基于光线追踪的模型渲染

该项目是我计算机图形学的第三次作业。在本项目中，我会用后向光线追踪的算法来渲染模型，输入是一组几何形状，输出是渲染后的图片。该项目一共有两种模式：

点光源渲染：

point_light_source

一共有三种几何形状：

sphere
- position (3 floats)
- radius (1 float)
- diffuse color (3 floats)
- specular color (3 floats)
- shininess (1 float)
triangle
- repeated three times (once for every vertex)
  - position (3 floats)
  - normal (3 floats)
  - diffuse color (3 floats)
  - specular color (3 floats)
  - shininess (1 float)
light
- position (3 floats)
- color (3 floats)

面光源渲染：

area_light_source

一共有三种几何形状，但是与点光源相比，几何体的属性略有不同：

sphere
- position (3 floats)
- radius (1 float)
- diffuse color (3 floats)
- roughness (1 floats)
- metal (1 float)
triangle
- repeated three times (once for every vertex)
  - position (3 floats)
  - normal (3 floats)
  - diffuse color (3 floats)
  - roughness (1 floats)
  - metal (1 float)
light
- repeated four times (once for every vertex of the area light)
  - vertex position (3 floats)
- centroid position (3 floats)
- normal (3 floats)
- color (3 floats)

项目配置环境

Windows系统
visual studio 2017或更高版本

第三方库：

GLUT：用于窗口创建
GLEW：用于OpenGL核心库
GLM：OpenGL数学运算库
jpeg：图像输入输出

项目特色:

通过后向光线追踪渲染模型
使用 Phone 模型决定像素颜色
递归式反射
超级采样抗锯齿（SSAA）
通过蒙特卡洛采样法与BRDF的计算，实现软阴影
构建 bounding volume hierarchy（BVH）与混合空间分割（包括surface area heuristic（SAH））。使用线性树结构加速搜索过程。
在构建BVH和做光线追踪的时候使用多线程来充分利用CPU资源。

如何使用?

点击 RayTracingRender.sln 打开项目
demonstration 文件夹展示了渲染结果
release 文件夹包含了项目编译后的版本，你需要提供2到3个额外的参数

待渲染的模型路径
输出图像的路径
渲染模式（可选）：
- phong：使用点光源与Phong模型进行渲染
- brdf：使用面光源与BRDF进行渲染

Bin文件夹包含了visual studio的输出。请注意项目运行需要用到 glew32.dll 与 freeglut.dll，所以你需要确保这两个文件在项目输出的目录中
main.cpp文件包含了更多的参数设定方式

点击此次获取项目源代码。

技术细节：

1. 多线程执行函数

由于创建和销毁线程都具有开销，所以，在不需要同步的场景中（http服务器）一样，使用线程池是最好的选择。但是在 OpenGL 中，我们需要保持渲染的同步。所以还是创建线程后再用join函数同步是更好的选择，而此时，创建和销毁线程的开销是不可避免的。

我的多线程函数实现很简单，函数在parallel.cpp文件中：

void parallelRun(const std::function<void(long long unsigned int)>& func,
const long long unsigned int length, const int nThreads = std::thread::hardware_concurrency() - 1) {
	std::vector<std::thread> threads_list;
	for (int thread = 0; thread < nThreads; thread++) {
		std::function<void(int)> warper = [&](int start) {
			for (long long unsigned int i = start; i < size; i += nThreads)
				func(i);
		};
		threads_list.push_back(std::thread(warpper, thread));
	}
	for (int thread = 0; thread < nThreads; thread++) {
		threads_list[thread].join();
	}
}

函数的输入是一个需要并行执行的函数，length是总任务数。首先创建一个 warper 函数并分配任务，然后运行 warper 函数，最后使用 join 进行同步。

这个函数也很容易使用，下面的例子展示了如何并行输出0到99：

parallelRun([&](int i) {
    std::cout << i << std::endl;
}, 100);

由于光线追踪是一个很容易并行运算的问题，我们可以使用并行运行函数来独立渲染像素。有关我如何使用此函数绘图的更多信息，请查看 plot.cpp 文件中的 draw_scene() 函数。

2. 递归式反射与衰减系数

在 Phong 渲染的部分（光源是一个 0 维度的点），如果没有反射，那么渲染的结果为：

2.1

下图中，如果没有反射，那么我们只需要计算三角形 1 的 Phong shading，假设颜色为[0, 255, 0]，即绿色。但是在考虑反射的时候，我们发现反射光线是和三角形 2 相交。那么，我们要计算三角形 2 的Phong shading，而这里的颜色是[255, 0, 0]，就是红色。现在，我假设三角形2是一个光源，可以向三角形 1 发射红颜色的光。因此，三角形 1 接收到的最终颜色将是两种颜色的重叠：[0, 255, 0] + [255, 0, 0] = [255, 255, 0]。

2.2