Ray-Tracing 光线追踪算法实现

2017 fall SJTU CG course assignment2

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作者：关超宇

E-mail : frozenmad2015@outlook.com

License : MIT License

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相关文件

main.py

运行时的主程序，请将修改代码增添至该文件中

Spacial.py

空间、几何体、光源的实现代码

utils.py

一些功能函数的封装

load_model.py

从obj文件中构建模型

环境依赖项

• python 2.7 or 3.x
• numpy
• PIL
• tqdm

使用简易教程

Step 0 环境准备

最开始当然是一些引用项：

from PIL import image
import numpy as np
from Spacial import *
from utils import *
# 如果需要从.obj文件导入几何模型，那么还需要包含如下环境
# from load_model.py import *

通过重命名np.array()函数来得到更简洁的语法：

arr = np.array

接下来步入正题

Step 1 新建空间并设置参数

首先，你需要新建一个绘制物体的空间

my_space = Spacial()

Step 2 新建并设置相机

每一个空间都有一个默认的相机，该相机位于空间的(50,0,0)的位置上，方向向量为：(-1,0,0)，up向量为(0,0,1)，前景面为20，后景面无穷远。

如果需要自己设置相机的参数，可以通过新建相机并设置为空间的相机来达到目的

my_camera = Camera(position = arr([50,0,10]), orientation = arr([[np.pi/2,0,np.pi]]))
my_space.setCamera(my_camera)

Camera类的相关参数详见Spacial.py

Step 2 新建并添加几何体

接下来，你可以新建一些几何体，举个例子：

my_sphere = Circle(arr([0,0,0]),2))
my_quad = Polynominal([arr([-10,10,-10]),arr([-10,10,10]),arr([-10,-10,10]),arr([-10,-10,-10])])

目前软件可以支持的几何体有：

原生几何体

• 球体  Circle()
• 简易三角面片  Triangle()
• 三角面片 CompleteTriangle()
• 平面 Plane()

组合几何体

• 简单多边形  Polynominal()
• 多边形 Complete_Polynominal()
• 立方体 Cube()
• 从obj文件导入 get_model(path) # 此项需要import load_model.py

相关参数请参照Spacial.py的注释，原生几何体需要通过my_space.AddObject()添加入场景中，而组合几何体需要通过my_space.AddObjects()来添加。

之后要将这些几何体加入到先前定义的场景中：

my_space.AddObject(my_shpere)
my_space.AddObjects(my_quad)

Step 4 新建并添加光源 (Optional)

这个可选步骤是添加光源，没有光源的话，也可以进行渲染，但这样渲染出来的只有物体的泛在光，效果并不好，所以加入光源是一种不错的选择。

首先定义一个光源：

Light = PointLight(arr([0.,0.,40.]))

目前程序支持的光源类型有：

• 点光源 PointLight()
• 平行光源 Parallel_light()

相关参数请参照Spacial.py的注释

之后同样要将光源加入场景中：

my_space.AddLight(Light)

你也可以调用my_space.AddLights()来一次性加入多个光源（一个light_list）

Step 5 渲染

调用my_space.Render()即可渲染，改变参数可以调整是正投影还是透视投影，分辨率和窗口大小等等，该函数返回的是一个float类型数编码的RGB矩阵

im_matrix = my_space.Render(orth = True, resolution_width = 200, resolution_height = 200, width = 20, height = 20)

Step 6 显示与保存

可以利用utils.py中提供的函数Matrix2Image()来实现RGB矩阵与image的图片类型的转换，之后可以利用PIL库来执行图片的显示于保存操作

im = Matrix2Image(im_matrix)
im.show()
im.save('example.png')

相关说明

由于程序采用python写成，仅提供光线追踪算法思想的学习，并没有使用GPU，所以导致渲染速度较慢。

示例程序的环境中一共有两个球，两个三角面片，一个光源，分辨率为200*200，经计算渲染所需时间为50s左右。

再次声明，转载与引用请注明出处~