SimpleRayTracer

🎨 Простой CPU рейтрейсер на C++17: трассировка лучей, многопоточный рендеринг, диффузное освещение и антиалиасинг. От луча до пикселя за 10 секунд.

English | Русский

🎨 Демонстрация

Две сферы с диффузным освещением и градиентным небом

✨ Возможности

✅ Трассировка лучей с пересечением сфер
✅ Многопоточный рендеринг (использует все ядра CPU)
✅ Антиалиасинг через случайный сэмплинг (configurable samples per pixel)
✅ Диффузное освещение с ambient + diffuse компонентами
✅ Градиентное небо (белый → голубой)
✅ Gamma correction при выводе
✅ Шаблонные классы Vec3/Ray для гибкости типов

🛠 Технологии

C++17 (шаблоны, std::thread, smart pointers)
CMake (кроссплатформенная сборка)
PPM формат (простой текстовый формат изображений)
Python + Pillow (конвертация в PNG)

📦 Структура проекта

SimpleRayTracer/
├── include/          # Заголовочные файлы
│   ├── Vec3.hpp      # 3D вектор (шаблонный)
│   ├── Ray.hpp       # Луч (origin + direction)
│   ├── Hittable.hpp  # Абстрактный интерфейс для объектов
│   ├── Sphere.hpp    # Сфера (наследует Hittable)
│   ├── World.hpp     # Контейнер объектов сцены
│   ├── Camera.hpp    # Камера с viewport
│   ├── Render.hpp    # Функция трассировки луча
│   └── utils.hpp     # Утилиты (writeColor, gamma)
├── inline/           # Реализации шаблонов
│   ├── Vec3.ipp      # Операторы, dot, cross, normalize
│   └── Ray.ipp       # pointAtParameter
├── src/              # Реализации
│   ├── main.cpp      # Точка входа, многопоточность
│   ├── Sphere.cpp    # Алгоритм пересечения луч-сфера
│   ├── World.cpp     # Поиск ближайшего пересечения
│   └── Render.cpp    # Расчёт цвета пикселя
└── convert.py        # PPM → PNG конвертер

🚀 Сборка и запуск

Требования

C++17 компилятор (MSVC, GCC, Clang)
CMake 3.15+
Python 3 + Pillow (для конвертации в PNG)

Windows (MSVC)

# Установка зависимостей Python
pip install Pillow numpy

# Сборка
cmake -B build
cmake --build build --config Release

# Рендеринг
.\build\bin\Release\SimpleRayTracer.exe

# Конвертация в PNG
python convert.py

Linux/macOS

# Установка зависимостей
pip3 install Pillow numpy

# Сборка
cmake -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build build

# Рендеринг
./build/bin/SimpleRayTracer

# Конвертация
python3 convert.py

⚙️ Настройки

В src/main.cpp можно изменить параметры:

const int image_width = 800;           // Ширина изображения
const int image_height = 450;          // Высота изображения
const int samples_per_pixel = 100;     // Сэмплов на пиксель (AA)

Сцена

Добавление объектов в main():

World world;
world.add(std::make_shared<Sphere>(Vec3d(0.0, 0.0, -1.0), 0.5));    // Сфера в центре
world.add(std::make_shared<Sphere>(Vec3d(0.0, -100.5, -1.0), 100.0)); // Земля

📐 Математика

Пересечение луча со сферой

Решается квадратное уравнение:

t² * (d·d) + 2t * d·(o-c) + (o-c)·(o-c) - r² = 0

где:

d - направление луча
o - начало луча
c - центр сферы
r - радиус сферы

Диффузное освещение

Vec3d ambient = Vec3d(0.3, 0.3, 0.3);           // Базовое освещение
Vec3d diffuse = 0.7 * (normal + Vec3d(1, 1, 1)) * 0.5;  // Диффузное
return ambient + diffuse;

🎯 Производительность

Тестовая сцена (800x450, 100 samples/pixel):

Ryzen 5600X (12 потоков): ~5-10 секунд
Core i5-9400F (6 потоков): ~15-20 секунд

Оптимизации:

Многопоточный рендеринг (автоматически использует все ядра)
lengthSquared() вместо length() где возможно
Inline функции для векторных операций

🔮 Roadmap

Материалы (металл, диэлектрики, диффузные)
Отражения и преломления (рекурсивная трассировка)
Другие примитивы (плоскости, треугольники, меши)
BVH ускорение для больших сцен
Текстуры и нормал-маппинг
Depth of field и motion blur

📚 Ресурсы

Проект основан на концепциях из:

Ray Tracing in One Weekend - Peter Shirley
Physically Based Rendering - Matt Pharr & Greg Humphreys

📝 Лицензия

MIT License - делайте что хотите

🤝 Вклад

Pull requests welcome! Для крупных изменений сначала откройте issue.

Made with ☕ and ray tracing magic

FilesExpand file tree

README.ru.md

Latest commit

History