简介

代码实现了一个简单的光线追踪模型，能将输入的场景描述文件计算生成图片。

特性：

• 从Json文件中读入场景描述文件
• 支持球体、平面（支持网格或图片纹理）、三角形组成的复杂物体（从.obj文件读入）
• 使用phone模型，支持反射、折射效果
• 使用层次包围盒加速
• 良好的代码可扩展性、可读性

样例

\

\

另外，video/5000.avi是一段三体运行视频。

编译和运行

通过make编译，需要安装opencv库。

编译后可以运行./ray-tracing input.json output.png测试。程序接受的一些参数如下：

Usage: ray-tracing [OPTION] Input Output

Input .json scene file.
Output .png image file.

Options:
  -h, --help            show this help message and exit
  -w INT, --width=INT   width of output image. default: 640.
  -h INT, --height=INT  height of output image. default: 480.
  -d INT, --distance=INT
                        distance from view point to screen. default: 1000.
  -e FLOAT, --epsilon=FLOAT
                        stop tracing after the intensity of ray reaches epsilon.
                        default: 0.01.

参数说明

• 宽度： 输出图片的宽度。
• 高度： 输出图片的高度。
• 视点距离： 假象视点距离屏幕的距离，单位为像素值。
• 递归深度： 当每条光线强度减小为一定倍数后停止追踪，默认为1%。

输入文件格式

程序接受输入Json格式的场景文件，文件中描述了物体和光源的属性。参见scene/文件夹中的样例。

每个Json文件包含三个部分：objects, lights, points, 每个部分对应一个Array。

objects

该部分包含了场景中的物体，type值表示物体的类型，其取值有以下几种：

• ball: 球体，另外需要center和radius两个值分别表示圆心和半径。圆心用一个三维数组表示(x, y, z)值，以下所有坐标点都如此。
• GridSurface: 网格纹理平面，另外需要triangle, colors和grid_width三个值，triangles包含三个点确定该平面，colors包含两个颜色，后者表示网格边长。颜色使用一个三维数组表示rgb值，取值为0-1。
• ImageSurface: 图片纹理品面，另外需要triangle, img两个值，前者包含三个点确定该平面，并且三个点(a, b, c)中a->b和a->c分别为图片长宽两个方向的基，即可以对图片进行放缩。
• Body: 由三角面片组成的物体，另外需要triangles描述其三角面片。triangles中的每个三角面片的表示可以由三个坐标点构成，也可以由三个字符串表示，每个字符串表示points中对应的点。另外，也可以指定objfile即物体的.obj描述文件而不需要triangles。

对于Body中使用obj文件的情况，另外可以指定以下值对物体缩放或移动：

• rotate_x, rotate_y, rotate_z：沿x, y, z轴对物体旋转，角度制。
• resize：对物体放缩的倍数。
• move：一个三维数组，表示沿xyz方向移动的值。

另外，对于以上四种物体还有一些通用的属性，如下：

• N: 物体的折射率，默认为1.2。
• reflection_fact: 经过该物体反射后光线衰减的系数。
• refraction_fact: 经过该物体折射后光线衰减的系数。
• specular_power: 镜面反射的一个系数，越大表示物体越光滑。
• specular_fact: 一个三维数组，表示对rgb三种颜色分别的镜面反射系数。
• diffuse_fact: 一个三维数组，表示对rgb三种颜色分别的漫反射系数（通常表现为物体的颜色）。

lights

该部分包含了场景中的灯光，每个灯光由point和color组成，分别代表光源的位置和颜色。前者为一个三维数组表示坐标，后者为一个三维数组表示颜色，颜色从0-255（也可以超过255表示更强的光）。

points

包含若干个字符串对应的点，被objects中的Body使用。

代码基本结构

几个类的继承和包含关系如下。

\

Geometry类

这是一个描述几何物体的基类，继承出Sphere和Triangle两个子类。 该基类包含以下两个函数：

virtual Number closestIntersection(Ray & ray) = 0;
virtual Vec getLawVec(const Vec & p) = 0;

closestIntersection函数用于计算一条光线与该几何体最近的交点，getLawVec计算一个点的法向量。

Object类

这是一个描述物体的基类，包含折射率、各种反射系数、各种折射系数等信息，继承出Surface，Ball，Body等子类。该基类包含以下函数：

virtual Number closestIntersection(HandlingRay & h) = 0;
virtual Vec getDiffuseFace(const Vec & p) const;
Ray reflect(HandlingRay & h);
Ray refract(HandlingRay & h);
Color lambert(HandlingRay & h, const Color & light_color);

其中，只有closestIntersection这个用于计算光线交点的函数，与不同物体的本身属性有关，是纯虚函数，其余函数均不需要子类另外实现。

• getDiffuseFace函数返回一个点的漫反射折射率，需要时子类可以重载从而产生纹理。
• reflect函数根据入射光和物体在该点的法向量返回出射光。
• refract函数返回折射的出射光，同时考虑从外面进入和从物体内部射出的情况。
• lambert函数返回该点的lambert模型计算出的颜色值。

其他

• Scene: 表示一个场景，包含所有物体和光源。
• Ray: 表示一条光线，包含起始点、方向、所处介质的折射率。
• Light: 表示一个光源，包含位置和颜色。
• Output: 输出用，继承出PngOutput。
• ContainBox: 层次包围盒（八叉树），在下面的加速实现中会提到。

基本算法

对于屏幕上的每一个像素，算法流程如下：

1. 构造一条从视点到屏幕上该像素的光线。
2. 计算该光线与场景中所有物体最近的交点，若没有交点则结束。
3. 对于场景中每个光源，若光源到该点之间没有其他物体，则根据Phong模型计算该光源对该点的颜色贡献值。
4. 计算这个物体对光线的折射和反射，若光线强度值不小于阈值则对两条光线分别执行步骤2。

其他特性

代码中实现了几个常见的加速技术，对于一个拥有三个球体、数万三角面的物体的场景，在一台Linode 512服务器上渲染640x480像素的图片需要时间仅为数十秒。

• 层次包围盒：使用八叉树实现，若一个包围盒中三角面的数量大于5个则将其继续分割为8个包围盒，分割后每个包围盒根据自身包含的三角面调整自己的大小。
• 多线程：使用OpenMP实现多线程，由于光线跟踪算法高并行的特性，多线程加速效果很好。由于场景不同地方物体数量差距很大，计算每行像素所花时间差距很大，因此OpenMP使用动态任务分配。

另外，考虑到颜色值可能大于255造成过曝，最后使用$1-e^x$公式进行曝光修正。

感谢

使用了以下开源代码：

• Hong Jiang [email protected] 等的jsonxx库。
• Johannes Weißl [email protected] 的OptionParse库。

参考了http://www.codermind.com/articles/Raytracer-in-C++-Part-I-First-rays.html的代码。

感谢老师和助教。