哈喽,呆嘎吼.最近5月13日,官方放出了虚幻5的演示视频,据说是可以同屏显示数亿三角形,从而实时渲染出电影级别的画质,其动态光照效果也是极其逼真.其中提到了Nanite技术与Lumen技术,前者Nanite虚拟几何技术的出现意味着由数以亿计的多边形组成的影视级艺术作品可以被直接导入虚幻引擎，Nanite几何体可以被实时流送和缩放，因此无需再考虑多边形数量预算、多边形内存预算或绘制次数预算了；也不用再将细节烘焙到法线贴图或手动编辑细节层次，这必定是图形学领域革命性的飞跃。后者Lumen是一套全动态全局光照解决方案，能够对场景和光照变化做出实时反应，能在宏大而精细的场景中渲染间接镜面反射和可以无限反弹的漫反射。  这技术也是相当厉害了,甚至标志着影视游戏行业跨入次世代纪元,但是这时外国的公司,我们能有这么炫酷的产品就好了,所以本人趁着疫情在家有空闲时间,尝试从零开始自制基于光线追踪技术的3D影视的渲染器,首先我来展示一下笔者自己自制的光线追踪渲染器效果图.
  如上图所示,笔者自制的光线追踪渲染器,能够实现镜面反射效果和透明折射效果,可以同时支持很多个动态光源,也能随之形成动态阴影效果,而且所有光线可以同时经过很多次反射和折射,上图中的紫色球体形成了镜面反射,悬在空中的透明球体形成了折射倒影,同时还在地面形成了圆形的阴影效果.光线追踪渲染器还能够在任意位置生成平面,从而能够建造出任意想要的虚拟世界,而且能够在物体表面贴上图片从而显示出纹理,上图中就把达芬奇的《蒙娜丽莎》和梵高的《星空》挂到了虚拟的墙壁上.

最后为了能够方便的建造三维虚拟世界,笔者写了个简单的数据导入功能,如上图所示,只需要在文本文件中写上各种物体的位置和颜色,程序就会自动读取文件数据,并生成基于光线追踪的虚拟影像.比如在txt中写一行数据,

Sphere 3 -3 0 0.9 0 0 0 0.5

就表示在光线追踪渲染器中生成一个位置坐标在(3,-3,0)的半径为0.9的反射率为0.5的无色圆球.

光线追踪原理简介

  首先,假设在一个虚拟的三维空间中,有多个光源会发射百万条光线,每条光线都会射向不同的位置和角度,如果光线碰撞到了物体,就会使物体显示出颜色,如果物体表面能够反射光线,就继续计算光线产生镜面反射之后的效果,如果物体是透明的能够折射光线,就继续计算光线穿过物体之后的折射效果,并且光线还能够继续多次反射折射,没有被光线照射到的地方就会随之形成阴影,最后所有反射折射光线进入摄像机,从而在相机底片上形成光影胶片.
但是如果完全按照那种方式来计算的话,所需要的计算量将会很大,为此我们实际上是对光线传播路径进行逆向追踪的,就是假设光线从相机胶片上发射出去,然后视线如果碰撞到了物体,就判断碰撞点和光源点之间是否没有阻挡,如果没有阻挡就显示出颜色,如果物体能够反射,就计算视线反射之后的效果,这种方式就称之为光线追踪技术. 再次给出大致的光线追踪算法流程

color trace(光线的起点,光线的方向){遍历场景中的物体,寻找最近的交点for(场景中的光源){测试交点与光源的连线是否被遮挡if(没有遮挡)color += 光源照射在物体之上表现出来的颜色}if(n < maxN)color += trace()
}

上述伪代码就是大致的光线追踪流程,在trace函数中可以执行多次递归计算,这样就能实现光线的多次反弹效果,最后对整个画面的所有像素点都执行相同的计算过程

for 像素(x,y) in 画面(w,h){光线起点 = 相机位置光线方向 = 计算从相机位置出发,经过像素点(x,y)之后的方向向量像素颜色 = trace(起点,方向)
}

相机起始光线的方向

  假设光线从相机发射出去然后碰撞物体,这时要计算光线的起点和方向向量,起点其实就是相机的位置坐标.
这里的几何关系如上图所示,已知相机的坐标和方向还有像素点在相机胶片的位置坐标(w,h),求经过这个像素点的光线方向,计算公式如下所示

//胶片上像素相对于中心的位置
float w = (x - photo->width/2) * photo->focalScope / photo->width;
float h = (y - photo->height/2) * photo->focalScope / photo->width;
//光线的起点
vec startPoint = vec(photo->center), rayDir, color = vec(0, 0, 0);
//计算每个像素所对应的光线的向量,光线起点为相机坐标
vec temp = vec( photo->photoDir ) * photo->focalDistance;
float x1_y1 = sqrtf(temp.x * temp.x + temp.y * temp.y), x1_y1_z1 = temp.norm();
rayDir.z = temp.z + h * x1_y1 / x1_y1_z1;
rayDir.x = (x1_y1 - h * temp.z / x1_y1_z1) * temp.x / x1_y1 + w * temp.y / x1_y1;
rayDir.y = (x1_y1 - h * temp.z / x1_y1_z1) * temp.y / x1_y1 - w * temp.x / x1_y1;

