蒙特卡洛路径追踪（Monte-Carlo-Path-Tracing）

一个路径追踪小程序，利用了 CPU 多线程或 CUDA 加速计算。项目最初参考了《GAMES101: 现代计算机图形学入门》的作业7，有大幅度的调整。

学习笔记保存于知乎专栏。

A simple Monte Carlo path tracer based on assignment 7 of GAMES101 originally, accelerated by C++ multithreading or CUDA.

1 Features

1.1 Integrators

基于路径追踪（path tracing）算法的绘制方程定积分迭代求解方法，包括：
- 使用蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）计算辐射亮度（radiance）的数学期望；
- 重要性抽样（importance sampling），给定光线入射方向和表面法线方向，根据 BSDF 对光线出射方向进行重要性抽样；
- 多重重要性抽样（multiple importance sampling）：
- 按发光物体表面积直接采样光源；
- 按 BSDF 采样光源；
- 俄罗斯轮盘赌算法（Russian roulette）控制路径追踪深度；

1.2 表面散射模型（Surface Scattering Models）

微表面模型（microfacet model）定义的电介质（dielectric）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
- example:
- Dielectric
- Rough Dielectric
薄电介质（thin dielectric）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
- example: thin Dielectric
微表面模型（microfacet model）定义的导体（conductor）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
- example:
- Conductor
- Rough Conductor
- Isotropic Rough Conductor
塑料（plastic）材质，模仿 mitsuba 相应的材质；
- example:
- Plastic
- Rough Plastic
朗伯模型（Lambert's model）定义的平滑漫反射（smooth diffuse）材质；
- example: Dragon
Oren–Nayar 反射模型（Oren–Nayar reflectance model）定义的粗糙漫反射（rough diffuse）材质；
- example: mercury, smooth diffuse (Lambert's) VS. mercury, rough diffuse (Oren–Nayar)

1.3 参与介质（Participating Media）

各向同性相函数（Isotropic Phase Function）描述的参与介质，模仿 mitsuba 相应的材质；
- example: volumetric-caustic
亨尼-格林斯坦相函数（Henyey-Greenstein Phase Function）描述的参与介质，模仿 mitsuba 相应的材质；

1.4 其它

使用 Kulla 和 Conty 提出的方法，尝试补上微表面模型没有建模的，微表面之间的多重散射；
环境映射（environment mapping）
凹凸映射（bump mapping）

1.4.1 历史存档项目（Archived）特有的功能

Following features are only available in archived version.

基于双向路径追踪（bidirectional path tracing，BDPT）算法迭代求解绘制方程定积分；

2 Building & Compiling

2.1 Dependencies

项目使用 vcpkg 进行 C++ 库管理。

necessary:
- assimp
- pugixml
- stb
- tinyexr
- zlib
if enable real-time viewer:
- freeglut

automatically import from extern folder:

2.2 CMake Option

ENABLE_WATERTIGHT_TRIANGLES: Specifies whether or not enable Woop's watertight ray/triangle intersection algorithm.
ENABLE_CUDA : Specifies whether or not enable GPU-accelerated computing.
- compile as C++ project and donnot need CUDA SDK if disable.
ENABLE_CUDA_DEBUG : Specifies whether or not GPU debugging information is generated by the CUDA compiler
- no effect if disable GPU-accelerated computing.
ENABLE_VIEWER : Specifies whether or not enable real-time viewer.
- no effect if disable GPU-accelerated computing.

2.3 Usage

Command Format: [-c/--cpu/-g/--gpu/-p/--preview] --input/-i 'config path' [--output/-o 'file path] [--width/-w 'value'] [--height/-h 'value'] [--spp/-s 'value']

Program Option:

--cpu or -c: use CPU for offline rendering.
- if not specify specify CPU/CUDA/preview, use CPU.
--gpu or -g: use CUDA for offline rendering,
- no effect if disbale CUDA when compiling.
- if not specify specify CPU/CUDA/preview, use CPU.
--preview or -p: use CUDA for real-time rendering,
- no effect if disbale CUDA when compiling.
- if not specify specify CPU/CUDA/preview, use CPU.
--input or -i: read config from mitsuba format xml file.
--output or -o: output path for rendering result.
- only PNG format, default: 'result.png'.
- press 's' key to save when real-time previewing.
--width or -w: specify the width of rendering picture.
--height or -h: specify the height of rendering picture.
--spp or -s: specify the number of samples per pixel.