优化光线追踪器

Question

我的任务是优化以下光线追踪器：

void Scene::RayTrace() 
{

    for (int v = 0; v < fb->h; v++)  // all vertical pixels in framebuffer
    {
        calculateFPS(); // calculates the current fps and prints it

        for (int u = 0; u < fb->w; u++) // all horizontal pixels in framebuffer
        {

            fb->Set(u, v, 0xFFAAAAAA); // background color
            fb->SetZ(u, v, FLT_MAX);  // sets the Z values to all be maximum at beginning
            V3 ray = (ppc->c + ppc->a*((float)u + .5f) + ppc->b*((float)v + .5f)).UnitVector(); // gets the camera ray

            for (int tmi = 0; tmi < tmeshesN; tmi++)  // iterates over all triangle meshes
            {
                if (!tmeshes[tmi]->enabled) // doesn't render a tmesh if it's not set to be enabled
                    continue;
                for (int tri = 0; tri < tmeshes[tmi]->trisN; tri++) // iterates over all triangles in the mesh
                {
                    V3 Vs[3]; // triangle vertices
                    Vs[0] = tmeshes[tmi]->verts[tmeshes[tmi]->tris[3 * tri + 0]];
                    Vs[1] = tmeshes[tmi]->verts[tmeshes[tmi]->tris[3 * tri + 1]];
                    Vs[2] = tmeshes[tmi]->verts[tmeshes[tmi]->tris[3 * tri + 2]];
                    V3 bgt = ppc->C.IntersectRayWithTriangleWithThisOrigin(ray, Vs); // I don't entirely understand what this does

                    if (bgt[2] < 0.0f || bgt[0] < 0.0f || bgt[1] < 0.0f || bgt[0] + bgt[1] > 1.0f) 
                        continue;
                    if (fb->zb[(fb->h - 1 - v)*fb->w + u] < bgt[2])
                        continue;

                    fb->SetZ(u, v, bgt[2]);
                    float alpha = 1.0f - bgt[0] - bgt[1];
                    float beta = bgt[0];
                    float gamma = bgt[1];
                    V3 Cs[3]; // triangle vertex colors
                    Cs[0] = tmeshes[tmi]->cols[tmeshes[tmi]->tris[3 * tri + 0]];
                    Cs[1] = tmeshes[tmi]->cols[tmeshes[tmi]->tris[3 * tri + 1]];
                    Cs[2] = tmeshes[tmi]->cols[tmeshes[tmi]->tris[3 * tri + 2]];
                    V3 color = Cs[0] * alpha + Cs[1] * beta + Cs[2] * gamma;
                    fb->Set(u, v, color.GetColor()); // sets this pixel accordingly

                }

            }


        }
        fb->redraw();
        Fl::check();
    }

}

两件事：

1. 我不完全理解ppc->C.IntersectRayWithTriangleWithThisOrigin(ray, Vs); 的作用。任何人都可以从光线追踪的角度向我解释这一点吗？这是我的“平面针孔相机”类中的函数（这个函数是给我的）：

   V3 V3::IntersectRayWithTriangleWithThisOrigin(V3 r, V3 Vs[3]) 
   {
   
       M33 m; // 3X3 matrix class
       m.SetColumn(0, Vs[1] - Vs[0]);
       m.SetColumn(1, Vs[2] - Vs[0]);
       m.SetColumn(2, r*-1.0f);
       V3 ret; // Vector3 class
       V3 &C = *this;
       ret = m.Inverse() * (C - Vs[0]);
       return ret;
   
   }
   

基本步骤很明显，我只是看不出它实际上在做什么。

1. 我将如何从这里优化这个光线追踪器？我在网上找到了一些关于“kd 树”的东西，但我不确定它们有多复杂。有没有人有一些关于优化这个的简单解决方案的好资源？我在破译外面的东西时遇到了一些困难。

谢谢！

Answer 1

到目前为止，最大的优化可能是使用某种bounding volume hierarchy。现在，代码将所有光线与所有对象的所有三角形相交。使用 BVH，我们会问：“给定这条射线，哪些三角形相交？”这意味着对于每条光线，您通常只需要测试与少数图元和三角形的交集，而不是场景中的每个三角形。

Answer 2

1. IntersectRayWithTriangleWithThisOrigin

   • 从外观上看
   • 它从三角形边创建逆变换矩阵（三角形基向量为 X,Y）
   • 没有得到 Z 轴，我希望那里的光线方向而不是像素的位置（光线原点）
   • 但可能会误解某些内容
   • 反正逆矩阵计算是最大的问题
   • 您正在为每个像素的每个三角形计算它很多
   • 在光线追踪（一次）之前计算每个三角形的逆变换矩阵会更快
   • 其中 X、Y 是基础，Z 垂直于它们的展位，始终朝向相机的同一方向
   • 然后将你的光线转换成它并检查相交的限制
   • 这只是matrix*vector 和少数ifs，而不是逆矩阵计算
   • 另一种方法是代数求解射线与平面的交点
   • 这应该会导致比矩阵求逆更简单的方程
   • 之后就是基向量边界检查的一个主题