【UE4】GAMES101 图形学作业7：光线追踪 Path Tracing

又名蒙特卡洛路径追踪

总览

• 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。请认真阅读本文档，按照本文档指示的流程完成本次实验。

代码框架

• 修改的内容
  相比上一次实验，本次实验对框架的修改较大，主要在以下几方面：
  • 修改了main.cpp，以适应本次实验的测试模型CornellBox
  • 修改了Render，以适应CornellBox 并且支持Path Tracing 需要的同一Pixel多次Sample
  • 修改了Object，Sphere，Triangle，TriangleMesh，BVH，添加了area 属性与Sample 方法，以实现对光源按面积采样，并在Scene 中添加了采样光源的接口sampleLight
  • 修改了Material 并在其中实现了sample, eval, pdf 三个方法用于Path Tracing变量的辅助计算
• 你需要迁移的内容
  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<int, 3>& dirIsNeg) in the Bounds3.hpp:
    这个函数的作用是判断包围盒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.
• 本次作业需要实现的内容
  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
    • ampleLight(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

  • Path Tracing 的实现说明
    课程中介绍的Path Tracing 伪代码如下(为了与之前框架保持一致，wo 定义与课程介绍相反):

    

    按照本次实验给出的框架，我们进一步可以将伪代码改写为：

    shade (p, wo)
      sampleLight (inter , pdf_light )
      Get x, ws , NN , emit from inter
      Shoot a ray from p to x
      If the ray is not blocked in the middle
    	  L_dir = emit * eval(wo , ws , N) * dot(ws , N) * dot(ws , NN) / |x-p|^2 / pdf_light
    	
    	L_indir = 0.0
    	Test Russian Roulette with probability RussianRoulette
    	wi = sample (wo , N)
    	Trace a ray r(p, wi)
    	If ray r hit a non - emitting object at q
    		L_indir = shade (q, wi) * eval (wo , wi , N) * dot(wi , N) / pdf(wo , wi , N) / RussianRoulette
    	
    	Return L_dir + L_indir
    

注意事项

1. 本次实验代码的运行非常慢，建议调试时调整main.cpp 中的场景大小或Render.cpp 中的SPP 数以加快运行速度；此外，还可以实现多线程来进一步加快运算。
2. 注意数值精度问题，尤其注意pdf 接近零的情况，以及sampleLight 时判断光线是否被挡的边界情况。这些情况往往会造成渲染结果噪点过多，或出现黑色横向条纹。

材质的拓展

• 目前的框架中拆分sample, eval, pdf，实现了最基础的Diffuse 材质。请在不破坏这三个函数定义方式的情况下修改这三个函数，实现Microfacet 模型。
• 本任务不要求你实现复杂的采样手段，因此你依然可以沿用Diffuse 材质采用的sample与pdf 计算。
• Microfacet 相关知识见第十七讲Slides https://sites.cs.ucsb.edu/~lingqi/teaching/resources/GAMES101_Lecture_17.pdf

评分

• [5 points] 提交格式正确，包含所有需要的文件；代码可以在虚拟机下正确编译运行。
• [45 points] Path Tracing：正确实现Path Tracing 算法，并提交分辨率不小于512*512，采样数不小于8 的渲染结果图片。
• [加分项10 points] 多线程：将多线程应用在Ray Generation 上，注意实现时可能涉及的冲突。
• [加分项10 points] Microfacet：正确实现Microfacet 材质，并提交可体现Microfacet 性质的渲染结果。

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UE4 实现

• 版本 4.26.2

• 原文地址

• Render(const Ray& ray, int depth) 和 castRay(const Ray ray, int depth)

  //【多线程】
  FVector AHw7_Main::Render(const Ray& ray, int depth)
  {
  	FVector hitColor = FVector::ZeroVector;
  	for (int i = 0; i < SPP; i++)
  	{
  		hitColor += castRay(ray, depth);
  	}
  	hitColor /= SPP;
  	return hitColor;
  }
  
  //【多线程】
  FVector AHw7_Main::castRay(const Ray& ray, int depth)
  {  
  	Intersection hit_inter =  bvhTree->Intersect(ray); // 获取相交信息
  	FVector hitColor = FVector::ZeroVector;
  	if (hit_inter.happened) {
  		// 判断是否直接打中发光源
  		if (hit_inter.m->hasEmission()) {
  
  			if (depth == 0) {
  				// 主线程中绘制
  				hitColor = hit_inter.m->getEmission();
  				if (bAllowDrawDebug) {
  					AsyncTask(ENamedThreads::GameThread, [=]()
  						{
  							UKismetSystemLibrary::DrawDebugLine(GetWorld(), ray.origin, hit_inter.coords,
  								hitColor, 0.1f, 1.0f);
  						}
  					);
  				}
  				return hitColor;
  			}
  			else // 间接打到光源
  				return FVector::ZeroVector;
  		}
  		//return hitColor;
  
