C++的光线追踪器设计实现了光源添加，纹理添加，三角形模型引入，bvh 树实现，以和多线程加速

资源下载地址：https://download.csdn.net/download/sheziqiong/86947608
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光线追踪器完善

简介

对光线追踪器进行完善，实现了光源添加，纹理添加，三角形模型引入，bvh 树实现，以及多线程加速

项目实现方法简述

添加纹理

virtual vec3 value(double u, double v, const vec3& p) const {

int i = static_cast<int>(u * m_width);
int j = static_cast<int>((1.0f - v)*m_height) - 0.001;
if (i < 0) i = 0;
if (j < 0) j = 0;
if (i > m_width - 1) i = m_width - 1;
if (j > m_height - 1) j = m_height - 1;
int index = (j * m_width   i) * m_channel;
float r = static_cast<int>(m_data[index   0]) / 255.0f;
float g = static_cast<int>(m_data[index   1]) / 255.0f;
float b = static_cast<int>(m_data[index   2]) / 255.0f;
return vec3(r, g, b);

}

具体思路为在材料中添加一个指向纹理的指针，这样在计算材料表面颜色的时候，不是返回默认值，而是调用 value 函数，根据 u，v 值来获取相应的值。上述代码为图片纹理的 value 函数实现。

添加光源

class diffuse_light :public material{//光源材质，将碰撞到该材质的光线设为光源颜色，光源颜色的分量可以大于1，如（4，4，4）
public:
diffuse_light(std::shared_ptr<texture> a) : albedo(a) {};
virtual bool scatter(const ray& r_in, const hit_record& rec, vec3& attenuation, 
ray& scattered) const {
return false;
}
virtual vec3 emitted(const float &u,const float &v, const vec3 &p) const
{
return albedo->value(u, v, p);
}
std::shared_ptr<texture> albedo;
};

这里，我们把光源当成一种特殊的材质，这种材质不反射光线，而是直接发射相应的颜色，强度的光线。

三角形渲染

bool triangle::hit(const ray& r, float t_min, float t_max, hit_record& rec) const{
if (dot(normal, r.direction()) == 0.0f)//光线与平面平行
return false;
float t = -(dot(normal, r.origin())   d) / dot(normal, r.direction());
if (t < t_min || t > t_max)
return false;
rec.t = t;
rec.point = r.point_at_parameter(t);
rec.mat_ptr = mat_ptr;

//判断点是否在三角形内
vec3 R = rec.point - point0;
vec3 Q1 = point1 - point0;
vec3 Q2 = point2 - point0;

float dot_Q1_Q1 = dot(Q1, Q1);
float dot_Q2_Q2 = dot(Q2, Q2);
float dot_Q1_Q2 = dot(Q1, Q2);
float dot_R_Q1 = dot(R, Q1);
float dot_R_Q2 = dot(R, Q2);
float determinant = 1.0f / (dot_Q1_Q1*dot_Q2_Q2 - dot_Q1_Q2*dot_Q1_Q2);
http://www.biyezuopin.vip
//获取当前点的信息，由三个顶点和omega，1omega2得到
float omega1 = determinant*(dot_Q2_Q2*dot_R_Q1 - dot_Q1_Q2*dot_R_Q2);
float omega2 = determinant*(-dot_Q1_Q2*dot_R_Q1   dot_Q1_Q1*dot_R_Q2);
if (omega1   omega2 > 1.0f || omega1 < 0.0f || omega2 < 0.0f)
return false;

rec.normal = normal0* (1.0f - omega1 - omega2)   normal1 * omega1   normal2 * 
omega2;
rec.u = u0* (1.0f - omega1 - omega2)   u1 * omega1   u2 * omega2;
rec.v = v0* (1.0f - omega1 - omega2)   v1 * omega1   v2 * omega2;
if (dot(rec.normal, r.direction()) > 0.0f)
rec.normal = -rec.normal;
return true;
}

这里，我们把光源当成一种特殊的材质，这种材质不反射光线，而是直接发射相应的颜色，强度的光线。

加载网格模型

virtual bool hit(const ray& r, float t_min, float t_max, hit_record& rec) const{
hit_record temp_rec;
bool hit_anything = false;
float closest_so_far = t_max;
for (int i = 0; i < mod.size(); i  ){
if (mod.at(i).hit(r, t_min, closest_so_far, temp_rec)){
hit_anything = true;
closest_so_far = temp_rec.t;
rec = temp_rec;
}
}
return hit_anything;
}

vector<triangle> mod;

一个模型拥有一个 vector 用来储存三角形，具体的处理思路在没有处理优化的时候其实和 hitable_list 差不多。在 obj 文件读取时，会碰到四边形面片处理，如（p0,p1,p2,p3).这里我们就要把它当成 2 个三角形（p0,p1,p2)和(p0,p3,p2)就能刚好组成一个四边形面片，即两个三角形的公共边需要是四边形中的对角线。

构建 BVH 树

auto comparator = (index == 0) ? box_x_compare
: (index == 1) ? box_y_compare
: box_z_compare;
size_t length = end - start;
if (length == 1){
left = right = objects[start];
}
else if (length == 2){
if (comparator(objects[start], objects[start 1])){
left = objects[start];
right = objects[start   1];
}
else{
left = objects[start   1];
right = objects[start];
}
}
else{http://www.biyezuopin.vip
std::sort(objects   start, objects   end, comparator);
auto mid = start   length / 2;
left = new bvh_node(objects, start, mid, t0, t1);
right = new bvh_node(objects, mid, end, t0, t1);
}

首先利用层次包围盒的概念，利用 bvh 树对求交进行简化，可以理解为 B（左节点），C（右节点）两个小的包围盒组合成一个大的包围盒 A（父节点），在判断求交的时候，先判断是否和 A（父节点）相交，若相交，再判断子节点。
那么主要的难点就是如何构建 bvh 树，这里利用了递归的思想，每次将数组二分，直到只剩两个物体分别为左右节点，同时，在每次二分前，随机选择一个轴对物体进行排序。

多线程加速

# pragma omp parallel for

通过在 for 循环前添加上述语句，然后在项目属性的语言，C 中，openMP 支持改为是~，就可以自动将下面的 for 循环分成 N 份，(N 为电脑 CPU 核数)，然后把每份指派给一个核去执行，而且多核之间为并行执行

结果

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