Библиотека для рендеринга порталов PT

При создании этой библиотеки я не ставил перед собой цель создать что-то, чем будут пользоваться люди, что будет работать быстрее аналогов, что будет использовать последние научные достежиян итд. Я хотел лишь улучшить свои навыки кодинга, переделать и отрефакторить ray-tracing, и рендерить всякие портальные штуки.

Отличительной особенностью данного репозитория является возможность телепортировать свет от точечных источников света через порталы. К сожалению этот алгоритм написан крайне неоптимальным образом, а просто так, чтобы работал. По аналогии с ним можно сделать такие алгоритмы для точечных источников света:

• Отражение от полигональных зеркальных поверностей.
• Преломление от полигональных стекляных поверхностей.

Надеюсь эти красивые картинки вдохновят на создание чего-то большего.

Фичи

• Полиморфизм.
  • Различные подходы к рендерингу. - одну и ту же сцену можно рендерить различными классами и получать соответственно различную скорость и фотореалистичность.
    • Ray Tracing - обычная трассировка лучей, которая может отобразить картинку с малым количеством семплов. Трейсинг лучей останавливается при достижении материала с цветом, и рендерит вторичные лучи, только если попадает на преломляющую или зеркальную поверхность.
    • Path Tracing - методика рендеринга в компьютерной графике, которая стремится симулировать физическое поведения света настолько близко к реальному, насколько это возможно. Трейсинг лучей останавливается только при достижении предела отражений, или при достижении источника света.
  • Полиморфизм объектов - имеется два типа объектов: object и shape.
    • Object - объект, котороый неразрывно связан со своим собственным материалом, например: небо, cubemap, текстурированный полигон.
    • Shape - объект, которому можно задать любой имеющийся материал, например, это объекты: сфера, цилиндр, полигон, треугольник, портал, контур (состоит из сфер и цилиндров).
  • Полиморфизм камер - можно рендерить картинку совершенно различными камерами, которые наследуются от абстрактного класса базовой камеры и реализуют виртуальные методы. Таким образом уже реализованы камеры: перспективная, ортогональная, 360. Так же можно реализовать другие камеры, например: проекцию Панини, камера для создания cubemap.
  • Полиморфизм материалов - любому объекту можно задать любой материал на его поверхности, например реализованы такие материалы, как:
    • рассеивающий,
    • отражающий,
    • стекло,
    • освещение. Аналогично для реализации материала надо наследоваться от базового класса материала и реализовать метод обработки луча материалом.
• Точечные источники света поддерживаются на уровне рендерера.
• Рендеринг порталов. Портал является shape, потому что можно задать какой материал будет на двух его задних частях. Он сам задается как полигон и две системы координат.
  • Поддерживается телепортирование освещения от точечных источников света через порталы. При этой телепортации учитывается, что некоторая часть света может не пройти через портал.
• Считывание произвольной сцены из многоугольников, с анимацией, из jsonфайла.
  • Реализовано в scene_raytracing/scene_raytracing.cpp.
• Поддержка текстур. Реализуется эта поддержка в классе текстурированного полигона.
• Рендеринг произвольных полигонов.
• Для path tracing камерой поддерживается симуляция прохождения луча через диафргаму, поэтому можно получить эффект depth of field: когда камера на чем-то сфокусирована, а остальная часть мира размыта.
• Рендеринг происходит в многопоточном режиме.
• Имеется возможность одновременно с обычным изображением рендерить изображение глубины.
• Имеется возможность сохранять отрендеренные изображения в png.
• При рендеринге пиксели выбираются случайным образом, чтобы максимально точно предсказывать итоговое время рендеринга, которое выводится на экран.
• Возможность задавать количество семплов для одного пикселя. В данной работе обычно выбирается 16 семплов для ray tracing, и 400 для path tracing.

Примеры реализованных функций

Различие ray-tracing и path-tracing

Слева - Ray Tracing, справа - Path Tracing. На первой сцене присутствуют точечные источники света, а на второй точечный источник света присутствует только для ray tracing, поэтому картинка с path tracing выглядит такой темной. потому что весь свет там получится от светящегося полигона сверху, вероятность попадания в который невелика.

Слева освещение получается только от фонового освещения и точечных источников света. Справа же освещение получается от трассировки вторичных лучей, которые идут в случайном направлении от рассеивающего материала. Благодаря этому получается очень фотореалистичная картинка, а так же такие эффекты, как:

• глубина резкости - размытие ближних и дальних объектов, не попавших в фокус;
• каустика - явление попадания большого количества света в одно место, её можно наблюдать под стекляной сферой на картинке с комнатой;
• освещение от зелёной и красной стены на полу рядом со стекляной сферой - тоже эффект от вторичного трейсинга лучей;
• освещение потолка зелёным цветом - от зелёной стены.

Различные виды камер

Ортогональная

360 градусов

Эта камера создает такое изображение, которое запечатляет всю обстановку вокруг. Далее, по этому изображению можно получить сколько угодно изображений перспективной проекции, которые смотрят с разных углов при помощи различных программ для просмотра такого рода изображений.

Неизвестно, возможно ли добиться эффекта глубины резкости при использовании такой камеры.

Изображения в 360 градусов были просмотрены с помощью www.chiefarchitect.com

Большие версии изображений для просмотра на этом сайте находятся в папке img с названием big.

Телепортация света через портал

Для path-tracing свет автоматически будет телепортироваться через порталы, как это просходит с отражениями и преломлениями света. Но точечный источник света - искусственный объект, и поддержку отражения в зеркальных материалах или преломление через стекляные объект надо добавлять отдельно. Именно таким отдельным вычислением и была добавлена телепортация света через порталы. Результат можно видеть на следующих изображениях.

Маленькой сферой показано положение точечного источника света. Темно-синий портал связан с красным, а голубой с оранжевым. Свет проходит через все порталы и освещает пол снизу. Так же некоторые части освещения от этого же источника света накладываются друг на друга, хотя источник света один. Эффект примерно такой же, как и от зеркал, но работает с порталами.

Изображение глубины каждого пикселя

Рендеринг произвольных полигонов

К сожалению тесселяция и дерево поиска не используется, поэтому принадлежность луча проверяется при помощи pglauner/point_in_polygon. Это работает очень медленно.

Рендеринг сцен из portals_opengl

Производится с помощью scene_raytracing. Может так же анимацию при использовании данных перемещения пользовательской камеры, записанные в portals_opengl при нажатии кнопки r.

Пример предсказания времени рендеринга

Так как рендеринг изображения при помощи path tracing может занимать часы, иногда бывает необходимо знать точное время рендеринга. Специально для этого каждые n отрендеренных пикселей собирается информация о времени рендеринга, находится процент завершенной работы и предсказывается время всего рендеринга.

Очевидно, чтобы получить аппроксимацию времени, надо разделить прошедшее время на процент готовности работы.

Так же для увеличения точности, все пиксели для рендеринга берутся в случайном порядке. Если же не делать этого случайного выбора пикселей, то у нас на изображении, у которого сверху небо, а снизу сложная сцена, получится следующая картина:

• верхняя часть (которая рендерится первой) будет отрендерена быстро,
• а нижняя (которая идёт в конце), долго. Поэтому в начале рендеринга мы оптимистично будем полагать, что сцена рендерится 1 минуту, когда на самом деле выйдет 1 час (пример из реальной жизни).

Компиляция

Есть CMakeLists.txt, его можно использовать в CMake. Там же внутри указаны все зависимости.

Для scene_raytracing добавляется одна зависимость в виде scene_reader из portals_opengl.