Games101：作业7（含提高部分）

目录 

作业要求

任务分析

提高部分1：多线程

提高部分2：Microfacet

参考链接

        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。至此，我们已经来到了光线追踪版块的最后一节内容。         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& dirIsNeg) in the Bounds3.hpp: 这个函数的2 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 .

        

        在本次实验中，你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

        本次的任务即完整的实现整个path-tracing，但其实由于前面作业的铺垫，再本次作业中只需要实现castRay，即课上所讲的shade(p,w0)，如下图课件所示。

        但是上面的代码有两个问题：

        ①如果wo直接打到光源，则返回光源信号

        ②如果物体和光源之间有阻碍，则无法得到光源照射，见下图：

        当然，理论和实践之间还是有一定距离的， 本次作业的框架的定义与课件有所不同，具体体现在一些获取变量的函数所需传递的参数上，文档也已给出一个很详尽的伪代码：

         我再借助下面这张图说一下整个流程（图源自水印，侵删，网址在参考链接2）。首先我们已经得到了一条从像素打过来的光线wo：

        1）如果wo没有打到物体（即没有交点），返回（0,0,0）

        2）如果wo打到光源，返回光源信息

        3）如果wo打到物体，则要返回该物体对应的光照下的信息，该光照包括两部分，分别来自直接光源和反射光的间接光源：

                i.直接光源需要对当前环境下的光随机采样，得到一个交点和该采样结果的pdf。但是由于光源是随机采样，所以还需从物体向光源方向发射光线，看这个光线能否打到光源，以此判断是否有物体挡在此光源和物体之间

                ii.间接光源需要先利用俄罗斯轮盘赌判断间接光能否发生以此控制d射次数，若能发生随机采样一个入射方向wi（这个随机采样实际是把wo当做入射方向，随机旋转一定角度得到“出射方向”wi，因为已知wo求wi），如果这个方向能够打到一个不发光的物体则返回其间接光照

         以上整个过程需要用到文档中所需要的各个函数，所以建议先理解其各个函数的意义，这里列出一些我标出注释的：

//判断光线是否与当前场景中的某个包围盒相交
Intersection Scene::intersect(const Ray &ray) const
{
    return this->bvh->Intersect(ray);
}

//对场景中的光源进行随机采样
void Scene::sampleLight(Intersection &pos, float &pdf) const
{
    float emit_area_sum = 0;
    //发光区域面积
    for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) {
        if (objects[k]->hasEmit()){
            emit_area_sum += objects[k]->getArea();
        }
    }
    //对在场景的所有光源上按面积均匀 sample 一个点，并计算该 sample 的概率密度
    float p = get_random_float() * emit_area_sum;
    emit_area_sum = 0;
    for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) {
        if (objects[k]->hasEmit()){
            emit_area_sum += objects[k]->getArea();
            if (p <= emit_area_sum){
                //对光源采样，得到位置和pdf(均匀采样 1/S)
                objects[k]->Sample(pos, pdf);
                break;
            }
            //写不写都行，具体运行之后无意义
            else
                break;
        }
    }
}

    void Sample(Intersection &pos, float &pdf){
        //2*PI
        float theta = 2.0 * M_PI * get_random_float();
        //PI
        float phi = M_PI * get_random_float();
        //cos,sin*cos,sin*sin,空间参数坐标系
        Vector3f dir(std::cos(phi), std::sin(phi)*std::cos(theta), std::sin(phi)*std::sin(theta));
        //圆心+半径*dir
        pos.coords = center + radius * dir;
        pos.normal = dir;
        pos.emit = m->getEmission();
        pdf = 1.0f / area;
    }

Vector3f Material::eval(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N){
    switch(m_type){
        case DIFFUSE:
        {
            // calculate the contribution of diffuse   model
            //这里认为diffuse均匀反射,每个方向的概率都是kd/PAI
            float cosalpha = dotProduct(N, wo);
            if (cosalpha > 0.0f) {
                Vector3f diffuse = Kd / M_PI;
                return diffuse;
            }
            else
                return Vector3f(0.0f);
            break;
        }
    }
}

float Material::pdf(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N){
    switch(m_type){
        case DIFFUSE:
        {
            // 均匀采样，uniform sample probability 1 / (2 * PI)
            if (dotProduct(wo, N) > 0.0f)
                return 0.5f / M_PI;
            else
                return 0.0f;
            break;
        }

