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from taichi.math import * # 导入 Taichi 数学库
import taichi as ti # 导入 Taichi 库
import time # 导入时间库
ti.init(arch=ti.gpu) # 初始化 Taichi ,GPU 加速
image_resolution = (1920, 1080) # 图像分辨率
image_pixels = ti.Vector.field(3, float, image_resolution) # 图像的像素场
aspect_ratio = image_resolution[0] / image_resolution[1] # 图像宽高比
# 配置常量
TMIN = 0.001 # 光开始传播的起始偏移,避免光线自相交
TMAX = 2000.0 # 最大单次光线传播距离
PRECISION = 0.0001 # 必须要小于 TMIN,否则光线会自相交产生阴影痤疮
MAP_SIZE = float(0x7fffffff); # 地图大小
MAX_RAYMARCH = 512 # 最大光线步进次数
MAX_RAYTRACE = 512 # 最大路径追踪次数
SHAPE_NONE = 0 # 无形状
SHAPE_SPHERE = 1 # 球体
SHAPE_BOX = 2 # 箱体
@ti.dataclass
class Ray: # 光线类
origin: vec3 # 光线起点
direction: vec3 # 光线方向
color: vec4 # 光的颜色
@ti.func
def at(r, t: float) -> vec3: # 计算光子所在位置
return r.origin + t * r.direction
@ti.dataclass
class Material:
albedo: vec3 # 材质颜色
@ti.dataclass
class Transform:
position: vec3
scale: vec3
@ti.dataclass
class Object:
type: ti.u32
trs: Transform
mtl: Material
sd: float
@ti.dataclass
class HitRecord: # 光子碰撞记录类
position: vec3 # 光子碰撞的位置
distance: float # 光子步进的距离
hit: ti.i32 # 是否击中到物体
obj: Object # 碰撞到的物体
@ti.func
def random_in_unit_disk(): # 单位圆内随机取一点
x = ti.random()
a = ti.random() * 2 * pi
return sqrt(x) * vec2(sin(a), cos(a))
@ti.dataclass
class Camera:
lookfrom: vec3 # 视点位置
lookat: vec3 # 目标位置
vup: vec3 # 向上的方向
vfov: float # 视野
aspect: float # 传感器长宽比
aperture: float # 光圈大小
focus: float # 对焦距离
@ti.func
def get_ray(c, uv: vec2, color: vec4) -> Ray:
# 根据 vfov 和显示画布长宽比计算传感器长宽
theta = radians(c.vfov)
half_height = tan(theta / 2)
half_width = c.aspect * half_height
# 以目标位置到摄像机位置为 Z 轴正方向
z = normalize(c.lookfrom - c.lookat)
# 计算出摄像机传感器的 XY 轴正方向
x = normalize(cross(c.vup, z))
y = cross(z, x)
# 计算出画布左下角
lower_left_corner = c.lookfrom - half_width * c.focus*x \
- half_height * c.focus*y \
- c.focus*z
horizontal = 2.0 * half_width * c.focus * x
vertical = 2.0 * half_height * c.focus * y
# 模拟光进入镜头光圈
lens_radius = c.aperture / 2.0
rud = lens_radius * random_in_unit_disk()
offset = x * rud.x + y * rud.y
# 计算光线起点和方向
ro = c.lookfrom + offset
rp = lower_left_corner + uv.x*horizontal \
+ uv.y*vertical
rd = normalize(rp - ro)
return Ray(ro, rd, color)
@ti.func
def sd_sphere(p: vec3, r: float) -> float: # SDF 球体
return length(p) - r
@ti.func
def sd_box(p: vec3, b: vec3) -> float: # SDF 盒子
q = abs(p) - b
return length(max(q, 0)) + min(max(q.x, max(q.y, q.z)), 0)
@ti.func
def signed_distance(obj, pos: vec3) -> float: # 对物体求 SDF 距离
position = obj.trs.position # 位置空间变换(下一步再实现旋转变换)
scale = obj.trs.scale # 用缩放控制物体大小
p = pos - position
# 为不同形状选择不同的 SDF 函数
if obj.type == SHAPE_SPHERE:
obj.sd = sd_sphere(p, scale.x)
elif obj.type == SHAPE_BOX:
obj.sd = sd_box(p, scale)
else:
obj.sd = sd_sphere(p, scale.x)
return obj.sd # 返回符号距离
objects_num = 3 # 地图中物体的数量
objects = Object.field(shape=objects_num)
objects[0] = Object(type=SHAPE_SPHERE,
trs=Transform(vec3(0, -100.5, -1), vec3(100)),
mtl=Material(vec3(1, 1, 1)*0.9))
objects[1] = Object(type=SHAPE_SPHERE,
trs=Transform(vec3(0, 0, -1), vec3(0.5)),
mtl=Material(vec3(1, 0, 0)*0.9))
objects[2] = Object(type=SHAPE_BOX,
trs=Transform(vec3(0, 0, -2), vec3(0.2, 0.3, 0.5)),
mtl=Material(vec3(0, 1, 0)*0.9))
@ti.func
def nearest_object(p: vec3) -> Object: # 求最近的物体
o = Object(sd=MAP_SIZE) # 设置一个最大的 SDF 值,即地图边界
for i in range(objects_num):
oi = objects[i]
oi.sd = signed_distance(oi, p)
