蒙特卡洛路径追踪（Monte-Carlo-Path-Tracing）

一个路径追踪小程序，利用了 CPU 多线程或 CUDA 加速计算。项目最初参考了《GAMES101: 现代计算机图形学入门》的作业7，有大幅度的调整。

学习笔记保存于知乎专栏。

A simple Monte Carlo path tracer based on assignment 7 of GAMES101 originally, accelerated by C++ multithreading or CUDA.

1 Features

1.1 Integrators

• 基于路径追踪（path tracing）算法的绘制方程定积分迭代求解方法，包括：
  • 使用蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）计算辐射亮度（radiance）的数学期望；
  • 重要性抽样（importance sampling），给定光线入射方向和表面法线方向，根据 BSDF 对光线出射方向进行重要性抽样；
  • 多重重要性抽样（multiple importance sampling）：
    • 按发光物体表面积直接采样光源；
    • 按 BSDF 采样光源；
  • 俄罗斯轮盘赌算法（Russian roulette）控制路径追踪深度；

1.2 表面散射模型（Surface Scattering Models）

• 微表面模型（microfacet model）定义的电介质（dielectric）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
  • example:
    • Dielectric
    • Rough Dielectric
• 薄电介质（thin dielectric）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
  • example: thin Dielectric
• 微表面模型（microfacet model）定义的导体（conductor）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
  • example:
    • Conductor
    • Rough Conductor
    • Isotropic Rough Conductor
• 塑料（plastic）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
  • example:
    • Plastic
    • Rough Plastic
• 朗伯模型（Lambert's model）定义的平滑漫反射（smooth diffuse）材质；
  • example: Dragon
• Oren–Nayar 反射模型（Oren–Nayar reflectance model）定义的粗糙漫反射（rough diffuse）材质；
  • example: mercury, smooth diffuse (Lambert's) VS. mercury, rough diffuse (Oren–Nayar)

1.3 参与介质（Participating Media）

• 各向同性相函数（Isotropic Phase Function）描述的参与介质，模仿 mitsuba 相应的材质；
  • example: volumetric-caustic
• 亨尼-格林斯坦相函数（Henyey-Greenstein Phase Function）描述的参与介质，模仿 mitsuba 相应的材质；

1.4 其它

• 使用 Kulla 和 Conty 提出的方法，尝试补上微表面模型没有建模的，微表面之间的多重散射；
• 环境映射（environment mapping）
• 凹凸映射（bump mapping）

1.4.1 历史存档项目（Archived）特有的功能

Following features are only available in archived version.

• 基于双向路径追踪（bidirectional path tracing，BDPT）算法迭代求解绘制方程定积分；

2 Building & Compiling

2.1 Dependencies

项目使用 vcpkg 进行 C++ 库管理。

• necessary:
  • assimp
  • pugixml
  • stb
  • tinyexr
  • zlib
• if enable real-time viewer:
  • freeglut

automatically import from extern folder:

• ArHosekSkyModel
• stb

2.2 CMake Option

• ENABLE_WATERTIGHT_TRIANGLES: Specifies whether or not enable Woop's watertight ray/triangle intersection algorithm.
• ENABLE_CUDA : Specifies whether or not enable GPU-accelerated computing.
  • compile as C++ project and donnot need CUDA SDK if disable.
• ENABLE_CUDA_DEBUG : Specifies whether or not GPU debugging information is generated by the CUDA compiler
  • no effect if disable GPU-accelerated computing.
• ENABLE_VIEWER : Specifies whether or not enable real-time viewer.
  • no effect if disable GPU-accelerated computing.

2.3 Usage

Command Format: [-c/--cpu/-g/--gpu/-p/--preview] --input/-i 'config path' [--output/-o 'file path] [--width/-w 'value'] [--height/-h 'value'] [--spp/-s 'value']

Program Option:

• --cpu or -c: use CPU for offline rendering.
  • if not specify specify CPU/CUDA/preview, use CPU.
• --gpu or -g: use CUDA for offline rendering,
  • no effect if disbale CUDA when compiling.
  • if not specify specify CPU/CUDA/preview, use CPU.
• --preview or -p: use CUDA for real-time rendering,
  • no effect if disbale CUDA when compiling.
  • if not specify specify CPU/CUDA/preview, use CPU.
• --input or -i: read config from mitsuba format xml file.
• --output or -o: output path for rendering result.
  • only PNG format, default: 'result.png'.
  • press 's' key to save when real-time previewing.
• --width or -w: specify the width of rendering picture.
• --height or -h: specify the height of rendering picture.
• --spp or -s: specify the number of samples per pixel.

3 Gallery

3.1 Cornell Box

3.2 Box

3.3 Lte-Orb, Rough Glass

3.4 Lte-Orb, Silver

3.5 Dining Room

3.6 Classroom

4 References

• Mitsuba renderer
• 《GAMES101: 现代计算机图形学入门》
• 《GAMES202: 高质量实时渲染》
• 《Accelerated Ray Tracing in One Weekend in CUDA》