        在代码实现中，需要注意浮点数的处理，在判断光线与物体之间是否有障碍物的时候，是比较光物距离①是否等于从物体向光源方向到相交物体的距离②。对于浮点数相等的比较一般是看是否在一个较小区间，又因为①一定大于等于②，所以①-②>= EPSION即可，在我的电脑运行过程中，EPSION取0.001最好。同样的在判断inline bool Bounds3::IntersectP时，需要写成t_enter<=t_exit，对浮点数处理，否则会导致部分地方是黑的：

         最终代码如下：

// Implementation of Path Tracing
Vector3f Scene::castRay(const Ray &ray, int depth) const
{
    // TO DO Implement Path Tracing Algorithm here
    Vector3f L_dir;
    Vector3f L_indir;

    // 从像素发出的光线与物体的交点
    Intersection obj_inter = intersect(ray);
    if(!obj_inter.happened)
        return L_dir;

    // 打到光源
    if(obj_inter.m->hasEmission())
        return obj_inter.m->getEmission();

    // 打到物体
    Vector3f p = obj_inter.coords;
    Material* m = obj_inter.m;
    Vector3f N = obj_inter.normal.normalized();
    Vector3f wo = ray.direction; // 像素到物体的向量
    
    // 有交点，对光源采样
    float pdf_L = 1.0; //可以不初始化
    Intersection light_inter ;
    sampleLight(light_inter,pdf_L);    // 得到光源位置和对光源采样的pdf
    
    Vector3f x = light_inter.coords;
    Vector3f ws = (x - p).normalized(); //物体到光源
    Vector3f NN = light_inter.normal.normalized();  
    Vector3f emit = light_inter.emit;
    float d = (x-p).norm();
    
    // 再次从光源发出一条光线，判断是否能打到该物体，即中间是否有阻挡
    Ray Obj2Light(p,ws);
    float d2 = intersect(Obj2Light).distance;
    // 是否阻挡，利用距离判断，需注意浮点数的处理
    if(d2-d > -0.001){
        Vector3f eval = m->eval(wo,ws,N); // wo不会用到
        float cos_theta = dotProduct(N,ws);
        float cos_theta_x = dotProduct(NN,-ws);//ws从物体指向光源，与NN的夹角大于180
        L_dir = emit * eval * cos_theta * cos_theta_x / std::pow(d,2) / pdf_L;
    }
    
    // L_indir
    float P_RR = get_random_float();
    if(P_RRsample(wo,N).normalized();
        Ray r(p,wi);
        Intersection inter = intersect(r);
        // 判断打到的物体是否会发光取决于m
        if(inter.happened && !inter.m->hasEmission()){
            Vector3f eval = m->eval(wo,wi,N);
            float pdf_O = m->pdf(wo,wi,N);
            float cos_theta = dotProduct(wi,N);
            L_indir = castRay(r, depth+1) * eval * cos_theta/ pdf_O / RussianRoulette;
        }
    }
    //4->16min
    return L_dir + L_indir;
}

           下图为sps=16的情况：

        这部分可以学习一下多线程的使用C++11 多线程（std::thread）详解_sjc_0910的博客-CSDN博客_c++多线程

        需要注意的是对于progress的更新，由于各个线程并行执行访问progress，为了防止修改被吞掉，需要将其设成同步量。我这里使用的是 条形分隔（每一列 或 每一行 为一个线程，更利于编程）

//
// Created by goksu on 2/25/20.
//

#include 

#include "Scene.hpp"
#include "Renderer.hpp"
#include 
#include 


inline float deg2rad(const float& deg) { return deg * M_PI / 180.0; }

const float EPSILON = 0.00001;
std::atomic_int progress = 0;

// The main render function. This where we iterate over all pixels in the image,
// generate primary rays and cast these rays into the scene. The content of the
// framebuffer is saved to a file.
void Renderer::Render(const Scene& scene)
{
    std::vector 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);

    // change the spp value to change sample ammount
    // spp： sample per pixel
    int spp = 16;  //原本16
    std::cout << "SPP: " << spp << "\n";
    int thred = 24;
    int per = scene.height/thred;  // 960/24=40
    std::thread th[24]; //多线程
    auto renderRow = [&](uint32_t lrow, uint32_t hrow){
        for (uint32_t j = lrow; j < hrow; ++j) {
            for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) {
                // generate primary ray direction
                float 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));  // ??? (x,y,-1) ???
                
