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An Awesome Visual Path Tracer. 可视化路径追踪渲染器

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Zilize/V-PathTracer

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V-PathTracer:可视化路径追踪渲染器

概述

夏日炎炎,不如渲染个冷色调的 Cornell Box 来冰爽一夏!为了能够实时观察渲染结果的收敛过程,我花了一周多实现了一个基于图形界面的可视化路径追踪渲染器 V-PathTracer。

V-PathTracer 有如下特性:

  • 基于 NanoGUI 实现,可实时观察每一个 SPP 的更新结果
  • 内置经典场景 Cornell Box 与 Stanford Bunny
  • 实现了漫反射、镜面反射、Cook-Torrance 微表面模型三种材质
  • 多线程加速渲染,进度条让等待不再枯燥
  • 动态空间加速结构 SAH 赋能 92.3 倍提速
  • 提供高斯模糊、联合双边滤波等图像空间处理方案
  • 可视化深度、法线、反射率、位置等屏幕空间 G-Buffer

GUI与冷色调Gif

结果演示

首先展示经典场景 Cornell Box 的最终渲染结果,在 MacBook Pro 设备上 16 线程和 SAH 空间加速结构的加持下,耗时 14 分钟,完成 768 * 768 分辨率 1024 SPP 的渲染。

V-PathTracer 实现了 Outlier Removal 功能,在图像空间上去除与周围环境颜色差异过大的点。具体来说是在 3 * 3 九宫格范围内计算出颜色的平均值 $\mu$ 以及标准差 $\sigma$,将当前像素颜色截断到范围 $[\mu - \sigma, \mu + \sigma]$

下面展示的是不同实验设置下原始图像与 Outlier Removal 后的图像对比,它们共享的实验设置为 256 SPP 与 512 * 512 分辨率。其中,镜面反射材质在 256 SPP 下发生了崩坏,看起来并不是那么容易收敛。

Cornell Box,Diffuse 材质:

Stanford Bunny,Diffuse 材质:

Cornell Box,Cook-Torrance BRDF,Roughness = 0.20:

Cornell Box,Cook-Torrance BRDF,Roughness = 0.25:

Cornell Box,Cook-Torrance BRDF,Roughness = 0.30:

Cornell Box,Cook-Torrance BRDF,Roughness = 0.35:

Cornell Box,镜面反射材质:

接下来再来看看 Cornell Box 和 Stanford Bunny 场景下的 G-Buffer。由于光线是从像素中心点直接出发的 1 SPP 绘制结果,所以会有明显的锯齿感。

深度图:

法线图:

Albedo 反射率图:

位置图:

性能提升

V-PathTracer 除了能进行多线程运行,还实现了多个层次的空间加速结构,便于进行性能对比。空间加速结构能加速光线与场景中大量三角形求交的过程,最直观的做法是暴力求解,遍历每一个三角形判断相交与否。

除了 Brute Force 手段,V-PathTracer 还实现了两种不同启发式方案的 BVH (Bounding Volume Hierarchy),一种是基于包围盒最长轴进行三角形数量平分的方案,另一种是使得划分包围盒后的面积尽可能小的方案,后者被称为 SAH (Surface Area Heuristic)。

V-PathTracer 使用自顶向下的递归方法来构建三角形数量平分的 BVH,使用递增式的算法实现动态的 SAH。递增式的算法意味着一步步向二叉树结构中插入新的三角形面元,动态的 SAH 意味着加速结构能够随时根据场景的变化来插入和删除三角形面元。动态的 SAH 实现参考了 Box2d 在 GDC 2019 上的工作 Dynamic Bounding Volume Hierarchies

为了演示空间加速结构的效果,在单线程设定下统计构建加速结构和构建所有 G-Buffer的时长:

加速结构 耗时统计
Brute Force 14867ms
BVH 3725ms
SAH 161ms

代码结构

项目代码在 GitHub 上公开:https://github.com/Zilize/V-PathTracer

根目录下包含若干目录:

