https://github.com/aik2mlj/raytracer-tutorial

Raytracer tutorial for PPCA 2021, written in Rust.
https://github.com/aik2mlj/raytracer-tutorial

cg raytracing rust tutorial

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Raytracer tutorial for PPCA 2021, written in Rust.

• Host: GitHub
• URL: https://github.com/aik2mlj/raytracer-tutorial
• Owner: aik2mlj
• License: mit
• Created: 2021-07-02T08:17:11.000Z (over 4 years ago)
• Default Branch: master
• Last Pushed: 2021-08-10T01:36:56.000Z (over 4 years ago)
• Last Synced: 2024-11-09T01:34:41.353Z (about 1 year ago)
• Topics: cg, raytracing, rust, tutorial
• Language: Rust
• Homepage:
• Size: 9.22 MB
• Stars: 117
• Watchers: 1
• Forks: 5
• Open Issues: 2
• Metadata Files:
  • Readme: README.md
  • License: LICENSE

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README

          
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# Pseudo Photograph Company of ACM

工科和ACM的朋友们都已结课！看看这些了不起的艺术品：

- [工科](https://github.com/aik2mlj/raytracer-tutorial/issues/1)

- [ACM](https://github.com/aik2mlj/raytracer-tutorial/issues/2)

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ACM伪摄影公司，简称PPCA，于2021年成立😉

这个项目的主要工作是使用Rust语言实现一个光线追踪渲染器。以这个形式，你能通过学习一门新的（而且漂亮的）语言来加深对编程语言设计、编译原理的理解，同时又能趣味性地了解Computer Graphics的基础工作。

今年我们增设了作品互评环节。使用自己手写的渲染器，发挥艺术才能，创造出惊艳全场的超现实大作吧！

主要参考资料如下：

- [The Rust Programming Language](https://doc.rust-lang.org/book/title-page.html)

- [Ray Tracing in One Weekend - The Book Series](https://raytracing.github.io)

更多的参考资料信息在下方的Reference版块中。

你可以直接点击右上角的“Use this template”将这个项目复制到自己的 GitHub Profile 中。接下来，你需要做一些准备工作。

## Task 0: Preparation

* 在 `raytracer/Cargo.toml` 中，修改作者信息。

* 在 `LICENSE` 中，将作者修改为自己。你也可以换成其他许可证。

* 使用 [rustup 安装 Rust](https://doc.rust-lang.org/book/ch01-01-installation.html)。如果下载速度很慢，可以考虑使用 [SJTUG Mirror](https://mirrors.sjtug.sjtu.edu.cn) 的 rust-static 和 crates.io 镜像。

* 之后，你需要安装一些工具。首先，你需要定位到项目目录。而后，运行 `rustup component add clippy rustfmt`

* 接着，运行 `make ci`。如果程序可以正常运行，那么环境就已经配置成功了。

* 将这些更改 push 到 GitHub 上。在 GitHub Action 中，“Lint and Test”和“Build and Upload”都应当通过。

* 程序生成的结果会出现在 GitHub Action 的 artifacts 中。output 文件夹下的内容应当是程序运行时生成的。

  对 output 文件夹的修改不应该被同步到 GitHub 上（这个文件夹在 `.gitignore` 中有设置，会被 git 忽略）。

* 最后，你可以把 README.md 的教程部分删除，换成自己程序的描述、运行方法等信息。

## Task INF: Learn about Rust

我们希望在前一周的时间让大家熟悉Rust的语法。请阅读Rust书（或者你认为合适的教程）学习。

* 通常来说，你只需要用到前 6 章和第 10.2 节的内容。

* 如果碰到了 lifetime 相关的问题，请仔细阅读第 4 章，特别是 4.2 的例子。

* 当然，你也可以通过第 15 章中的智能指针解决一部分 lifetime 导致的问题。

* Rust 的面向对象特性（trait，对应 C++ 的类）可以在 10.2 中找到。

* （Advanced）涉及到多线程渲染时，你可以阅读第 15、16 章的内容。

## Task 1: One Weekend

- Ray Tracing book 1，轻巧的一个周末。

- [x] code review（60pts for 工科，30pts for ACM）：第二周周一。

  - book 1相关细节

  - Rust特性掌握（简易，不超出要求章节外）

## Task 2: Next Week

- Ray Tracing book 2

- 多线程渲染

- [x] code review （仅工科，35pts for 工科&ACM）：第二周周五下午3点

  - 必须完成部分（20pts，未做完不得分）：BVH、Rectangles and Lights；其余部分视完成情况给分，封顶为book 2全部完成 + 多线程渲染。

  - book 2实现部分的相关细节，尤其是BVH部分，请务必尝试搞懂！

  - 工科同学结课🎉 作品互评🤯

## Task 3: Rest of Your Life & Extra work

- Ray Tracing book 3（20pts for ACM）

- Advanced features（Bonus, 10pts for ACM）

  - 完成3项track即可拿满

  - 如果你手写实现了obj_loader（没有调包），只要完成2项（包括Track 7）即拿满

- [x] code review：第四周周五

  - book 3相关细节

  - advanced features相关细节

  - ACM班同学结课🎉 作品互评🤯（5pts for ACM）

### Advanced features

* **Track 1: Reduce Contention** 此项工作的前提条件是完成多线程渲染。在多线程环境中，clone / drop Arc 可能会导致性能下降。因此，我们要尽量减少 Arc 的使用。这项任务的目标是，仅在线程创建的时候 clone Arc；其他地方不出现 Arc，将 Arc 改为引用。