                for (int k = 0; k < spp; k++){
                    framebuffer[(int)(j*scene.width+i)] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp;  
                }
            }
            progress += 1;
            UpdateProgress(progress / (float)scene.height);
        }
    };

    for(int i=0;i

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(RayTracing)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
find_package(Threads) //引入外部依赖包

add_executable(RayTracing main.cpp Object.hpp Vector.cpp Vector.hpp Sphere.hpp global.hpp Triangle.hpp Scene.cpp
        Scene.hpp Light.hpp AreaLight.hpp BVH.cpp BVH.hpp Bounds3.hpp Ray.hpp Material.hpp Intersection.hpp
        Renderer.cpp Renderer.hpp)

target_link_libraries (${PROJECT_NAME} ${CMAKE_THREAD_LIBS_INIT}) //链接 Thread 库

   MeshTriangle(const std::string& filename, Material *mt = new Material(), 
        Vector3f Trans = Vector3f(0.0,0.0,0.0), Vector3f Scale = Vector3f(1.0,1.0,1.0))
    {
        objl::Loader loader;
        loader.LoadFile(filename);
        area = 0;
        m = mt;
        assert(loader.LoadedMeshes.size() == 1);
        auto mesh = loader.LoadedMeshes[0];

        Vector3f min_vert = Vector3f{std::numeric_limits::infinity(),
                                     std::numeric_limits::infinity(),
                                     std::numeric_limits::infinity()};
        Vector3f max_vert = Vector3f{-std::numeric_limits::infinity(),
                                     -std::numeric_limits::infinity(),
                                     -std::numeric_limits::infinity()};
        for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) {
            std::array face_vertices;

            for (int j = 0; j < 3; j++) {
                auto vert = Vector3f(mesh.Vertices[i + j].Position.X,
                                     mesh.Vertices[i + j].Position.Y,
                                     mesh.Vertices[i + j].Position.Z);
                vert = Scale*vert+Trans;
                face_vertices[j] = vert;

                min_vert = Vector3f(std::min(min_vert.x, vert.x),
                                    std::min(min_vert.y, vert.y),
                                    std::min(min_vert.z, vert.z));
                max_vert = Vector3f(std::max(max_vert.x, vert.x),
                                    std::max(max_vert.y, vert.y),
                                    std::max(max_vert.z, vert.z));
            }

            triangles.emplace_back(face_vertices[0], face_vertices[1],
                                   face_vertices[2], mt);
        }

        bounding_box = Bounds3(min_vert, max_vert);

        std::vector ptrs;
        for (auto& tri : triangles){
            ptrs.push_back(&tri);
            area += tri.area;
        }
        bvh = new BVHAccel(ptrs);
    }

    ....
    Material* whiteM = new Material(Microfacet, Vector3f(0.0f));
    whiteM->Ks = Vector3f(0.45, 0.45, 0.45);
	whiteM->Kd = Vector3f(0.3, 0.3, 0.25);
    Material* light = new Material(DIFFUSE, (8.0f * Vector3f(0.747f+0.058f, 0.747f+0.258f, 0.747f) + 15.6f * Vector3f(0.740f+0.287f,0.740f+0.160f,0.740f) + 18.4f *Vector3f(0.737f+0.642f,0.737f+0.159f,0.737f)));
    light->Kd = Vector3f(0.65f);

    MeshTriangle floor("../models/cornellbox/floor.obj", white);
    // MeshTriangle shortbox("../models/cornellbox/shortbox.obj", white);
    // MeshTriangle tallbox("../models/cornellbox/tallbox.obj", white);
    MeshTriangle bunny("../models/bunny/bunny.obj", whiteM, Vector3f(300,0,300), 
        Vector3f(2000,2000,2000));
    MeshTriangle left("../models/cornellbox/left.obj", red);
    MeshTriangle right("../models/cornellbox/right.obj", green);
    MeshTriangle light_("../models/cornellbox/light.obj", light);

    scene.Add(&floor);
    // scene.Add(&shortbox);
    // scene.Add(&tallbox);
    scene.Add(&bunny);
    scene.Add(&left);
    scene.Add(&right);
    scene.Add(&light_);
    ...