if abs(oi.sd) < abs(o.sd): o = oi
return o
@ti.func
def calc_normal(obj, p: vec3) -> vec3: # 计算物体法线
e = vec2(1, -1) * 0.5773 * 0.0005
return normalize( e.xyy*signed_distance(obj, p + e.xyy) + \
e.yyx*signed_distance(obj, p + e.yyx) + \
e.yxy*signed_distance(obj, p + e.yxy) + \
e.xxx*signed_distance(obj, p + e.xxx) )
@ti.func
def raycast(ray) -> HitRecord: # 光线步进求交
record = HitRecord(ray.origin, TMIN, False) # 初始化光子碰撞记录
for _ in range(MAX_RAYMARCH): # 光线步进
record.position = ray.at(record.distance) # 计算光子所在位置
record.obj = nearest_object(record.position) # 计算光子与球体的有向距离
dis = abs(record.obj.sd) # 绝对值为无符号距离
if dis < PRECISION: # 如果光子与球体的距离小于精度即为击中
record.hit = True # 设置击中状态
break
record.distance += dis # 光子继续传播
if record.distance > TMAX: # 如果光子传播距离大于最大传播距离
break
return record # 返回光子碰撞记录
@ti.func
def sky_color(ray, time) -> vec3:
t = 0.5 * ray.direction.y + 0.5 # 将 y 分量归一化
blue = 0.5 * sin(time) + 0.5 # 计算蓝色分量
return mix(vec3(1.0, 1.0, blue), vec3(0.5, 0.7, 1.0), t) # 混合两种颜色
@ti.func
def pow5(x: float):
t = x*x
t *= t
return t*x
@ti.func
def TBN(N: vec3) -> mat3: # 用世界坐标下的法线计算 TBN 矩阵
T = vec3(0)
B = vec3(0)
if N.z < -0.99999:
T = vec3(0, -1, 0)
B = vec3(-1, 0, 0)
else:
a = 1.0 / (1.0 + N.z)
b = -N.x*N.y*a
T = vec3(1.0 - N.x*N.x*a, b, -N.x)
B = vec3(b, 1.0 - N.y*N.y*a, -N.y)
return mat3(T, B, N)
@ti.func
def hemispheric_sampling(n: vec3) -> vec3: # 以 n 为法线进行半球采样
ra = ti.random() * 2 * pi
rb = ti.random()
rz = sqrt(rb)
v = vec2(cos(ra), sin(ra))
rxy = sqrt(1.0 - rb) * v
return TBN(n) @ vec3(rxy, rz) # 用 TBN 矩阵将切线空间方向转换到世界空间
@ti.func
def raytrace(ray, time: float) -> Ray:
for _ in range(MAX_RAYTRACE):
record = raycast(ray) # 光线步进求交
if not record.hit:
ray.color.rgb *= sky_color(ray, time) # 获取天空颜色
break
visible = length(ray.color.rgb*ray.color.a)
if visible < 0.001: # 如果光已经衰减到不可分辨程度了就不继续了
break
# 这里的法线会始终指向物体外面
normal = calc_normal(record.obj, record.position) # 计算法线
# ray.color.rgb = 0.5 + 0.5 * normal # 设置为法线颜色
N = hemispheric_sampling(normal) # 半球采样
ray.direction = reflect(ray.direction, N) # 反射光线
ray.origin = record.position # 设置光线起点
ray.color.rgb *= record.obj.mtl.albedo # 设置为材质颜色
ray.color.a *= 0.5 # 让强度衰减一些
if dot(normal, ray.direction) < 0: # 如果光线反射到了物体内部,也直接跳出循环
break
return ray
@ti.kernel
def render(
time: float,
camera_position: vec3,
camera_lookat: vec3,
camera_up: vec3): # 渲染函数
for i, j in image_pixels: # 并行遍历像素场
SCREEN_PIXEL_SIZE = 1.0 / vec2(image_resolution)
uv = vec2(i, j) * SCREEN_PIXEL_SIZE # 计算像素坐标
camera = Camera()
camera.lookfrom = camera_position # 设置摄像机位置
camera.lookat = camera_lookat # 设置目标位置
camera.vup = camera_up # 设置向上的方向
camera.aspect = aspect_ratio # 设置长宽比
camera.vfov = 30 # 设置视野
camera.aperture = 0.01 # 设置光圈大小
camera.focus = 4 # 设置对焦距离
ray = camera.get_ray(uv, vec4(1.0)) # 生成光线
ray = raytrace(ray, time) # 光线追踪
color = ray.color.rgb * ray.color.a
# 伽马矫正
color = pow(color, vec3(0.5))
image_pixels[i, j] = color # 设置像素颜色
window = ti.ui.Window("Taichi Renderer", image_resolution) # 创建窗口
canvas = window.get_canvas() # 获取画布
camera = ti.ui.Camera() # 创建摄像机
camera.position(0, 0, 4) # 设置摄像机初始位置
start_time = time.time() # 获取程序开始时时间
while window.running:
camera.track_user_inputs(window, movement_speed=0.03, hold_key=ti.ui.LMB)
delta_time = time.time() - start_time # 计算时间差
render(
delta_time,
camera.curr_position,
camera.curr_lookat,
camera.curr_up) # 调用渲染函数
canvas.set_image(image_pixels) # 为画布设置图像
window.show() # 显示窗口