代码如下：

    double bump = (r + g + b) / 3.0;
            hit.hit_pos = hit.hit_pos + hit.hit_normal * (float) bump * 4;

• 漫反射

  • 对落在漫反射表面的光线随机偏移，最后叠加所有物体反射的光带来的影响，具体代码为

     // Ideal DIFFUSE reflection
            double r1 = 2 * M_PI * erand48(Xi), r2 = erand48(Xi), r2s = sqrt(r2);
            Vector3f w = nl, u = Vector3f::cross((fabs(w.x()) > .1 ? Vector3f(0, 1, 0) : Vector3f(1, 0, 0)),
                                                 w).normalized(),
                    v = Vector3f::cross(w, u);
            Vector3f d = (u * cos(r1) * r2s + v * sin(r1) * r2s + w * sqrt(1 - r2)).normalized();
            return obj->e + f * radiance(Ray(x, d), depth, Xi);

• 景深

  加入焦距和光圈，也就是说当前所收集的光线并不是集中在相机一点，而是一个圆形区域，同时通过焦距保证在与相机成一定距离的物体保持清晰，具体代码如下：

  d = d.normalized() * flength;
  Vector3f p;
  do {
      p = Vector3f(drand48(), drand48(), 0) * 2 - Vector3f(1, 1, 0);
  } while (Vector3f::dot(p, p) >= 1);
  Vector3f origin = cam.origin + p * aperture / 2;
  Vector3f direction = d - p * aperture / 2;

  从圆形区域内随机生成一个偏移量，对origin，也就是相机位置进行偏移，同时对一定长度的direction进行修正，保证在flength距离上的物品清晰。

• 运动模糊

  在采样时对运动物体的中心沿着速度方向进行随机偏移，从而达到运动模糊的效果，代码如下

  double intersect(const Ray &r, double tmin, Hit &hit) override{
          float time = rand()%1000/1000.0;
          Ray r1(r.origin - v * time, r.direction);
          double t= obj->intersect(r1, tmin, hit);
          hit.hit_pos = hit.hit_pos + v * time;
          return t;
  }

• 软阴影

  使用面光源，追踪光线路径直至打到光源。由于光源并非只有一点，所以阴影周围呈现出光晕。

• 包围盒

  对参数曲面和三角网格，记录其范围中最小和最大的x,y,z，将其生成的长方体当作包围盒，计算光线进入和离开这个包围盒的时间，若离开早于进入，则说明光线不与这个包围盒相交。