相机的位置移动和视角转动

  在虚拟现实游戏中,玩家需要能够进行前后左右的位置移动,以及上下左右的视角转动,就像在《绝地求生》游戏中,玩家按WASD就能走动,移动鼠标就能转动视角.
上图所示的是相机的位置移动时的几何关系,具体的计算过程如下

//向前移动
photo->center.x += photoSpeed*photo->photoDir.x;
photo->center.y += photoSpeed*photo->photoDir.y;
//向右移动
photo->center.x -= photoSpeed*photo->photoDir.x;
photo->center.y -= photoSpeed*photo->photoDir.y;

  计算相机视角转动的过程和计算穿过像素点光线方向的过程是类似的,具体计算过程如下

//x,y是鼠标在屏幕上的位置坐标
//根据鼠标所在的位置,计算相机视角转动的角度
float dx = -(DIM_W/2 - (float)x)/4;//DIM_W,DIM_H是分辨率
float dy = -((float)y - DIM_H/2)/4;
Photo *photo = ((DataBlock *)dataBlock)->cpu_photo;
float w = dx * photo->focalScope / photo->width;
float h = dy * photo->focalScope / photo->width;
float x1 = photo->photoDir.x * photo->focalDistance;
float y1 = photo->photoDir.y * photo->focalDistance;
float z1 = photo->photoDir.z * photo->focalDistance;
float x1_y1 = sqrtf(x1 * x1 + y1 * y1);
float x1_y1_z1 = sqrtf(x1 * x1 + y1 * y1 + z1 * z1);
float dir_z = z1 + h * x1_y1 / x1_y1_z1;
float dir_x = (x1_y1 - h * z1 / x1_y1_z1) * x1 / x1_y1 + w * y1 / x1_y1;
float dir_y = (x1_y1 - h * z1 / x1_y1_z1) * y1 / x1_y1 - w * x1 / x1_y1;
float norm = sqrtf(dir_x * dir_x + dir_y * dir_y + dir_z * dir_z);
photo->photoDir.x = dir_x / norm;
photo->photoDir.y = dir_y / norm;
photo->photoDir.z = dir_z / norm;

圆球的光线追踪

  首先,我们来考虑最简单的情形,假设三维空间中只有几个圆球,那么我们要如何实现对圆球的光线追踪呢.回到上面的算法流程trace函数,我们拿到一根光线的起点和方向向量后,需要计算这根光线能否碰撞到每个圆球,如果能同时碰撞到多个圆球,我们就计算出每个圆球的碰撞距离,也就是从光线起点到碰撞点之间的距离,然后取距离最短的那个圆球,最后加上那个圆球表面的颜色值.
首先实现一个圆球类class Sphere,类成员变量中要记录这个圆球的位置坐标和颜色值,然后定义圆球类的成员函数hit(),在这个函数中计算光线是否能碰撞到圆球,并返回距离和颜色值.首先要说明,颜色值除了圆球自身的表面颜色外,还有光源的入射角度,颜色值的强弱取决于入射角度的余弦值.
&emsp: 为了计算光线是否能碰撞到圆球,首先计算球心到光线的距离,然后如果距离小于圆球半径,那么就说明光想会照射到圆球表面上.
光线和圆球的位置关系如上图所示,计算过程如下所示

vec a = center - startPoint;
float norm_a = a.norm(), cos_a_b = rayDir.cos(a), sin_a_b = sqrtf(1-cos_a_b*cos_a_b);
float d = norm_a * sin_a_b;
if(cos_a_b >= 0 && d <= radius){
float Distance = norm_a*cos_a_b - sqrtf(radius*radius - d*d);//光线起点到碰撞点的距离,上图中的 PM 线段

  实现了上面的圆球的光线追踪后,就能够初步显示出简单的效果图了,这时能有下面的图片效果

矩形平面的光线追踪

  如果矩形平面无限大,只要光线和矩形平面不平行,光线就会碰撞到平面,但是如果矩形平面有边界,那么就需要判定碰撞点是否在边界以内,如果是则表示能够碰撞到平面.首先以最简单的平行于xoy平面的矩形平面来举例,首先创建一个平面类class Plane,然后实现其成员函数hit().

distance = ((point1.z - startPoint.z) / rayDir.z) * norm_b;//碰撞距离
vec hitPoint = startPoint + rayDir * (distance / norm_b);//碰撞点
if(hitPoint.x>=point1.x-eps && hitPoint.x<=point2.x+eps && hitPoint.y>=point1.y-eps && hitPoint.y<=point2.y+eps && hitPoint.z>=point1.z-eps && hitPoint.z<=point2.z+eps){return distance;//如果碰撞点在边界内,返回碰撞距离
}

加上平面的光线追踪后,你就能实现以下的效果