diff --git a/.gitignore b/.gitignore index c5efdf2..6de7ce9 100644 --- a/.gitignore +++ b/.gitignore @@ -21,6 +21,7 @@ bld/ [Bb]in/ [Oo]bj/ [Ll]og/ +handin/ # Visual Studio 2015 cache/options directory .vs/ @@ -260,3 +261,8 @@ paket-files/ __pycache__/ *.pyc *.sln +Bezier_curve/ +Roate_Project/handin/ +Roate_Project/img/img/ +MassSpringSystem/CGL/ +*.avi diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/02Z-Buffer_rasterize.cpp b/02Z-Buffer_rasterize/02Z-Buffer_rasterize.cpp deleted file mode 100644 index a9cfe72..0000000 --- a/02Z-Buffer_rasterize/02Z-Buffer_rasterize.cpp +++ /dev/null @@ -1,137 +0,0 @@ -// clang-format off -#include -#include -#include "rasterizer.hpp" -#include "global.hpp" -#include "Triangle.hpp" - -constexpr double MY_PI = 3.1415926; -inline double DEG2RAD(double deg) { return deg * MY_PI / 180; } -Eigen::Matrix4f get_view_matrix(Eigen::Vector3f eye_pos) -{ - Eigen::Matrix4f view = Eigen::Matrix4f::Identity(); - - Eigen::Matrix4f translate; - translate << 1, 0, 0, -eye_pos[0], - 0, 1, 0, -eye_pos[1], - 0, 0, 1, -eye_pos[2], - 0, 0, 0, 1; - - view = translate * view; - - return view; -} - -Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float rotation_angle) -{ - Eigen::Matrix4f model = Eigen::Matrix4f::Identity(); - return model; -} - -Eigen::Matrix4f get_projection_matrix(float eye_fov, float aspect_ratio, float zNear, float zFar) -{ - // TODO: Use the same projection matrix from the previous assignments - Eigen::Matrix4f projection = Eigen::Matrix4f::Identity(); - float n = zNear, f = zFar; - float t = -n * tan(eye_fov / 2.0);//Use -n because the left-hand coordinate used in the framework - // float t=fabs(n)*tan(eye_fov/2.0); //即为倒置三角形 - float r = t * aspect_ratio; - float b = -t, l = -r; - projection << (2.0*n) / (r - l), 0, (r + l) / (l - r), 0, - 0, (2.0*n) / (t - b), (t + b) / (b - t), 0, - 0, 0, (n + f) / (n - f), (2.0*n*f) / (f - n), - 0, 0, 1, 0; - - return projection; -} - -int main(int argc, const char** argv) -{ - float angle = 0; - bool command_line = false; - std::string filename = "output.png"; - - if (argc == 2) - { - command_line = true; - filename = std::string(argv[1]); - } - - rst::rasterizer r(700, 700); - - Eigen::Vector3f eye_pos = { 0,0,5 }; - - - std::vector pos - { - {2, 0, -2}, - {0, 2, -2}, - {-2, 0, -2}, - {3.5, -1, -5}, - {2.5, 1.5, -5}, - {-1, 0.5, -5} - }; - - std::vector ind - { - {0, 1, 2}, - {3, 4, 5} - }; - - std::vector cols - { - {217.0, 238.0, 185.0}, - {217.0, 238.0, 185.0}, - {217.0, 238.0, 185.0}, - {185.0, 217.0, 238.0}, - {185.0, 217.0, 238.0}, - {185.0, 217.0, 238.0} - }; - - auto pos_id = r.load_positions(pos); - auto ind_id = r.load_indices(ind); - auto col_id = r.load_colors(cols); - - int key = 0; - int frame_count = 0; - - if (command_line) - { - r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - - r.set_model(get_model_matrix(angle)); - r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); - r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); - - r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); - image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); - cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); - - cv::imwrite(filename, image); - - return 0; - } - - while (key != 27) - { - r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - - r.set_model(get_model_matrix(angle)); - r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); - r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); - - r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); - - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); - image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); - cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); - cv::imshow("image", image); - key = cv::waitKey(10); - - std::cout << "frame count: " << frame_count++ << '\n'; - } - - return 0; -} -// clang-format on \ No newline at end of file diff --git "a/02Z-Buffer_rasterize/\346\226\260\345\273\272\346\226\207\344\273\266\345\244\271/sampling.JPG" b/02Z-Buffer_rasterize/img/sampling.JPG similarity index 100% rename from "02Z-Buffer_rasterize/\346\226\260\345\273\272\346\226\207\344\273\266\345\244\271/sampling.JPG" rename to 02Z-Buffer_rasterize/img/sampling.JPG diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/img/supersampling.PNG b/02Z-Buffer_rasterize/img/supersampling.PNG new file mode 100644 index 0000000..d1fe7d5 Binary files /dev/null and b/02Z-Buffer_rasterize/img/supersampling.PNG differ diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/img/supersampling2.PNG b/02Z-Buffer_rasterize/img/supersampling2.PNG new file mode 100644 index 0000000..fdf28f7 Binary files /dev/null and b/02Z-Buffer_rasterize/img/supersampling2.PNG differ diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/main.cpp b/02Z-Buffer_rasterize/main.cpp index 7bb5225..b6ad217 100644 --- a/02Z-Buffer_rasterize/main.cpp +++ b/02Z-Buffer_rasterize/main.cpp @@ -1,4 +1,4 @@ -// clang-format off +// clang-format off #include #include #include "rasterizer.hpp" @@ -6,123 +6,135 @@ #include "Triangle.hpp" constexpr double MY_PI = 3.1415926; - +inline double DEG2RAD(double deg) { return deg * MY_PI / 180; } Eigen::Matrix4f get_view_matrix(Eigen::Vector3f eye_pos) { - Eigen::Matrix4f view = Eigen::Matrix4f::Identity(); + Eigen::Matrix4f view = Eigen::Matrix4f::Identity(); - Eigen::Matrix4f translate; - translate << 1,0,0,-eye_pos[0], - 0,1,0,-eye_pos[1], - 0,0,1,-eye_pos[2], - 0,0,0,1; + Eigen::Matrix4f translate; + translate << 1, 0, 0, -eye_pos[0], + 0, 1, 0, -eye_pos[1], + 0, 0, 1, -eye_pos[2], + 0, 0, 0, 1; - view = translate*view; + view = translate * view; - return view; + return view; } Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float rotation_angle) { - Eigen::Matrix4f model = Eigen::Matrix4f::Identity(); - return model; + Eigen::Matrix4f model = Eigen::Matrix4f::Identity(); + return model; } Eigen::Matrix4f get_projection_matrix(float eye_fov, float aspect_ratio, float zNear, float zFar) { - // TODO: Copy-paste your implementation from the previous assignment. - Eigen::Matrix4f projection; - - return projection; + // TODO: Use the same projection matrix from the previous assignments + Eigen::Matrix4f projection = Eigen::Matrix4f::Identity(); + float n = zNear, f = zFar; + float t = -n * tan(eye_fov / 2.0);//Use -n because the left-hand coordinate used in the framework + // float t=fabs(n)*tan(eye_fov/2.0); //即为倒置三角形 + float r = t * aspect_ratio; + float b = -t, l = -r; + projection << (2.0*n) / (r - l), 0, (r + l) / (l - r), 0, + 0, (2.0*n) / (t - b), (t + b) / (b - t), 0, + 0, 0, (n + f) / (n - f), (2.0*n*f) / (f - n), + 0, 0, 1, 0; + + return projection; } int main(int argc, const char** argv) { - float angle = 0; - bool command_line = false; - std::string filename = "output.png"; - - if (argc == 2) - { - command_line = true; - filename = std::string(argv[1]); - } - - rst::rasterizer r(700, 700); - - Eigen::Vector3f eye_pos = {0,0,5}; - - - std::vector pos - { - {2, 0, -2}, - {0, 2, -2}, - {-2, 0, -2}, - {3.5, -1, -5}, - {2.5, 1.5, -5}, - {-1, 0.5, -5} - }; - - std::vector ind - { - {0, 1, 2}, - {3, 4, 5} - }; - - std::vector cols - { - {217.0, 238.0, 185.0}, - {217.0, 238.0, 185.0}, - {217.0, 238.0, 185.0}, - {185.0, 217.0, 238.0}, - {185.0, 217.0, 238.0}, - {185.0, 217.0, 238.0} - }; - - auto pos_id = r.load_positions(pos); - auto ind_id = r.load_indices(ind); - auto col_id = r.load_colors(cols); - - int key = 0; - int frame_count = 0; - - if (command_line) - { - r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - - r.set_model(get_model_matrix(angle)); - r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); - r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); - - r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); - image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); - cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); - - cv::imwrite(filename, image); - - return 0; - } - - while(key != 27) - { - r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - - r.set_model(get_model_matrix(angle)); - r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); - r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); - - r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); - - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); - image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); - cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); - cv::imshow("image", image); - key = cv::waitKey(10); - - std::cout << "frame count: " << frame_count++ << '\n'; - } - - return 0; + float angle = 0; + bool command_line = false; + std::string filename = "output.png"; + + if (argc == 2) + { + command_line = true; + filename = std::string(argv[1]); + } + + rst::rasterizer r(700, 700); + + Eigen::Vector3f eye_pos = { 0,0,5 }; + + + std::vector pos + { + {2, 0, -2}, + {0, 2, -2}, + {-2, 0, -2}, + {3.5, -1, -5}, + {2.5, 1.5, -5}, + {-1, 0.5, -5} + }; + + std::vector ind + { + {0, 1, 2}, + {3, 4, 5} + }; + + std::vector cols//颜色 + { + {217.0, 238.0, 185.0}, + {217.0, 238.0, 185.0}, + {217.0, 238.0, 185.0}, + {185.0, 217.0, 238.0}, + {185.0, 217.0, 238.0}, + {185.0, 217.0, 238.0} + }; + + auto pos_id = r.load_positions(pos); + auto ind_id = r.load_indices(ind); + auto col_id = r.load_colors(cols); + + int key = 0; + int frame_count = 0; + + if (command_line) + { + r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); + + r.set_model(get_model_matrix(angle)); + r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); + r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); + + r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); + cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); + image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); + cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); + + cv::imwrite(filename, image); + + return 0; + } + + while (key != 27) + { + r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); + + r.set_model(get_model_matrix(angle)); + r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); + r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); + + r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); + + cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); + image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); + cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); + auto path = "result2x2.png"; + cv::imwrite(path, image); + cv::imshow("image", image); + + key = cv::waitKey(10); + + std::cout << "frame count: " << frame_count++ << '\n'; + } + + return 0; } // clang-format on \ No newline at end of file diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/rasterizer.cpp b/02Z-Buffer_rasterize/rasterizer.cpp index 72b0dd8..9cd1958 100644 --- a/02Z-Buffer_rasterize/rasterizer.cpp +++ b/02Z-Buffer_rasterize/rasterizer.cpp @@ -12,105 +12,105 @@ rst::pos_buf_id rst::rasterizer::load_positions(const std::vector &positions) { - auto id = get_next_id(); - pos_buf.emplace(id, positions); + auto id = get_next_id(); + pos_buf.emplace(id, positions); - return {id}; + return { id }; } rst::ind_buf_id rst::rasterizer::load_indices(const std::vector &indices) { - auto id = get_next_id(); - ind_buf.emplace(id, indices); + auto id = get_next_id(); + ind_buf.emplace(id, indices); - return {id}; + return { id }; } rst::col_buf_id rst::rasterizer::load_colors(const std::vector &cols) { - auto id = get_next_id(); - col_buf.emplace(id, cols); + auto id = get_next_id(); + col_buf.emplace(id, cols); - return {id}; + return { id }; } auto to_vec4(const Eigen::Vector3f& v3, float w = 1.0f) { - return Vector4f(v3.x(), v3.y(), v3.z(), w); + return Vector4f(v3.x(), v3.y(), v3.z(), w); } -// ���ò���Լ����ֶ����ж��Ƿ����������ڲ����� + static bool insideTriangle(float x, float y, const Vector3f* _v) -{ - // TODO : Implement this function to check if the point (x, y) is inside the triangle represented by _v[0], _v[1], _v[2] - float a=_v[0].x(),b=_v[0].y(),c=_v[1].x(),d=_v[1].y(),e=_v[2].x(),f=_v[2].y(); - float t1=(c-a)*(y-b)-(d-b)*(x-a); - float t2=(e-c)*(y-d)-(f-d)*(x-c); - float t3=(a-e)*(y-f)-(b-f)*(x-e); - bool x1=true?t1>0.0:false,x2=true?t2>0.0:false,x3=true?t3>0.0:false; - bool ret=false; - if((x1 &x2&x3) || (!x1)&(!x2)&(!x3)) ret=true; - return ret; +{ + // TODO : Implement this function to check if the point (x, y) is inside the triangle represented by _v[0], _v[1], _v[2] + float a = _v[0].x(), b = _v[0].y(), c = _v[1].x(), d = _v[1].y(), e = _v[2].x(), f = _v[2].y(); + float t1 = (c - a)*(y - b) - (d - b)*(x - a); + float t2 = (e - c)*(y - d) - (f - d)*(x - c); + float t3 = (a - e)*(y - f) - (b - f)*(x - e); + bool x1 = true ? t1 > 0.0:false, x2 = true ? t2 > 0.0:false, x3 = true ? t3 > 0.0:false; + bool ret = false; + if ((x1 &x2&x3) || (!x1)&(!x2)&(!x3)) ret = true; + return ret; } static std::tuple computeBarycentric2D(float x, float y, const Vector3f* v) { - float c1 = (x*(v[1].y() - v[2].y()) + (v[2].x() - v[1].x())*y + v[1].x()*v[2].y() - v[2].x()*v[1].y()) / (v[0].x()*(v[1].y() - v[2].y()) + (v[2].x() - v[1].x())*v[0].y() + v[1].x()*v[2].y() - v[2].x()*v[1].y()); - float c2 = (x*(v[2].y() - v[0].y()) + (v[0].x() - v[2].x())*y + v[2].x()*v[0].y() - v[0].x()*v[2].y()) / (v[1].x()*(v[2].y() - v[0].y()) + (v[0].x() - v[2].x())*v[1].y() + v[2].x()*v[0].y() - v[0].x()*v[2].y()); - float c3 = (x*(v[0].y() - v[1].y()) + (v[1].x() - v[0].x())*y + v[0].x()*v[1].y() - v[1].x()*v[0].y()) / (v[2].x()*(v[0].y() - v[1].y()) + (v[1].x() - v[0].x())*v[2].y() + v[0].x()*v[1].y() - v[1].x()*v[0].y()); - return {c1,c2,c3}; + float c1 = (x*(v[1].y() - v[2].y()) + (v[2].x() - v[1].x())*y + v[1].x()*v[2].y() - v[2].x()*v[1].y()) / (v[0].x()*(v[1].y() - v[2].y()) + (v[2].x() - v[1].x())*v[0].y() + v[1].x()*v[2].y() - v[2].x()*v[1].y()); + float c2 = (x*(v[2].y() - v[0].y()) + (v[0].x() - v[2].x())*y + v[2].x()*v[0].y() - v[0].x()*v[2].y()) / (v[1].x()*(v[2].y() - v[0].y()) + (v[0].x() - v[2].x())*v[1].y() + v[2].x()*v[0].y() - v[0].x()*v[2].y()); + float c3 = (x*(v[0].y() - v[1].y()) + (v[1].x() - v[0].x())*y + v[0].x()*v[1].y() - v[1].x()*v[0].y()) / (v[2].x()*(v[0].y() - v[1].y()) + (v[1].x() - v[0].x())*v[2].y() + v[0].x()*v[1].y() - v[1].x()*v[0].y()); + return { c1,c2,c3 }; } void rst::rasterizer::draw(pos_buf_id pos_buffer, ind_buf_id ind_buffer, col_buf_id col_buffer, Primitive type) { - auto& buf = pos_buf[pos_buffer.pos_id]; - auto& ind = ind_buf[ind_buffer.ind_id]; - auto& col = col_buf[col_buffer.col_id]; - - float f1 = (50 - 0.1) / 2.0; - float f2 = (50 + 0.1) / 2.0; - - Eigen::Matrix4f mvp = projection * view * model; - for (auto& i : ind) - { - Triangle t; - Eigen::Vector4f v[] = { - mvp * to_vec4(buf[i[0]], 1.0f), - mvp * to_vec4(buf[i[1]], 1.0f), - mvp * to_vec4(buf[i[2]], 1.0f) - }; - //Homogeneous division - for (auto& vec : v) { - vec /= vec.w(); - } - //Viewport transformation - for (auto & vert : v) - { - vert.x() = 0.5*width*(vert.x()+1.0); - vert.y() = 0.5*height*(vert.y()+1.0); - vert.z() = vert.z() * f1 + f2; - } - - for (int i = 0; i < 3; ++i) - { - t.setVertex(i, v[i].head<3>()); - t.setVertex(i, v[i].head<3>()); - t.setVertex(i, v[i].head<3>()); - } - - auto col_x = col[i[0]]; - auto col_y = col[i[1]]; - auto col_z = col[i[2]]; - - t.setColor(0, col_x[0], col_x[1], col_x[2]); - t.setColor(1, col_y[0], col_y[1], col_y[2]); - t.setColor(2, col_z[0], col_z[1], col_z[2]); - - rasterize_triangle(t); - } + auto& buf = pos_buf[pos_buffer.pos_id]; + auto& ind = ind_buf[ind_buffer.ind_id]; + auto& col = col_buf[col_buffer.col_id]; + + float f1 = (50 - 0.1) / 2.0; + float f2 = (50 + 0.1) / 2.0; + + Eigen::Matrix4f mvp = projection * view * model; + for (auto& i : ind) + { + Triangle t; + Eigen::Vector4f v[] = { + mvp * to_vec4(buf[i[0]], 1.0f), + mvp * to_vec4(buf[i[1]], 1.0f), + mvp * to_vec4(buf[i[2]], 1.0f) + }; + //Homogeneous division + for (auto& vec : v) { + vec /= vec.w(); + } + //Viewport transformation + for (auto & vert : v) + { + vert.x() = 0.5*width*(vert.x() + 1.0); + vert.y() = 0.5*height*(vert.y() + 1.0); + vert.z() = vert.z() * f1 + f2; + } + + for (int i = 0; i < 3; ++i) + { + t.setVertex(i, v[i].head<3>()); + t.setVertex(i, v[i].head<3>()); + t.setVertex(i, v[i].head<3>()); + } + + auto col_x = col[i[0]]; + auto col_y = col[i[1]]; + auto col_z = col[i[2]]; + + t.setColor(0, col_x[0], col_x[1], col_x[2]); + t.setColor(1, col_y[0], col_y[1], col_y[2]); + t.setColor(2, col_z[0], col_z[1], col_z[2]); + + rasterize_triangle(t); + } } -//Screen space rasterization + //Screen space rasterization void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t) { auto v = t.toVector4(); @@ -121,10 +121,15 @@ void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t) { int right = MAX(v[0].x(), MAX(v[1].x(), v[2].x())) + 1; int bottom = MIN(v[0].y(), MIN(v[1].y(), v[2].y())) - 1; int top = MAX(v[0].y(), MAX(v[1].y(), v[2].y())) + 1; - //����top������д����Ӧ��ȡ���ֵ - bool MSAA = true; + //option of antialiasing + bool MSAA = false; + MSAA = true; //4x4 SuperSampling - float dir[16][2] = { + const int sam_num16 = 16; + const int xy = 2; + const int x_coord = 0; + const int y_coord = 1; + float dir4x4[sam_num16][xy] = { {0.125,0.125}, {0.125,0.375}, {0.125,0.625}, @@ -142,14 +147,23 @@ void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t) { {0.875,0.625}, {0.875,0.875}, }; + + const int sam_num4 = 4; + float dir2x2[sam_num4][xy] = { + {0.25,0.25}, + {0.25,0.75}, + {0.75,0.25}, + {0.75,0.75}, + }; + if (MSAA) { for (int x = left; x <= right; x++) { for (int y = bottom; y <= top; y++) { - float min_dep = 0x7f7ffff; + float min_dep = INFINITY; int count = 0; - for (int i = 0; i < 16; i++) { - if (insideTriangle(x + dir[i][0], y + dir[i][1], t.v)) { + for (int i = 0; i < sam_num4; i++) { + if (insideTriangle(x + dir2x2[i][x_coord], y + dir2x2[i][y_coord], t.v)) { count++; std::tuple alpha = computeBarycentric2D(x, y, t.v); float w_reciprocal = 1.0 / (std::get<0>(alpha) / v[0].w() + std::get<1>(alpha) / v[1].w() + std::get<2>(alpha) / v[2].w()); @@ -161,7 +175,7 @@ void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t) { if (count == 0)continue; if (min_dep < depth_buf[get_index(x, y)]) { depth_buf[get_index(x, y)] = min_dep; - set_pixel(Vector3f(x, y, min_dep), t.getColor()*count / 16.0); + set_pixel(Vector3f(x, y, min_dep), t.getColor()*count / sam_num4); } } } @@ -184,60 +198,51 @@ void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t) { } } } - // If so, use the following code to get the interpolated z value. - //auto tpp = computeBarycentric2D(x, y, t.v); - //float alpha, beta, gamma; - //std::tie(alpha, beta, gamma)=tpp; - //float w_reciprocal = 1.0/(alpha / v[0].w() + beta / v[1].w() + gamma / v[2].w()); - //float z_interpolated = alpha * v[0].z() / v[0].w() + beta * v[1].z() / v[1].w() + gamma * v[2].z() / v[2].w(); - //z_interpolated *= w_reciprocal; - - // TODO : set the current pixel (use the set_pixel function) to the color of the triangle (use getColor function) if it should be painted. } void rst::rasterizer::set_model(const Eigen::Matrix4f& m) { - model = m; + model = m; } void rst::rasterizer::set_view(const Eigen::Matrix4f& v) { - view = v; + view = v; } void rst::rasterizer::set_projection(const Eigen::Matrix4f& p) { - projection = p; + projection = p; } void rst::rasterizer::clear(rst::Buffers buff) { - if ((buff & rst::Buffers::Color) == rst::Buffers::Color) - { - std::fill(frame_buf.begin(), frame_buf.end(), Eigen::Vector3f{0, 0, 0}); - } - if ((buff & rst::Buffers::Depth) == rst::Buffers::Depth) - { - std::fill(depth_buf.begin(), depth_buf.end(), std::numeric_limits::infinity()); - } + if ((buff & rst::Buffers::Color) == rst::Buffers::Color) + { + std::fill(frame_buf.begin(), frame_buf.end(), Eigen::Vector3f{ 0, 0, 0 }); + } + if ((buff & rst::Buffers::Depth) == rst::Buffers::Depth) + { + std::fill(depth_buf.begin(), depth_buf.end(), std::numeric_limits::infinity()); + } } rst::rasterizer::rasterizer(int w, int h) : width(w), height(h) { - frame_buf.resize(w * h); - depth_buf.resize(w * h); + frame_buf.resize(w * h); + depth_buf.resize(w * h); } int rst::rasterizer::get_index(int x, int y) { - return (height-1-y)*width + x; + return (height - 1 - y)*width + x; } void rst::rasterizer::set_pixel(const Eigen::Vector3f& point, const Eigen::Vector3f& color) { - //old index: auto ind = point.y() + point.x() * width; - auto ind = (height-1-point.y())*width + point.x(); - frame_buf[ind] = color; + //old index: auto ind = point.y() + point.x() * width; + auto ind = (height - 1 - point.y())*width + point.x(); + frame_buf[ind] = color; } diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/readme.md b/02Z-Buffer_rasterize/readme.md new file mode 100644 index 0000000..e4de80c --- /dev/null +++ b/02Z-Buffer_rasterize/readme.md @@ -0,0 +1,147 @@ +# GAMES101->assignment2 Triangles and Z-buffering + +项目地址：[here](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/02Z-Buffer_rasterize) + +## 包围盒 + +```c++ +// TODO : Find out the bounding box of current triangle. +// iterate through the pixel and find if the current pixel is inside the triangle +int left = MIN(v[0].x(), MIN(v[1].x(), v[2].x())) - 1; +int right = MAX(v[0].x(), MAX(v[1].x(), v[2].x())) + 1; +int bottom = MIN(v[0].y(), MIN(v[1].y(), v[2].y())) - 1; +int top = MAX(v[0].y(), MAX(v[1].y(), v[2].y())) + 1; +``` + +## 三角形栅格化算法 + +```c++ +for (int x = left; x <= right; x++) +{ + for (int y = bottom; y <= top; y++) + { + if (insideTriangle(x, y, t.v)) + { + std::tuple alpha = computeBarycentric2D(x, y, t.v); + float w_reciprocal = 1.0 / (std::get<0>(alpha) / v[0].w() + std::get<1>(alpha) / v[1].w() + std::get<2>(alpha) / v[2].w()); + float z_interpolated = std::get<0>(alpha) * v[0].z() / v[0].w() + std::get<1>(alpha) * v[1].z() / v[1].w() + std::get<2>(alpha) * v[2].z() / v[2].w(); + z_interpolated *= w_reciprocal; + if (z_interpolated < depth_buf[get_index(x, y)]) + { + depth_buf[get_index(x, y)] = z_interpolated; + set_pixel(Vector3f(x, y, z_interpolated), t.getColor()); + } + } + } +} +``` + +## 点是否在三角形内 + +```c++ +static bool insideTriangle(float x, float y, const Vector3f* _v) +{ + // TODO : Implement this function to check if the point (x, y) is inside the triangle represented by _v[0], _v[1], _v[2] + float a = _v[0].x(), b = _v[0].y(), c = _v[1].x(), d = _v[1].y(), e = _v[2].x(), f = _v[2].y(); + float t1 = (c - a)*(y - b) - (d - b)*(x - a); + float t2 = (e - c)*(y - d) - (f - d)*(x - c); + float t3 = (a - e)*(y - f) - (b - f)*(x - e); + bool x1 = true ? t1 > 0.0:false, x2 = true ? t2 > 0.0:false, x3 = true ? t3 > 0.0:false; + bool ret = false; + if ((x1 &x2&x3) || (!x1)&(!x2)&(!x3)) ret = true; + return ret; +} +``` + +## z-buffer 算法 + +```c++ +//... some code +if (z_interpolated < depth_buf[get_index(x, y)]) +{ + depth_buf[get_index(x, y)] = z_interpolated; + set_pixel(Vector3f(x, y, z_interpolated), t.getColor()); +} +``` + +## Anti-aliasing + +```c++ +//4x4 SuperSampling +const int sam_num16 = 16; +const int xy = 2; +const int x_coord = 0; +const int y_coord = 1; +float dir4x4[sam_num16][xy] = { + {0.125, 0.125}, + {0.125, 0.375}, + {0.125, 0.625}, + {0.125, 0.875}, + {0.375, 0.125}, + {0.375, 0.375}, + {0.375, 0.625}, + {0.375, 0.875}, + {0.625, 0.125}, + {0.625, 0.375}, + {0.625, 0.625}, + {0.625, 0.875}, + {0.875, 0.125}, + {0.875, 0.375}, + {0.875, 0.625}, + {0.875, 0.875}, +}; +//2x2 SuperSampling +const int sam_num4 = 4; +float dir2x2[sam_num4][xy] = { + {0.25, 0.25}, + {0.25, 0.75}, + {0.75, 0.25}, + {0.75, 0.75}, +}; + +for (int x = left; x <= right; x++) +{ + for (int y = bottom; y <= top; y++) + { + float min_dep = INFINITY; + int count = 0; + for (int i = 0; i < sam_num4; i++) + { + if (insideTriangle(x + dir2x2[i][x_coord], y + dir2x2[i][y_coord], t.v)) + { + count++; + std::tuple alpha = computeBarycentric2D(x, y, t.v); + float w_reciprocal = 1.0 / (std::get<0>(alpha) / v[0].w() + std::get<1>(alpha) / v[1].w() + std::get<2>(alpha) / v[2].w()); + float z_interpolated = std::get<0>(alpha) * v[0].z() / v[0].w() + std::get<1>(alpha) * v[1].z() / v[1].w() + std::get<2>(alpha) * v[2].z() / v[2].w(); + z_interpolated *= w_reciprocal; + min_dep = MIN(min_dep, z_interpolated); + } + } + if (count == 0) + continue; + if (min_dep < depth_buf[get_index(x, y)]) + { + depth_buf[get_index(x, y)] = min_dep; + set_pixel(Vector3f(x, y, min_dep), t.getColor() * count / sam_num4); + } + } +} +``` + +## 结果图 + +### 未抗锯齿 + +![result](https://i.loli.net/2021/06/24/U5l6M1RWhAxNXrV.png) + +### 2x2 MSAA + +![result2x2](https://i.loli.net/2021/06/24/Nq7f9n1pWi5QK2L.png) + +### 4X4 MSAA + +![result4x4](https://i.loli.net/2021/06/24/yPCYjwNZpR6dKlB.png) + +## 参考： + +[pcl运行无法解析的外部符号 __imp__calloc_dbg](https://blog.csdn.net/weixin_53110214/article/details/114456911) \ No newline at end of file diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/result.png b/02Z-Buffer_rasterize/result.png new file mode 100644 index 0000000..eea05e7 Binary files /dev/null and b/02Z-Buffer_rasterize/result.png differ diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/result2x2.png b/02Z-Buffer_rasterize/result2x2.png new file mode 100644 index 0000000..99e9f27 Binary files /dev/null and b/02Z-Buffer_rasterize/result2x2.png differ diff --git a/02Z-Buffer_rasterize/result4x4.png b/02Z-Buffer_rasterize/result4x4.png new file mode 100644 index 0000000..1e408db Binary files /dev/null and b/02Z-Buffer_rasterize/result4x4.png differ diff --git "a/02Z-Buffer_rasterize/\346\226\260\345\273\272\346\226\207\344\273\266\345\244\271/supersampling.JPG" "b/02Z-Buffer_rasterize/\346\226\260\345\273\272\346\226\207\344\273\266\345\244\271/supersampling.JPG" deleted file mode 100644 index bee4ba0..0000000 Binary files "a/02Z-Buffer_rasterize/\346\226\260\345\273\272\346\226\207\344\273\266\345\244\271/supersampling.JPG" and /dev/null differ diff --git a/Beizer/Bezier_curve.cpp b/Beizer/Bezier_curve.cpp new file mode 100644 index 0000000..0328354 --- /dev/null +++ b/Beizer/Bezier_curve.cpp @@ -0,0 +1,100 @@ +#include +#include +#include + +std::vector control_points; + +void mouse_handler(int event, int x, int y, int flags, void *userdata) +{ + if (event == cv::EVENT_LBUTTONDOWN && control_points.size() < 4) + { + std::cout << "Left button of the mouse is clicked - position (" << x << ", " + << y << ")" << '\n'; + control_points.emplace_back(x, y); + } +} + +void naive_bezier(const std::vector &points, cv::Mat &window) +{ + auto &p_0 = points[0]; + auto &p_1 = points[1]; + auto &p_2 = points[2]; + auto &p_3 = points[3]; + + for (double t = 0.0; t <= 1.0; t += 0.001) + { + auto point = std::pow(1 - t, 3) * p_0 + 3 * t * std::pow(1 - t, 2) * p_1 + + 3 * std::pow(t, 2) * (1 - t) * p_2 + std::pow(t, 3) * p_3; + + window.at(point.y, point.x)[2] = 255;//控制颜色 + } +} + +cv::Point2f lerp_v2f(const cv::Point2f& a, const cv::Point2f& b, float t) +{ + return a + (b - a) * t; +} + +cv::Point2f recursive_bezier(const std::vector &control_points, float t) +{ + // TODO: Implement de Casteljau's algorithm + if (control_points.size() == 1) + { + return control_points[0]; + } + + + std::vector lerp_points; + for (size_t i = 1; i < control_points.size(); i++) + { + lerp_points.push_back(lerp_v2f(control_points[i - 1], control_points[i], t)); + } + return recursive_bezier(lerp_points, t); + +} + +void bezier(const std::vector &control_points, cv::Mat &window) +{ + // TODO: Iterate through all t = 0 to t = 1 with small steps, and call de Casteljau's + // recursive Bezier algorithm. + for (double t = 0.0; t <= 1.0; t += 0.001) + { + auto point = recursive_bezier(control_points, t); + window.at(point.y, point.x)[1] = 255;//控制颜色 + } +} + +int main() +{ + cv::Mat window = cv::Mat(700, 700, CV_8UC3, cv::Scalar(0)); + cv::cvtColor(window, window, cv::COLOR_BGR2RGB); + cv::namedWindow("Bezier Curve", cv::WINDOW_AUTOSIZE); + + cv::setMouseCallback("Bezier Curve", mouse_handler, nullptr); + + int key = -1; + while (key != 27) + { + for (auto &point : control_points) + { + cv::circle(window, point, 3, { 255, 255, 255 }, 3); + } + + if (control_points.size() == 4) + { + //naive_bezier(control_points, window); + bezier(control_points, window); + + cv::imshow("Bezier Curve", window); + cv::imwrite("my_bezier_curve_off.png", window); + key = cv::waitKey(0); + + return 0; + } + + cv::imshow("Bezier Curve", window); + key = cv::waitKey(20); + } + + return 0; +} diff --git a/Beizer/readme.md b/Beizer/readme.md new file mode 100644 index 0000000..6d2c238 --- /dev/null +++ b/Beizer/readme.md @@ -0,0 +1,50 @@ +# GAMES101->assignment4 Bézier Curve + +项目地址：[here](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A4/Bezier_curve) + +## Bézier 曲线递归算法 + +```c++ +cv::Point2f recursive_bezier(const std::vector &control_points, float t) +{ + // TODO: Implement de Casteljau's algorithm + if (control_points.size() == 1) + { + return control_points[0]; + } + + + std::vector lerp_points; + for (size_t i = 1; i < control_points.size(); i++) + { + lerp_points.push_back(lerp_v2f(control_points[i - 1], control_points[i], t)); + } + return recursive_bezier(lerp_points, t); + +} +``` + +```c++ +void bezier(const std::vector &control_points, cv::Mat &window) +{ + // TODO: Iterate through all t = 0 to t = 1 with small steps, and call de Casteljau's + // recursive Bezier algorithm. + for (double t = 0.0; t <= 1.0; t += 0.001) + { + auto point = recursive_bezier(control_points, t); + window.at(point.y, point.x)[1] = 255;//控制颜色 + } +} +``` + +## 结果图 + +### naive_bezier off + +![my_bezier_curve_off2](https://i.loli.net/2021/07/12/kcCB1FT478WwQzt.png) + +![my_bezier_curve_off1](https://i.loli.net/2021/07/12/mlSePfR389CQ1uy.png) + +### naive_bezier on + +![my_bezier_curve_on2](https://i.loli.net/2021/07/12/82eLuRMAy36GICQ.png)![my_bezier_curve_on](https://i.loli.net/2021/07/12/aVtm9RI4Q2skrxY.png) \ No newline at end of file diff --git a/MassSpringSystem/README.md b/MassSpringSystem/README.md new file mode 100644 index 0000000..8aef3ab --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/README.md @@ -0,0 +1,224 @@ +# GAMES101->assignment8 质点弹簧系统 + +项目地址：[GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/MassSpringSystem at 作业1 · logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph (github.com)](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/作业1/MassSpringSystem) + +## 1.1连接绳子约束 + +```c++ +Rope::Rope(Vector2D start, Vector2D end, int num_nodes, float node_mass, float k, vector pinned_nodes) +{ + // TODO (Part 1): Create a rope starting at `start`, ending at `end`, and containing `num_nodes` nodes. + if (0 == num_nodes || 1 == num_nodes) + return; + Vector2D CurPos = start; + //treat rope as a list + Mass *p = new Mass(start, node_mass, false); + masses.push_back(p); + Mass *l = nullptr; + Spring *presentSpring = nullptr; + for (int i = 1; i <= num_nodes - 1; i++) + { + std::cout << i; + if (i == num_nodes - 1) + { + CurPos = end; + } + else + { + CurPos = start + i * (end - start) / (num_nodes - 1); + } + l = p; + p = new Mass(CurPos, node_mass, false); + presentSpring = new Spring(l, p, k); + masses.push_back(p); + springs.push_back(presentSpring); + } + // Comment-in this part when you implement the constructor + for (auto &i : pinned_nodes) + { + masses[i]->pinned = true; + } +} +``` + +![image-20210728165322003](https://i.loli.net/2021/07/28/i59bzfp6V8gkeNd.png) + +## 1.2 欧拉法 + +```C++ +void Rope::simulateEuler(float delta_t, Vector2D gravity) +{ + for (auto &s : springs) + { + // TODO (Part 2): Use Hooke's law to calculate the force on a node + Vector2D ab = s->m2->position - s->m1->position; + Vector2D f = s->k * (ab / ab.norm()) * (ab.norm() - s->rest_length); + s->m1->forces += f; + s->m2->forces -= f; + } + + for (auto &m : masses) + { + if (!m->pinned) + { + // TODO (Part 2): Add the force due to gravity, then compute the new velocity and position + m->forces += gravity * m->mass; + + // TODO (Part 2): Add global damping + + float k_d_global = 0.01; + m->forces += -k_d_global * m->velocity; + + Vector2D a = m->forces / m->mass; + + //semi-implicit method + m->velocity += a * delta_t; + m->position += m->velocity * delta_t; + + //Explicit method + // m->position += m->velocity * delta_t; + // m->velocity += a * delta_t; + } + // Reset all forces on each mass + m->forces = Vector2D(0, 0); + } +} +``` + +### 1.2.1显式欧拉法 + +非常**不稳定** + +```c++ +m->position += m->velocity * delta_t; +m->velocity += a * delta_t; +``` + +1024 step per frame + +![显式欧拉](https://i.loli.net/2021/07/28/XZBgjWxQkmwYlKi.gif) + +4096 step per frame + +![显式欧拉4096](https://i.loli.net/2021/07/28/CpUY7AiJ81DkB4w.gif) + +8192 step per frame + +![显式欧拉8192](https://i.loli.net/2021/07/28/Viyho4fBecwZPKF.gif) + +加入阻力(即使步长很小，显式欧拉系统最终还是会崩溃)： + +```c++ +float k_d_global = 0.01; +m->forces += -k_d_global * m->velocity; +``` + +![显式欧拉8192S](https://i.loli.net/2021/07/28/CztguFGwT5YSEUD.gif) + +### 1.2.2半隐式欧拉法 + +```c++ +m->velocity += a * delta_t; +m->position += m->velocity * delta_t; +``` + +8192 step per frame + + ![隐式欧拉8192](https://i.loli.net/2021/07/28/GstOJi6Be8gTlpY.gif) + +加入阻力后： + +![隐式欧拉8192S](https://i.loli.net/2021/07/28/UYJkxsAQv6ztW57.gif) + +## 