V-PathTracer：可视化路径追踪渲染器
GitHub 仓库链接
- 概述
- 结果演示
- 性能提升
- 代码结构
- 项目运行
- 参考文献
概述
夏日炎炎，不如渲染个冷色调的 Cornell Box 来冰爽一夏！为了能够实时观察渲染结果的收敛过程，我花了一周多实现了一个基于图形界面的可视化路径追踪渲染器 V-PathTracer。
V-PathTracer 有如下特性：
- 基于 NanoGUI 实现，可实时观察每一个 SPP 的更新结果
- 内置经典场景 Cornell Box 与 Stanford Bunny
- 实现了漫反射、镜面反射、Cook-Torrance 微表面模型三种材质
- 多线程加速渲染，进度条让等待不再枯燥
- 动态空间加速结构 SAH 赋能 92.3 倍提速
- 提供高斯模糊、联合双边滤波等图像空间处理方案
- 可视化深度、法线、反射率、位置等屏幕空间 G-Buffer
结果演示
首先展示经典场景 Cornell Box 的最终渲染结果，在 MacBook Pro 设备上 16 线程和 SAH 空间加速结构的加持下，耗时 14 分钟，完成 768 * 768 分辨率 1024 SPP 的渲染。
V-PathTracer 实现了 Outlier Removal 功能，在图像空间上去除与周围环境颜色差异过大的点。具体来说是在 3 * 3 九宫格范围内计算出颜色的平均值 $\mu$ 以及标准差 $\sigma$，将当前像素颜色截断到范围 $[\mu - \sigma, \mu + \sigma]$。
下面展示的是不同实验设置下原始图像与 Outlier Removal 后的图像对比，它们共享的实验设置为 256 SPP 与 512 * 512 分辨率。其中，镜面反射材质在 256 SPP 下发生了崩坏，看起来并不是那么容易收敛。
Cornell Box，Diffuse 材质：
Stanford Bunny，Diffuse 材质：
Cornell Box，Cook-Torrance BRDF，Roughness = 0.20：
性能提升
V-PathTracer 除了能进行多线程运行，还实现了多个层次的空间加速结构，便于进行性能对比。空间加速结构能加速光线与场景中大量三角形求交的过程，最直观的做法是暴力求解，遍历每一个三角形判断相交与否。
除了 Brute Force 手段，V-PathTracer 还实现了两种不同启发式方案的 BVH (Bounding Volume Hierarchy)，一种是基于包围盒最长轴进行三角形数量平分的方案，另一种是使得划分包围盒后的面积尽可能小的方案，后者被称为 SAH (Surface Area Heuristic)。
V-PathTracer 使用自顶向下的递归方法来构建三角形数量平分的 BVH，使用递增式的算法实现动态的 SAH。递增式的算法意味着一步步向二叉树结构中插入新的三角形面元，动态的 SAH 意味着加速结构能够随时根据场景的变化来插入和删除三角形面元。动态的 SAH 实现参考了 Box2d 在 GDC 2019 上的工作 Dynamic Bounding Volume Hierarchies。
为了演示空间加速结构的效果，在单线程设定下统计构建加速结构和构建所有 G-Buffer的时长：
| 加速结构 | 耗时统计 |
|---|
| Brute Force | 14867ms |
| BVH | 3725ms |
| SAH | 161ms |
代码结构
项目代码在 GitHub 上公开：https://github.com/Zilize/V-PathTracer
根目录下包含若干目录：
ext：项目依赖的外部库，只有NanoGUI和仿 OpenGL 的数学库glm。model：放置模型Cornell Box和Stanford Bunny，均为obj格式文件。cache：存放初始化封面图init.png，每次渲染完成后会输出渲染结果framebuffer.png，如果设置了图像空间滤波功能，还会输出滤波后的结果framebufferAfterFilter.png。include：项目所包含的头文件，其中obj_loader.h来自开源单个头文件库OBJ_Loader。src：项目的 C++ 源码。
项目基于 C++ 开发，除了外部库与include中的obj_loader.h头文件，源码约有 2000 行。如果你要阅读源码，可以参考下面的关键点与概念解析：
程序从main.cpp进入application.cpp，实现所有的图形界面逻辑。当用户完成配置并点击开始按钮，便会进入Application::run函数，这里新建了一个线程管理渲染逻辑，避免图形界面发生阻塞。
Application对象中维护着一个渲染器对象renderer，每次点击按钮后都会重新初始化其中的内容，包括构建空间加速结构和 G-Buffer。
场景中的每个三角形面元抽象为一个Triangle对象，同一个物体的所有面元集成到一个Object对象中，所有Object以及空间加速结构会由Scene对象来统一管理，并向渲染器对象提供外部接口。目前Object类只是一个包装类，没有什么实际的功能，后续可添加对物体的变换接口。
每个三角形面元会通过共享指针指向特定的材质Material，材质提供了两个接口。接口reflect用于对入射的光线方向和法线方向进行采样得到出射的光线方向，以及对应的概率密度函数值；接口brdf能够根据输入的入射、出射与法线方向计算与材质相关的双向反射分布函数值。
Scene对象中实现了主要的路径追踪逻辑shade递归函数。根据材质的不同类型，实现了shadeDiffuse、shadeMirror、shadeMicrofacet三个接口，便于对各类材质进行相应的优化。
V-PathTracer 实现的微表面材质实际上是漫反射与 Cook-Torrance BRDF 的结合体。在对光源进行直接采样时，使用的是类 Diffuse 的方法，在计算普通的反射时才用了 Cook-Torrance BRDF 的分布。实现时并没有使用Material提供的reflect接口，而用的brdf接口也仅仅是提供给对光源直接进行采样使用的，类 Diffuse 的 BRDF。该写法并不优雅。
对光源进行直接采样能够有效提升渲染效率，降低画面的噪点密度。因此实现了对光源进行采样的 Diffuse 和 Microfacet 材质渲染结果良好，而没有对光源直接进行采样的 Mirror 材质收敛更困难，正如上面的实验结果所展示的。如果你想更直观地体验一下，可以在shadeDiffuse函数中只保留直接对光源采样的部分，这样相当于只有直接光照。也可以删除对光源直接进行采样的部分，同时修改普通反射面采样的条件控制（不然就没有光源了），看看暴力采样的效果。
项目运行
要编译运行项目，需要你的设备已经安装好 CMake 与 OpenGL。本指南适用于 macOS。
首先从 GitHub 克隆项目到本地，由于项目以子模块的方式链接了外部库，所以要以递归方式克隆：
git clone --recursive --depth=1 https://github.com/Zilize/V-PathTracer.git
进入项目目录并开始准备构建环境：
cd V-PathTracer
mkdir build
cd build
cmake ..
make
等待几分钟的编译后，运行项目vpathtracer：
./vpathtracer
参考文献
[1]. GAMES101：现代计算机图形学入门
[2]. GAMES202：高质量实时渲染
[3]. Real Shading in Unreal Engine 4
[4]. Dynamic Bounding Volume Hierarchies
[5]. Ray Tracing in One Weekend - The Book Series
[6]. Hammersley Points on the Hemisphere
[7]. 草履虫也能看懂的Cook-Torrance BRDF