Rhacoal / Autumn2021-Computer-Graphics

计算机图形学基础 作业3

测试环境

Windows 10 x64 10.0.19041.1151 (NVIDIA GeForce RTX 2080Ti 11GB)
macOS Big Sur 11.3 (AMD Radeon Pro 5500M 8GB)

OpenGL 4.1 (core profile)
OpenCL 1.2

编译与运行

使用 CMake 构建。

在以下平台测试编译运行过

• Windows 10 Visual Studio 2019 16.11.5 MSVC 14.29.30133
• Windows 10 g++ 11.2.0 (winlibs)
• macOS 11.3 clang 12.0.0

可以通过命令行指定一些运行参数，例如

assignment.exe cpu w1920 h1080

• cpu 可选，表示光追使用 CPU 渲染，否则为 OpenCL 渲染
• wXXX hXXX 可选，必须同时指定或不指定，表示光追的渲染分辨率。默认为 1024x576

如果需要编译一个不依赖 OpenCL 的版本，可以在 CMake 参数中添加 -DNO_CL=true。在此版本下，不论是否使用 cpu 命令行参数启动，均会使用 cpu 渲染。

依赖库

• glad, glfw, glm 基础库
• cl.hpp OpenCL 的 C++ Wrapper
• tinydialog 跨平台的 native 文件打开对话框
• nlohmann/json json 序列化与反序列化
• imgui GUI 组件
• stb_image 图像加载
• assimp 资源加载

功能与实现

在两次作业中实现了一个简易的图形框架，支持：

• 对象层级结构
• 材质 (Blinn-Phong 和 Cock-Torrance)
• 三角形网格

并进行了一定的封装。代码见 lib 目录

并通过 OpenCL 实现了一个简单的路径追踪器，代码见 lib/shaders/raytracing.cpp (同时是 C++ 和 OpenCL 程序) 和 lib/raytracing/rt.cpp (C++ Wrapper)。也可以使用纯 CPU 渲染，在启动命令行中添加 cpu 即可。 CPU 渲染通过 include/simcl.h 模拟 OpenCL 的库函数。

主程序位于 src/appmain.cpp

控制

• 按住 ALT 键移动鼠标旋转视角
  • 使用上下左右键也可以旋转视角
• WASD 控制相机水平移动，Q 向上移动，E 向下移动
• 窗口可以调整大小 (光追模式下，窗口大小调整不会影响渲染目标分辨率)
• 左上角的面板中，filters 下有三个后处理器可以开关
  • invert color 反相
  • grayscale 灰度
  • gamma correction 伽马校正 (默认开启)
• skybox 开关控制天空盒是否显示
• export (E) 将路径追踪的图像输出到 output.png 文件
  • 也可以按 E 键作为替代：当帧数很低的时候，ImGui 会检测不到点击
  • 反相和灰度效果不会被作用于输出
  • 伽马校正会被作用于输出

场景加载

可以加载自定义的 json 格式场景

{
  "materials": [              // 所有材质
    {
      "id": "mtl-ball",       // 材质的 ID，会被物体引用
      "type": "standard",
      "albedo": { "texture": "material/rustediron2/rustediron2_basecolor.png" },
      "metallic": { "texture": "material/rustediron2/rustediron2_metallic.png" },
      "roughness": { "texture": "material/rustediron2/rustediron2_roughness.png" }
    },
    // ...
  ],
  "objects": [                // 所有物体
    {
      "id": "ball1",
      "geometry": {           // 几何信息
        "type": "sphere",     // 支持 "box", "sphere", "plane" 和 "file"
        "radius": 1.0
      },
      "position": [3.0, 1.0, -2.0],
      "material": "mtl-ball"  // 引用的材质 ID，或材质信息结构体
    },
    {
      "id": "bunny",
      "geometry": {
        "type": "file",       // 从文件读取几何信息
        "file": "object/bun_zipper_res2.ply"
      },
      "position": [-2.0, 0.0, -2.0],
      "scale": [10.0, 10.0, 10.0],
      "material": "mtl-bunny"
    },
    {
      "id": "light",
      "isLight": true,        // 标记 isLight 的物体会在路径追踪时被作为光源处理
      "position": [0.0, 5.0, 0.0],
      "geometry": {
        "type": "plane",
        "size": [0.5, 0.5]
      },
      "material": "mtl-light"
    },
    // ...
  ]
}

在程序中，通过左上方 load_scene... 按钮选择场景文件进行加载。

json 读取使用 nlohmann 库，ply 读取使用 assimp 库。实现见 lib/imported/obj_loader.cpp。

滤镜

基于 FBO 实现了反相和灰度滤镜。

局部光照明模型

点击左上角的 "load scene..." 加载场景。实际使用的场景见 assets/scene/scene.json。

局部光照明使用 Cock-Torrance 模型。实现见 lib/shaders/standard.vsh 和 lib/shaders/standard.fsh`，使用 albedo/metallic/roughness 工作流。

图中上方的正方形处是点光源。

路径追踪

路径追踪的实现见 lib/shaders/raytracing.cpp (同时是 cpp 代码和 OpenCL 代码)。

点击左上角的 "enable ray tracing" 开启光线追踪。

实现了基于蒙特卡洛积分方法的路径追踪器，采用 Disney BSDF 光照模型，即分解为 Diffuse BRDF, Specular BRDF 和 Specular BSDF 三部分进行计算，通过一个启发式的概率函数在三种传播间随机选择。

文档开头的图片使用 OpenCL 在 NVIDIA RTX 2080Ti 上渲染，场景共 871,414 个三角形，分辨率 3840x2160，40000 spp，1 spp 的计算大约需要 1050ms。

最大允许十次光线弹射，使用俄罗斯轮盘赌控制终止。射线方向采用光源采样和 Cosine-weighted Hemisphere Sampling。本节开头的图片，因为有光源采样，在 17 spp 下也能看到一个较为明亮的场景。

只要不移动视角，spp 就会不断积累。点击 reload shader 可以重新加载 lib/shaders/raytracing.cpp 中的 OpenCL 程序。(对于 CPU 渲染，这一操作无效)

贴图通过将像素按 row-major 展开为一维向量传入 OpenCL，采样使用双线性插值，即采集采样点附近的四个像素的颜色插值，贴图边缘 wrapping。

相交检测和加速结构

加速结构采用了 BVH，基于轴对其包围盒的最长轴进行分割。

线与三角形相交使用 Möller-Trumbore 算法，参考 Ray Tracing: Rendering a Triangle 的实现。

性能对比

CPU 渲染使用 Ryzen R9 5900X，16 线程并行
GPU 渲染使用 NVIDIA GeForce RTX 2080Ti
simple 场景有 4,950 个三角形，complex 场景有 871,414 个三角形

每个 spp 用时

场景	CPU	OpenCL(GPU)
simple	227ms	21ms
complex	559ms	56ms

由于 CPU 和 OpenCL 两者使用同一份 codebase，故渲染效果上并无区别，但性能上有约 10 倍的差异。

可以注意到，虽然两个场景有 176 倍的三角形数量差异，但复杂场景的用时只是简单场景的约 2.5 倍，可以认为 BVH 加速起到了明显的效果。