1.3 Verlet法 + +```C++ +void Rope::simulateVerlet(float delta_t, Vector2D gravity) +{ + for (auto &s : springs) + { + // TODO (Part 3): Simulate one timestep of the rope using explicit Verlet （solving constraints) + Vector2D ab = s->m2->position - s->m1->position; + Vector2D f = s->k * (ab / ab.norm()) * (ab.norm() - s->rest_length); + s->m1->forces += f; + s->m2->forces -= f; + } + + for (auto &m : masses) + { + if (!m->pinned) + { + m->forces += gravity * m->mass; + Vector2D a = m->forces / m->mass; + // TODO (Part 3.1): Set the new position of the rope mass + Vector2D lastposition = m->position; + // TODO (Part 4): Add global Verlet damping + float dampfactor = 0.00005; + m->position = m->position + (1 - dampfactor) * (m->position - m->last_position) + a * delta_t * delta_t; + // m->position = m->position + (m->position - m->last_position) + a * delta_t *delta_t; + m->last_position = lastposition; + } + m->forces = Vector2D(0, 0); + } +} +``` + +### 1.3 显式 Verlet + +```c++ +m->forces += gravity * m->mass; +Vector2D a = m->forces / m->mass; +// TODO (Part 3.1): Set the new position of the rope mass +Vector2D lastposition = m->position; +// TODO (Part 4): Add global Verlet damping +float dampfactor = 0.00005; +m->position = m->position + (m->position - m->last_position) + a * delta_t * delta_t; +m->last_position = lastposition; +``` + +8192 step per frame + +![显式 Verlet8192](https://i.loli.net/2021/07/28/eOFE7JDBzLtnKxr.gif) +### 1.4 阻尼 + +```C++ +m->forces += gravity * m->mass; +Vector2D a = m->forces / m->mass; +// TODO (Part 3.1): Set the new position of the rope mass +Vector2D lastposition = m->position; +// TODO (Part 4): Add global Verlet damping +float dampfactor = 0.00005; +m->position = m->position + (1 - dampfactor) * (m->position - m->last_position) + a * delta_t * delta_t; +m->last_position = lastposition; +``` + +512 step per frame + +![显式 Verlet512](https://i.loli.net/2021/07/28/IGVQlqEmRuUBjHT.gif) + +## 综合 + +配置： + +```c++ +AppConfig() +{ + // Rope config variables + mass = 1; + ks = 100; + // Environment variables + gravity = Vector2D(0, -1); + // steps_per_frame = 64; + steps_per_frame = 256; +} +``` + +```c++ +int node_num = 8; +ropeEuler = new Rope(Vector2D(0, 200), Vector2D(-400, 200), node_num * 2, config.mass, + config.ks, {0}); +ropeVerlet = new Rope(Vector2D(0, 200), Vector2D(-400, 200), node_num, config.mass, + config.ks, {0}); +``` + +![综合](https://i.loli.net/2021/07/28/BHnfVDSxq9eEGZ8.gif) \ No newline at end of file diff --git a/MassSpringSystem/src/application.cpp b/MassSpringSystem/src/application.cpp new file mode 100644 index 0000000..4411a7c --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/application.cpp @@ -0,0 +1,110 @@ +#include + +#include "application.h" +#include "rope.h" + +namespace CGL { + +Application::Application(AppConfig config) { this->config = config; } + +Application::~Application() {} + +void Application::init() { + // Enable anti-aliasing and circular points. + glEnable(GL_LINE_SMOOTH); + glEnable(GL_POLYGON_SMOOTH); + glEnable(GL_POINT_SMOOTH); + glHint(GL_LINE_SMOOTH_HINT, GL_NICEST); + glHint(GL_POLYGON_SMOOTH_HINT, GL_NICEST); + glHint(GL_POINT_SMOOTH_HINT, GL_NICEST); + + glPointSize(8); + glLineWidth(4); + + glColor3f(1.0, 1.0, 1.0); + + int node_num =8; + // Create two ropes + ropeEuler = new Rope(Vector2D(0, 200), Vector2D(-400, 200), node_num*2, config.mass, + config.ks, {0}); + ropeVerlet = new Rope(Vector2D(0, 200), Vector2D(-400, 200), node_num, config.mass, + config.ks, {0}); +} + +void Application::render() { + //Simulation loops + for (int i = 0; i < config.steps_per_frame; i++) { + ropeEuler->simulateEuler(1 / config.steps_per_frame, config.gravity); + ropeVerlet->simulateVerlet(1 / config.steps_per_frame, config.gravity); + } + // Rendering ropes + Rope *rope; + + for (int i = 0; i < 2; i++) { + if (i == 0) { + glColor3f(0.0, 0.0, 1.0); + rope = ropeEuler; + } else { + glColor3f(0.0, 1.0, 0.0); + rope = ropeVerlet; + //rope = ropeEuler; + } + + glBegin(GL_POINTS); + + for (auto &m : rope->masses) { + Vector2D p = m->position; + glVertex2d(p.x, p.y); + } + + glEnd(); + + glBegin(GL_LINES); + + for (auto &s : rope->springs) { + Vector2D p1 = s->m1->position; + Vector2D p2 = s->m2->position; + glVertex2d(p1.x, p1.y); + glVertex2d(p2.x, p2.y); + } + + glEnd(); + + glFlush(); + } +} + +void Application::resize(size_t w, size_t h) { + screen_width = w; + screen_height = h; + + float half_width = (float)screen_width / 2; + float half_height = (float)screen_height / 2; + + glMatrixMode(GL_PROJECTION); + glLoadIdentity(); + glOrtho(-half_width, half_width, -half_height, half_height, 1, 0); +} + +void Application::keyboard_event(int key, int event, unsigned char mods) { + switch (key) { + case '-': + if (config.steps_per_frame > 1) { + config.steps_per_frame /= 2; + } + break; + case '=': + config.steps_per_frame *= 2; + break; + } +} + +string Application::name() { return "Rope Simulator"; } + +string Application::info() { + ostringstream steps; + steps << "Steps per frame: " << config.steps_per_frame; + + return steps.str(); +} +} diff --git a/MassSpringSystem/src/application.h b/MassSpringSystem/src/application.h new file mode 100644 index 0000000..9dddabf --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/application.h @@ -0,0 +1,75 @@ +#ifndef CGL_APPLICATION_H +#define CGL_APPLICATION_H + +// STL +#include +#include +#include +#include +#include + +// libCGL +#include "CGL/CGL.h" +#include "CGL/osdtext.h" +#include "CGL/renderer.h" + +#include "rope.h" + +using namespace std; + +namespace CGL { + + struct AppConfig { + AppConfig() { + // Rope config variables + mass = 1; + ks = 100; + + // Environment variables + gravity = Vector2D(0, -1); +// steps_per_frame = 64; + steps_per_frame = 256; + } + + float mass; + float ks; + + float steps_per_frame; + Vector2D gravity; + }; + + class Application : public Renderer { + public: + Application(AppConfig config); + + ~Application(); + + void init(); + + void render(); + + void resize(size_t w, size_t h); + + std::string name(); + + std::string info(); + + void keyboard_event(int key, int event, unsigned char mods); + // void cursor_event(float x, float y); + // void scroll_event(float offset_x, float offset_y); + // void mouse_event(int key, int event, unsigned char mods); + + private: + AppConfig config; + + Rope *ropeEuler; + Rope *ropeVerlet; + + size_t screen_width; + size_t screen_height; + + }; // class Application + +} // namespace CGL + +#endif // CGL_APPLICATION_H diff --git