Computer-Graphics-Project

This is a document for some graphics project.
In this repositories,I will implement some basic graphics project.

Ray Tracing

渲染效果展示

• 单张（1200*675）迭代累积10spp后效果(静止相机)

• 联合滤波（实时化）效果（运动相机）

• 渲染场景展示：太阳系

核心功能

渲染管线

• 光传输模型

  • Lambertian (漫反射)、Metal (镜面反射)、Dielectric (玻璃折射)材质
  • 体积散射 (Constant Medium) 支持烟雾、雾等参与媒质
  • 发光材质 (Diffuse Light) 支持面光源和点光源
  • HDR纹理与贴图采样

• 环境光照

  • 天空盒映射 (Skybox) 基于环境贴图的光照
  • 球谐光照 (Spherical Harmonics, SH) 低频环境光预计算
  • 支持多种图像格式 (PPM, JPG, PNG等)

几何加速

• BVH (Bounding Volume Hierarchy) 加速结构

  • SAH (Surface Area Heuristic) 自适应划分
  • 支持静态场景快速构建和查询
  • O(log n) 射线求交时间复杂度

• 基础几何体

  • 球体、四边形、三角形、三角网格
  • 圆形与环形结构 (用于土星环等特殊效果)
  • 八面体等凸多面体
  • OBJ模型加载 (通过Assimp库)

采样与降噪

采样策略

• 分层采样 (Stratified Sampling)
  • 网格化样本分布，降低锯齿与噪点
• 俄罗斯轮盘赌 (Russian Roulette)
  • 概率性路径终止，避免"黑点"伪影
  • 能量守恒的无偏估计量

多层次降噪管线 (Linear Space Chain)

Raw Accumulation → Outlier Removal → Temporal Denoising → Spatial Denoising → Encoding
       (原始)           (中值检测)        (时间平滑)         (空间滤波)        (Gamma)

1. Outlier Removal (异常值移除)

   • 亮度中值滤波
   • 相对阈值 + 绝对阈值双重检测
   • 智能插值保留颜色色调

2. Temporal Denoising (时间降噪)

   • 指数移动平均 (EMA) 历史融合
   • Back Projection 运动补偿
   • 相机运动自动检测与G-Buffer驱动

3. Spatial Denoising (空间降噪)

   • Joint Bilateral Filter
   • 颜色、法线、深度多通道引导
   • 可配置滤波半径

4. G-Buffer收集

   • 深度 (Depth)、世界坐标 (Position)、法线 (Normal)、材质属性
   • 支持可视化调试 (深度图、法线图等)

实时渲染优化

• Progressive Rendering (渐进式累积)

  • 逐帧采样累积，实时反馈
  • 能量守恒的平均化
  • 可配置每帧采样数

• Tile-based Parallel Rendering

  • 32×32 Tile切分策略
  • 固定线程池 + 原子操作任务分派
  • Thread-local随机数生成器 (RNG) 避免竞争

• 单帧离线模式

  • 高质量离线渲染输出
  • 进度窗口实时显示
  • 自动PPM文件存盘

相机与交互

• 相机运动

  • 圆周轨道运动 (Orbital Motion)
  • 景深效果 (Depth of Field)
  • 焦点距离可配置

• 窗口实时显示

  • 基于Windows GDI的高效渲染窗口

项目结构

Ray Tracing 3/
├── camera.h              # 核心渲染相机类、降噪管线、多线程调度
├── hittable.h            # 射线求交基类与接口
├── material.h            # 材质与BRDF定义
├── texture.h             # 纹理与环境贴图
├── spherical_harmonics.h # 球谐光照系数计算与存储
├── bvh.h                 # BVH加速结构
├── model_loader.h        # OBJ模型加载 (Assimp)
├── render_window.h       # Windows窗口渲染后端
├── color.h               # 颜色处理与Gamma校正
├── rtweekend.h           # 工具函数、随机数、常量定义
└── main.cc               # 多个场景示例与程序入口

未来改进方向

• GPU加速 (CUDA/OptiX)
• 实时光线跟踪 (Progressive Ray Tracing)
• 更多BRDF模型 (Oren-Nayar, Cook-Torrance)
• 焦散与参与媒质改进
• 多GPU分布式渲染

参考资料

• Ray Tracing in One Weekend
• Ray Tracing: The Next Week
• Ray Tracing: The Rest of Your Life