  		FVector hit_pos = hit_inter.coords;
  		FVector hit_normal = hit_inter.normal;
  
  		// 直接光照
  		FVector L_dir = FVector::ZeroVector;
  		Intersection light_inter;
  		float light_pdf = 0;
  		sampleLight(light_inter, light_pdf);  //随机采样光照，用采样结果判断是否打到光源
  
  		FVector light_dir = light_inter.coords - hit_pos;
  		float light_distance2 = FVector::DotProduct(light_dir, light_dir);
  		light_dir.Normalize();
  
  		Ray light_ray = Ray(hit_pos, light_dir);
  		Intersection Inter_light_2_point = bvhTree->Intersect(light_ray); // 反射光线
  
  		// 如果打到光源
  		if (Inter_light_2_point.happened && Inter_light_2_point.m->hasEmission()) {
  			// L_dir = L_i * f_r * cos_theta * cos_theta_x / |x-p|^2 / pdf_light
  			// L_dir = emit * eval(wo , ws , N) * dot(ws , N) * dot(ws , NN) / |x-p|^2 / pdf_light
  
  			FVector L_i = light_inter.emit;
  			FVector f_r = hit_inter.m->eval(ray.direction, light_dir, hit_normal);
  			float cos_theta = FVector::DotProduct(hit_normal, light_dir);
  			float cos_theta_x = FVector::DotProduct(-light_dir, light_inter.normal); //此处注意向量方向
  			L_dir = L_i * f_r * cos_theta * cos_theta_x / light_distance2 / light_pdf;
  		}
  
  		// 间接光照
  		FVector L_indir = FVector::ZeroVector;
  		if (UKismetMathLibrary::RandomFloat() < RussianRoulette) {
  			FVector next_dir = hit_inter.m->sample(ray.direction, hit_normal);
  			next_dir.Normalize();
  
  			Ray next_ray(hit_pos, next_dir);
  			Intersection next_hit_inter = bvhTree->Intersect(next_ray);
  
  			if (next_hit_inter.happened && !next_hit_inter.m->hasEmission()) {
  				// L_indir = shade (q, wi) * f_r * cos_theta / pdf_hemi / P_RR
  				// L_indir = shade (q, wi) * eval (wo , wi , N) * dot(wi , N) / pdf(wo , wi , N) / RussianRoulette
  
  				FVector f_r = hit_inter.m->eval(ray.direction, next_dir, hit_normal);
  				float pdf = hit_inter.m->pdf(ray.direction, next_dir, hit_normal);
  				float cos_theta = FVector::DotProduct(hit_normal, next_dir);
  				L_indir = castRay(next_ray, depth + 1) * f_r * cos_theta / pdf / RussianRoulette;
  
  			}
  		}
  		hitColor = L_dir + L_indir;
  		if (bAllowDrawDebug){
  			AsyncTask(ENamedThreads::GameThread, [=]()
  				{
  
  					UKismetSystemLibrary::DrawDebugLine(GetWorld(), ray.origin, hit_pos, hitColor, 0.1f, 1);
  				}
  		);
  	}
  	}
  	return hitColor;
  }
  

• 多线程

  1. 利用 FRunnable 根据cpu核心数创建多个线程，暂时称为 calc线程
  2. GameThread 预计算屏幕坐标，将数据压队TQueque rayTraceQueue 队列中
  3. 若rayTraceQueue不为空，calc线程则将数据出队，并开始计算光线路径
  4. 根据 spp数计算光线后，将色值压队到 TQueque pixelQueue 队列中
  5. GameThread 每次取出 pixelQueue 固定数量的数据，将其写入到Texture2D当中并更新

• Microfacet 材质（未实现）

效果

• jpg

  

  
  

• gif
  

  

小结

• 向量计算的时候需要注意方向取值，否则效果不对
• 向量转颜色的时候注意范围，否则颜色不对
• TQueue 可以用于主线程和多线程之间的数据通信。它是一种无锁的不限制大小的队列，支持SPSC（单生产者单消费者）/MPSC（多生产者单消费者）两种模式。注意TQueue 析构导致Tail is nullptr，从而访问无效而崩溃
• 本次在多线程中调用了主线程中的函数，但这些函数只是利用主线程中的数据进行计算，暂时没出什么问题。
• UMG 更新贴图比较慢，创建材质实例赋给image
• 轮盘赌概率采样……

附录

• 文件说明. 原文地址

  

• 源码

• 作业8 弹簧物理模拟（跳过）