a/MassSpringSystem/src/main.cpp b/MassSpringSystem/src/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..c627ad8 --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/main.cpp @@ -0,0 +1,60 @@ +#include "CGL/CGL.h" +#include "CGL/viewer.h" + +#include "application.h" +typedef uint32_t gid_t; + +#include +#include + +using namespace std; +using namespace CGL; + +void usage(const char *binaryName) { + printf("Usage: %s [options] \n", binaryName); + printf("Program Options:\n"); + printf(" -m Mass per node\n"); + printf(" -g Gravity vector (x, y)\n"); + printf(" -s Number of steps per simulation frame\n"); + printf("\n"); +} + +int main(int argc, char **argv) { + AppConfig config; + int opt; + + while ((opt = getopt(argc, argv, "s:l:t:m:e:h:f:r:c:a:p:")) != -1) { + switch (opt) { + case 'm': + config.mass = atof(optarg); + break; + case 'g': + config.gravity = Vector2D(atof(argv[optind - 1]), atof(argv[optind])); + optind++; + break; + case 's': + config.steps_per_frame = atoi(optarg); + break; + default: + usage(argv[0]); + return 1; + } + } + + // create application + Application *app = new Application(config); + + // create viewer + Viewer viewer = Viewer(); + + // set renderer + viewer.set_renderer(app); + + // init viewer + viewer.init(); + + // start viewer + viewer.start(); + + return 0; +} diff --git a/MassSpringSystem/src/mass.h b/MassSpringSystem/src/mass.h new file mode 100644 index 0000000..e1696f3 --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/mass.h @@ -0,0 +1,30 @@ +#ifndef MASS_H +#define MASS_H + +#include "CGL/CGL.h" +#include "CGL/vector2D.h" + +using namespace CGL; + +struct Mass { + Mass(Vector2D position, float mass, bool pinned) + : start_position(position), position(position), last_position(position), + mass(mass), pinned(pinned) {} + + float mass; + bool pinned; + + Vector2D start_position; + Vector2D position; + + // explicit Verlet integration + + Vector2D last_position; + + // explicit Euler integration + + Vector2D velocity; + Vector2D forces; +}; + +#endif /* MASS_H */ diff --git a/MassSpringSystem/src/rope.cpp b/MassSpringSystem/src/rope.cpp new file mode 100644 index 0000000..c416a45 --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/rope.cpp @@ -0,0 +1,106 @@ +#include +#include + +#include "CGL/vector2D.h" + +#include "mass.h" +#include "rope.h" +#include "spring.h" + +namespace CGL { + + Rope::Rope(Vector2D start, Vector2D end, int num_nodes, float node_mass, float k, vector pinned_nodes) { + // TODO (Part 1): Create a rope starting at `start`, ending at `end`, and containing `num_nodes` nodes. + if (0 == num_nodes || 1 == num_nodes) + return; + Vector2D CurPos = start; + //treat rope as a list + Mass *p = new Mass(start, node_mass, false); + masses.push_back(p); + Mass *l = nullptr; + Spring *presentSpring = nullptr; + for (int i = 1; i <= num_nodes - 1; i++) { + std::cout << i; + if (i == num_nodes - 1) { + CurPos = end; + } else { + CurPos = start + i * (end - start) / (num_nodes - 1); + } + l = p; + p = new Mass(CurPos, node_mass, false); + presentSpring = new Spring(l, p, k); + masses.push_back(p); + springs.push_back(presentSpring); + } +// Comment-in this part when you implement the constructor + for (auto &i : pinned_nodes) { + masses[i]->pinned = true; + } + } + + void Rope::simulateEuler(float delta_t, Vector2D gravity) { + for (auto &s : springs) { + // TODO (Part 2): Use Hooke's law to calculate the force on a node + Vector2D ab = s->m2->position - s->m1->position; + Vector2D f = s->k * (ab / ab.norm()) * (ab.norm() - s->rest_length); + s->m1->forces += f; + s->m2->forces -= f; + } + + for (auto &m : masses) { + if (!m->pinned) { + // TODO (Part 2): Add the force due to gravity, then compute the new velocity and position + m->forces += gravity * m->mass; + + + // TODO (Part 2): Add global damping + + float k_d_global = 0.01; + m->forces += -k_d_global * m->velocity; + + + Vector2D a = m->forces / m->mass; + + //semi-implicit method + m->velocity += a * delta_t; + m->position += m->velocity * delta_t; + + //Explicit method +// m->position += m->velocity * delta_t; +// m->velocity += a * delta_t; + + } + // Reset all forces on each mass + m->forces = Vector2D(0, 0); + } + } + + void Rope::simulateVerlet(float delta_t, Vector2D gravity) { + for (auto &s : springs) + { + // TODO (Part 3): Simulate one timestep of the rope using explicit Verlet （solving constraints) + Vector2D ab = s->m2->position - s->m1->position; + Vector2D f = s->k * (ab / ab.norm()) * (ab.norm() - s->rest_length); + s->m1->forces += f; + s->m2->forces -= f; + } + + for (auto &m : masses) + { + if (!m->pinned) + { + m->forces += gravity * m->mass; + Vector2D a = m->forces / m->mass; + + // TODO (Part 3.1): Set the new position of the rope mass + Vector2D lastposition = m->position; + // TODO (Part 4): Add global Verlet damping + float dampfactor = 0.00005; + m->position = m->position + (1 - dampfactor) * (m->position - m->last_position) + a * delta_t *delta_t; +// m->position = m->position + (m->position - m->last_position) + a * delta_t *delta_t; + m->last_position = lastposition; + } + m->forces = Vector2D(0,0); + } + } +} diff --git a/MassSpringSystem/src/rope.h b/MassSpringSystem/src/rope.h new file mode 100644 index 0000000..8d307c9 --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/rope.h @@ -0,0 +1,26 @@ +#ifndef ROPE_H +#define ROPE_H + +#include "CGL/CGL.h" +#include "mass.h" +#include "spring.h" + +using namespace std; + +namespace CGL { + +class Rope { +public: + Rope(vector &masses, vector &springs) + : masses(masses), springs(springs) {} + Rope(Vector2D start, Vector2D end, int num_nodes, float node_mass, float k, + vector pinned_nodes); + + void simulateVerlet(float delta_t, Vector2D gravity); + void simulateEuler(float delta_t, Vector2D gravity); + + vector masses; + vector springs; +}; // struct Rope +} +#endif /* ROPE_H */ diff --git a/MassSpringSystem/src/spring.h b/MassSpringSystem/src/spring.h new file mode 100644 index 0000000..8302d1b --- /dev/null +++ b/MassSpringSystem/src/spring.h @@ -0,0 +1,22 @@ +#ifndef SPRING_H +#define SPRING_H + +#include "CGL/CGL.h" +#include "mass.h" + +using namespace std; + +namespace CGL { + +struct Spring { + Spring(Mass *a, Mass *b, float k) + : m1(a), m2(b), k(k), rest_length((a->position - b->position).norm()) {} + + float k; + double rest_length; + + Mass *m1; + Mass *m2; +}; // struct Spring +} +#endif /* SPRING_H */ diff --git a/OwnSoftRender/Bunny/Gouraud/output1.tga b/OwnSoftRender/Bunny/Gouraud/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..7ff8bc0 