* **Track 2: Static Dispatch** 调用 `Box` / `Arc` / `&dyn trait` 中的函数时会产生额外的开销。我们可以通过泛型来解决这个问题。

  * 这个任务的目标是，通过定义新的泛型材质、变换和物体，比如 `LambertianStatic`，并在场景中使用他们，从而减少动态调用的开销。你也可以另开一个模块定义和之前的材质同名的 struct。

  * 你可以在 `material.rs` 里找到泛型的相关用法。

  * 仅在 `HitRecord`, `ScatterRecord` (这个在 Rest of Your Life 的剩余部分中出现), `HittableList` 和 `BVHNode` 中使用 `dyn`。

  * 如果感兴趣，可以探索如何使用 `macro_rules` 来减少几乎相同的代码写两遍的冗余。

* **Track 3: Code Generation** 此项工作的前提条件是完成 BVH。

  * 目前，`BVHNode` 是在运行时构造的。这个过程其实可以在编译期完成。我们可以通过过程宏生成所有的物体，并构造静态的 `BVHNode`，从而提升渲染效率。

  * `raytracer_codegen`和`raytracer`大概是不能共用module的，你可能需要把一些实现（如`Vec3`）简单地copy到`raytracer_codegen`下。

  * 你可以使用 `cargo expand` 来查看过程宏处理过后的代码。你也可以在编译过程中直接输出过程宏生成的代码。

  * `codegen` 部分不需要通过 clippy。

  * 如果感兴趣，你也可以探索给过程宏传参的方法。e.g. 通过 `make_spheres_impl! { 100 }` 生成可以产生 100 个球的函数。

* **Track 4: PDF Static Dispatch** 此项工作的前提条件是完成 Rest of your Life 的剩余部分。PDF 中需要处理的物体使用泛型完成，去除代码路径中的 `&dyn`。

* **Track 5: More Code Generation** 在过程宏中，读取文件，直接从 yaml 或 JSON 文件（选择一种即可）生成场景对应的程序。

  * 在 `data` 文件夹中给出了一些例子。

  * 例子中 `BVHNode` 里的 `bounding_box` 是冗余数据。你可以不使用这个数据。

  * 读 JSON / yaml 可以调包。

* **Track 6: Advanced Features** 增加对 Transform 的 PDF 支持。

* 如果你有多余的时间，你可以通过 benchmark 来测试实现功能前后的区别。

  * 完成 Track 3 前请备份代码 (比如记录 git 的 commit id)。完成 Track 4, 5, 6 时请保留原先的场景和程序，在此基础上添加新的内容。

  * 你可以使用 `criterion` crate 做 benchmark。benchmark 的内容可以是往构造好的场景中随机打光线，记录打一条光线所需的时间。

* **Track 7: Support for .obj** 支持载入obj文件并渲染。完成这一部分你可能需要：

  * 了解obj文件格式

  * 实现一个obj_loader

    * 可调包，如tobj

    * OBJ文件格式和tobj可参考[参考资料](https://docs.rs/tobj/3.0.1/tobj/)或自行搜索

  * 实现对简单多边形的渲染

  * 支持obj可以让你最后的大作更精彩哦 :)                 图源参考资料↓

  ![Rust logo with friends](http://i.imgur.com/E1ylrZW.png)

## More Information

### Makefile

`Makefile` 中包含了运行 raytracer 的常用指令。如果没有安装 `make`，你也可以直接运行 `cargo balahbalah`。

* `make fmt` 会自动格式化所有的 Rust 代码。

* `make clippy` 会对代码风格做进一步约束。

* `make test` 会运行程序中的单元测试。你编写的 `Vec3` 需要通过所有测试。

* `make run_release` 会运行优化后的程序。通常来说，你需要用这个选项运行 raytracer。否则，渲染会非常慢。

* `make run` 以 debug 模式运行程序。

* `make ci` = `fmt + clippy + test + run_release`。建议在把代码 push 到远程仓库之前运行一下 `make ci`。

### GitHub Action

这个仓库已经配置好了 GitHub Action。只要把代码 push 到远程仓库，GitHub 就会进行下面两个检查。

* **Lint and Test** 会运行所有单元测试，并检查代码风格。

* **Build and Upload** 会运行优化后的程序，并将 output 目录下生成的文件传到 build artifacts 中。

## Reference

* [The Rust Programming Language](https://doc.rust-lang.org/book/title-page.html)

* [rustlings](https://github.com/rust-lang/rustlings) 包含许多 Rust 小练习。如果你希望通过练习来学习 Rust 语言，可以尝试一下这个参考资料。

* [Ray Tracing in One Weekend — The Book Series](https://raytracing.github.io)

* （Advanced）过程宏相关

  * [Procedural Macros](https://doc.rust-lang.org/reference/procedural-macros.html) (关注 Function-like procedural macros 即可)

  * [quote crate](https://crates.io/crates/quote)

* （Advanced）JSON / yaml 读取

  * [serde-json](https://docs.serde.rs/serde_json/)，只需要关注其中的 untyped 部分。

  * [yaml-rust](https://docs.rs/yaml-rust/0.4.4/yaml_rust/)

  * 通常来说，你并不需要使用到下面这个序列化/反序列化的包。

  * [serde](https://serde.rs)