周弈帆的博客
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CPU光线追踪C++OpenGL实现

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由于套暑研要准备一个简单的简历，我打算总结一下之前做的一些项目，发博客并上传Github。虽然我能明确地知道，做这些事情对看我简历的人来说毫无影响，但写博客记录自己人生是我自己想做的一件事。

做之前这些项目的时候我都没有去写博客，当时我还没有想好博客该怎么用。以后应该不会出现这些情况了。只要是有一些规模的项目，我都会把从技能学习到编程实现的整个过程发到博客上。

写这个项目是因为我图形学的导师在写一本图形学教程书，其中有一些习题要附上源代码。他让我帮忙实现真实感渲染章节的习题，顺便学习一下这一章的内容。

由于是项目总结，内容会十分简略。

CPU光线追踪C++OpenGL实现

Github地址

https://github.com/SingleZombie/Ray-Tracing-OpenGL

编译项目需要包含一些额外的文件，具体的要求见Github里的readme。

任务定义

实现一个使用光线追踪技术渲染的场景：一个带反射的球放在黑白相间的棋盘格地面上。

知识背景

光线追踪的思想比较简单：以摄像机为端点，向屏幕上每一个像素的处发射一条光线。光线接触到第一个物体后，既会接收物体自身的颜色，还会进行反射和折射，产生更多的光线。这些后续的反射、折射以及物体本身的颜色都会对最开始的这条光线产生贡献。这条光线的强度就能转化成产生光线的像素的颜色值。

从实现的角度来看，光线追踪就是一个递归的过程。为了计算一条光线的强度，还要计算它反射光和折射光的强度。

由于光每次都可以反射和折射，光线与物体的碰撞次数与递归层数成指数级增长，并且客观上光线的反射和折射是无穷无尽的，光线追踪算法需要一些停止递归的规则。递归层数过多、光没碰到物体都能让算法中止。不过即使有了一些限制规则，不经过优化的光线追踪算法运行得依然很慢。

设计

当时我写的伪代码如下：（不过是写完了程序再写的）

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// plane是一个平面结构，分量有平面上任意一点、平面法向量、材质
// ball是一个球体结构，分量有中心点、半径、材质
// scene是一个场景类，存储了平面、球等物体，存储了光照信息，可以进行光线追踪计算
// pixelPos表示屏幕上某个像素在世界坐标的位置
// ray是一个光线结构，表示从观察点射向pixelPos的一条光线
// color(i, j)表示屏幕坐标为(i, j)处的颜色
// CreatePlane(p, n)用平面上一点p和法向量n构造平面
// CreateSphere(p, r)用点p和半径r构造球体
// pixelToWorldPos(i, j)计算屏幕(i, j)处像素在世界坐标的位置
// Ray(p, d)用点p和方向向量d构造光线

plane = CreatePlane(vec3(0, 0, 0), vec3(0, 1, 0));
plane.setMaterial(checkMaterial);
ball = CreateSphere(vec3(0, 1, 0), 1);
ball.setMaterial(ballMaterial);
scene.add(plane);
scene.add(ball);

for i = 1:640
	for j = 1:480
		pixelPos = pixelToWorldPos(i, j);
		ray = Ray(viewPos, pixelPos – viewPos);
		color(i, j) = scene.traceRay(ray, 0);
	end
end

// traceRay(ray, recursionTime)接收参数当前光线ray,当前递归次数recursionTime,递归计算并返回光照强度light
// MAX_RECURSION_TIME为常量最大递归次数，递归超过次次数函数会停止执行
// intersectedPoint表示当前光线照射到的第一个物体的照射点
// intersectedEntity表示当前光线照射到的第一个物体
// normal表示照射点处物体的法向量
// material是一个材质结构，表示照射点处物体的材质，分量有着色比例kShade、反射光比例kReflect、折射光比例kRefract。
// light是表示当前点的光照强度
// reflectDir表示光线经照射点反射后光的方向
// refractDir表示光线经照射点折射后光的方向
// getIntersection(ray)是场景scene的函数，用于计算场景中光线与物体的交点以及照射到的物体
// shade(entity, fragPos, ray)接收参数物体、着色点、光线，利用Phong等局部着色模型计算出该点的光强

function traceRay(ray, recursionTime)
	if (recursionTime >= MAX_RECURSION_TIME) then
		return;
	end
	(intersectedPoint, intersectedEntity) = getIntersection(ray)
	if (intersectedEntity == NULL) then
		return;
end
	normal = intersectedEntity.calNormal(intersectedPoint);
	material = intersectedEntity.calMaterial(intersectedPoint);
	light = material.kShade * 
shade(intersectedEntity, intersectedPoint, ray);
	if (material.kReflect > 0) then
reflectDir = reflect(ray.direcion, normal);
		light += material.kReflect * 
traceRay(Ray(intersectedPoint, reflectDir), recursionTime + 1);
	end
	if (material.kRefract > 0) then
		if (intersectedEntity.rayEnterEntity(ray)) then
			refractDir = 
refract(ray.direction, -normal, material.index, airIndex);
else 
			refractDir = 
refract(ray.direction, normal, airIndex, material.index);
end
		light += material.kRefract * 
traceRay(Ray(intersectedPoint, refractDir), recursionTime + 1);
	end
	return light;
end

实现方法

从软件工程的角度来看，根据光线追踪的描述，很快可以得到编程所涉及的对象：射线（光线）、物体、光源、场景。物体、光源属于场景，每帧从视点向所有像素发出光线与物体判断相交，计算颜色时要用到光源、物体参数。再具体来说，光源包含颜色等参数，物体包含自身的几何信息及材质信息。有了类和类间关系，代码结构很容易写出来。

从算法实现的角度来看，只要理解了光线追踪算法，看懂了上面的伪代码，很容易写出对应的代码。

由于光线追踪算法的像素值完全来自射线和物体的交，物体可以以解析式的形式定义。比如球只需要定义一个中心点位置，一个半径。在判断射线和物体的交时，求解一个射线的参数方程即可。

结果