  • ext:项目依赖的外部库,只有NanoGUI和仿 OpenGL 的数学库glm
  • model:放置模型Cornell BoxStanford Bunny,均为obj格式文件。
  • cache:存放初始化封面图init.png,每次渲染完成后会输出渲染结果framebuffer.png,如果设置了图像空间滤波功能,还会输出滤波后的结果framebufferAfterFilter.png
  • include:项目所包含的头文件,其中obj_loader.h来自开源单个头文件库OBJ_Loader
  • src:项目的 C++ 源码。

项目基于 C++ 开发,除了外部库与include中的obj_loader.h头文件,源码约有 2000 行。如果你要阅读源码,可以参考下面的关键点与概念解析:

  • 程序从main.cpp进入application.cpp,实现所有的图形界面逻辑。当用户完成配置并点击开始按钮,便会进入Application::run函数,这里新建了一个线程管理渲染逻辑,避免图形界面发生阻塞。

  • Application对象中维护着一个渲染器对象renderer,每次点击按钮后都会重新初始化其中的内容,包括构建空间加速结构和 G-Buffer。

  • 场景中的每个三角形面元抽象为一个Triangle对象,同一个物体的所有面元集成到一个Object对象中,所有Object以及空间加速结构会由Scene对象来统一管理,并向渲染器对象提供外部接口。目前Object类只是一个包装类,没有什么实际的功能,后续可添加对物体的变换接口。

  • 每个三角形面元会通过共享指针指向特定的材质Material,材质提供了两个接口。接口reflect用于对入射的光线方向和法线方向进行采样得到出射的光线方向,以及对应的概率密度函数值;接口brdf能够根据输入的入射、出射与法线方向计算与材质相关的双向反射分布函数值。

  • Scene对象中实现了主要的路径追踪逻辑shade递归函数。根据材质的不同类型,实现了shadeDiffuseshadeMirrorshadeMicrofacet三个接口,便于对各类材质进行相应的优化。

  • V-PathTracer 实现的微表面材质实际上是漫反射与 Cook-Torrance BRDF 的结合体。在对光源进行直接采样时,使用的是类 Diffuse 的方法,在计算普通的反射时才用了 Cook-Torrance BRDF 的分布。实现时并没有使用Material提供的reflect接口,而用的brdf接口也仅仅是提供给对光源直接进行采样使用的,类 Diffuse 的 BRDF。该写法并不优雅。

  • 对光源进行直接采样能够有效提升渲染效率,降低画面的噪点密度。因此实现了对光源进行采样的 Diffuse 和 Microfacet 材质渲染结果良好,而没有对光源直接进行采样的 Mirror 材质收敛更困难,正如上面的实验结果所展示的。如果你想更直观地体验一下,可以在shadeDiffuse函数中只保留直接对光源采样的部分,这样相当于只有直接光照。也可以删除对光源直接进行采样的部分,同时修改普通反射面采样的条件控制(不然就没有光源了),看看暴力采样的效果,如下图所示是 300 SPP 的结果。

项目运行

要编译运行项目,需要你的设备已经安装好 CMake 与 OpenGL。本指南适用于 macOS。

首先从 GitHub 克隆项目到本地,由于项目以子模块的方式链接了外部库,所以要以递归方式克隆:

git clone --recursive --depth=1 https://github.com/Zilize/V-PathTracer.git

进入项目目录并开始准备构建环境:

cd V-PathTracer
mkdir build
cd build
cmake ..
make

等待几分钟的编译后,运行项目vpathtracer

./vpathtracer

参考文献

[1]. GAMES101:现代计算机图形学入门

[2]. GAMES202:高质量实时渲染

[3]. Real Shading in Unreal Engine 4

[4]. Dynamic Bounding Volume Hierarchies

[5]. Ray Tracing in One Weekend - The Book Series

[6]. Hammersley Points on the Hemisphere

[7]. 草履虫也能看懂的Cook-Torrance BRDF