Final Project: 用两个三角形渲染世界

演示视频: https://blurgy.xyz/cg/demo.mp4

presentation 视频: https://blurgy.xyz/cg/pre.mp4

GitHub: https://github.com/Blurgyy/rwwtt

使用

1. 在 /shaders 目录下执行 make all 以编译顶点着色器和片段着色器 (需要安装 GLSL 编译器 glslc)
2. 得到编译出的 /shaders/vert.spv 和 /shaders/icecream.spv 之后, 回到根目录下执行

$ mkdir build && cd build
$ cmake ..	# 需要 Vulkan 支持
$ make		# 编译
$ ./rwwtt 	# 运行

说明

• 使用 Vulkan 直接传递两个覆盖整个屏幕的三角形给 vertex shader. 渲染过程全部使用 GLSL 在 fragment shader 中实现.
• 在 Fragment shader 中构造距离场, 然后使用 ray marching 方法渲染场景.
• ray marching 中使用了 adaptive eps, 令固定的 epsilon 乘以当前点与起点之间的距离, 代表 ray marching 走得越远, 则判断与物体相交的条件越宽松.
• 距离场中某一位置 p 的法线方向可以通过计算距离场的梯度方向来估计, 距离场的梯度方向是该点到场景中物体的距离变化最快的方向.
• 根据 ray marching 的特性估计了软阴影, 具体: 从着色点向光源做 ray marching, 在每一步估计一个阴影, 某一步距离附近的物体越近则阴影越黑; 同时在某一步离着色点越远, 该步估计的阴影颜色应越浅, 两个因素结合起来再乘以一个系数 k, 取 ray marching 时估计的最"黑"的阴影作为着色点的阴影颜色. 如果途中打到物体, 则直接返回黑色.
• 根据 ray marching 的特性估计了环境光遮蔽. 具体: 沿表面法向量向外取若干个点 q (5 个), 根据 q 点到世界的距离 d=map(q) 和 q 点到 p 点的距离 h, 就可以估计出点 p 处的环境光遮蔽系数 occ.
• 定义了材质
• 最后添加了反走样 (SSAA 2x).

参考资料

• 调用 Vulkan API 的 C++ 代码参考自 https://vulkan-tutorial.com/
• Fragment shader 中:
  • 平滑融合两个形状的函数参考自 https://iquilezles.org/www/articles/smin/smin.htm, 使用了其中提到的多项式型 blend 函数.
  • 自己实现的圆台距离场函数因为没有考虑点在内部时的距离, 对圆台求法线时会在侧面出现大量噪点. 修正后的圆台的距离场函数参考自 https://iquilezles.org/www/articles/distfunctions/distfunctions.htm.
  • 软阴影的估计方式参考自 https://iquilezles.org/www/articles/rmshadows/rmshadows.htm.
  • 环境光遮蔽的估计方式参考自:
    • https://www.iquilezles.org/www/material/nvscene2008/rwwtt.pdf 第 53 页
    • https://www.shadertoy.com/view/lsKcDD
• ray marching 中的 adaptive eps, 使用距离场通过变换生成绕轴对称的物体, 环境光遮蔽等技巧参考自:
  • NVScene 2008: Rendering Worlds with Two Triangles: Raytracing on the GPU