《用两天学习光线追踪》1.项目介绍和ppm图片输出

本项目参考自教程《Ray Tracing in One Weekend》，在跑通了所有例子之后，加上了自己的理解写成笔记，项目使用CPU多线程提速，并增加了GUI进度显示。
项目链接：https://github.com/maijiaquan/ray-tracing-with-imgui

目录：
《用两天学习光线追踪》1.项目介绍和ppm图片输出
《用两天学习光线追踪》2.射线、简单相机和背景输出
《用两天学习光线追踪》3.球体和表面法向量
《用两天学习光线追踪》4.封装成类
《用两天学习光线追踪》5.抗锯齿
《用两天学习光线追踪》6.漫反射材质
《用两天学习光线追踪》7.反射向量和金属材质
《用两天学习光线追踪》8.折射向量和电介质
《用两天学习光线追踪》9.可放置相机
《用两天学习光线追踪》10.散焦模糊

---

项目介绍

本项目使用了ImGUI的图形化界面框架，使用官方自带的一个OpenGL2的例子，目的是用直接绘制的方法，在屏幕上逐像素输出整张图片。目前在MacOS（Xcode 10.3）和Windows（Visual Studio 2015）环境中上能顺利运行，其他环境待测试。

因为大家的主要目的是学习光线追踪，所以环境搭建、GUI、图片光栅化输出、多线程的具体实现等，就不在这里细述，有兴趣的朋友们可以看我的代码实现。每一节的代码都会基于上一节进行增改，最终实现效果如下：

image

---

本节目标

在300x150的屏幕上输出一张插值渐变的图片，并保存为ppm格式，如下图所示：

image

本节代码：main1.cpp

---

多线程

由于用CPU跑光线追踪很慢，所以用多线程来提速。假设CPU是双核的，则理论上能提速一倍。
为了演示一下多线程，这里特地调整了每个线程的运行速度，并一次性创建了50个线程（假装CPU有50个核），每个线程绘制完一行之后，跳到下50行继续绘制。图片的宽高为300x150，则每个线程要绘制3行。最下面一行的线程速度最快，越往上速度递减的话，就会有如下效果：

image

---

PPM格式概要和存储

ppm是一种直接存储RGB颜色值的文件格式，第一行是p3，表示颜色值用ASCII存。第二行是图像的宽和高。接下来是每一行按顺序存放的颜色值。

本项目会将所有的输出图片保存为ppm格式，由于本项目支持实时显示，关于如何打开ppm图片的问题本文不再赘述，网上可找到大量解决办法。

---

本节核心代码

向量类vec3的具体实现：vec3.h

对于像素点的绘制，我直接封装了一个函数：

void DrawPixel(x, y, r, g, b); //在屏幕上坐标为(x,y)的位置上，绘制颜色值为(r,g,b)的一个像素

因为是一个简单的渐变图片，所以直接用行和列的下标插值的方式来直接赋值RGB，代码如下：

int nx = 300;
int ny = 150;
void RayTracing()
{
    for (int y = ny - 1; y >= 0; y --)
    {
        for (int x = 0; x < nx; x++)
        {
            vec3 col(float(x) / float(nx), float(y) / float(ny), 0.8);
            int ir = int(255.99 * col[0]);
            int ig = int(255.99 * col[1]);
            int ib = int(255.99 * col[2]);
            DrawPixel(x, y, ir, ig, ib);
        }
    }
}

如果要写成多线程，则可以将上面代码改成下面的样子：

void RayTracingInOneThread(int k)   //绘制一个线程
{
    for (int y = ny-k; y >= 0; y -= numThread)  //ny为屏幕的高
    {
        for (int x = 0; x < nx; x++)    //nx为屏幕的宽
        {
            vec3 col(float(x) / float(nx), float(y) / float(ny), 0.8);
            int ir = int(255.99 * col[0]);
            int ig = int(255.99 * col[1]);
            int ib = int(255.99 * col[2]);
            DrawPixel(x, y, ir, ig, ib);
        }
    }
}

void RayTracing()
{
    vector threads; //多线程
    for (int k = 0; k < numThread; k++)
    {
        threads.push_back(thread(RayTracingInOneThread, k)); 
    }
    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.join();
    }
}

注意：本项目的入口函数为RayTracing()。由于默认使用多线程，入口函数会分发到若干个线程里面执行，每个线程对应的函数为RayTracingInOneThread(int k)。如果实在无法理解这个函数的行为，可以粗暴假设k=1和numThread=1，当作是单线程来理解。

---

参考资料：《Ray Tracing in One Weekend》