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Bunny/Gouraud/output1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Bunny/Gouraud/zbuffer1.tga b/OwnSoftRender/Bunny/Gouraud/zbuffer1.tga new file mode 100644 index 0000000..c6e154f Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Bunny/Gouraud/zbuffer1.tga differ diff --git "a/OwnSoftRender/Bunny/\345\257\274\345\207\272\347\274\251\346\224\276\346\257\224\344\276\213.PNG" "b/OwnSoftRender/Bunny/\345\257\274\345\207\272\347\274\251\346\224\276\346\257\224\344\276\213.PNG" new file mode 100644 index 0000000..378c484 Binary files /dev/null and "b/OwnSoftRender/Bunny/\345\257\274\345\207\272\347\274\251\346\224\276\346\257\224\344\276\213.PNG" differ diff --git "a/OwnSoftRender/Bunny/\345\257\274\345\207\272\350\256\276\347\275\256.PNG" "b/OwnSoftRender/Bunny/\345\257\274\345\207\272\350\256\276\347\275\256.PNG" new file mode 100644 index 0000000..e4ddee6 Binary files /dev/null and "b/OwnSoftRender/Bunny/\345\257\274\345\207\272\350\256\276\347\275\256.PNG" differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output1.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..4ed2fda Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output2.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output2.tga new file mode 100644 index 0000000..37e3ca5 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output2.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output3.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output3.tga new file mode 100644 index 0000000..92aabc8 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output3.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output4.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output4.tga new file mode 100644 index 0000000..50ee113 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output4.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output5.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output5.tga new file mode 100644 index 0000000..153266a Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output5.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output6.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output6.tga new file mode 100644 index 0000000..6cfd700 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output6.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output7.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output7.tga new file mode 100644 index 0000000..4c0845c Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output7.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output8.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output8.tga new file mode 100644 index 0000000..417be5b Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/output8.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer1.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer1.tga new file mode 100644 index 0000000..7922c83 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer2.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer2.tga new file mode 100644 index 0000000..3dedfd2 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer2.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer3.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer3.tga new file mode 100644 index 0000000..0c38909 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer3.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer4.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer4.tga new file mode 100644 index 0000000..a171a9b Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer4.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer5.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer5.tga new file mode 100644 index 0000000..59f2e89 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer5.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer6.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer6.tga new file mode 100644 index 0000000..900a3f6 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer6.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer7.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer7.tga new file mode 100644 index 0000000..02ed234 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer7.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer8.tga b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer8.tga new file mode 100644 index 0000000..d0c6aa9 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Dragon/Gouraud/zbuffer8.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Gouraud/output.tga b/OwnSoftRender/Gouraud/output.tga new file mode 100644 index 0000000..17e0f13 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Gouraud/output.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Gouraud/output1.tga b/OwnSoftRender/Gouraud/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..2935692 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Gouraud/output1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Gouraud/zbuffer.tga b/OwnSoftRender/Gouraud/zbuffer.tga new file mode 100644 index 0000000..7224877 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Gouraud/zbuffer.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/Gouraud/zbuffer1.tga b/OwnSoftRender/Gouraud/zbuffer1.tga new file mode 100644 index 0000000..30b7f76 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/Gouraud/zbuffer1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/fish/output0.tga b/OwnSoftRender/fish/output0.tga new file mode 100644 index 0000000..5d85745 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/fish/output0.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/fish/output1.tga b/OwnSoftRender/fish/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..82517aa Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/fish/output1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/framebuffer.tga b/OwnSoftRender/framebuffer.tga new file mode 100644 index 0000000..def08cb Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/framebuffer.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/framebuffer2.tga b/OwnSoftRender/framebuffer2.tga new file mode 100644 index 0000000..4c70f99 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/framebuffer2.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/geometry.cpp b/OwnSoftRender/geometry.cpp new file mode 100644 index 0000000..3b6b2f2 --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/geometry.cpp @@ -0,0 +1,7 @@ +#include "geometry.h" + +template <> template <> vec<3,int> ::vec(const vec<3,float> &v) : x(int(v.x+.5f)),y(int(v.y+.5f)),z(int(v.z+.5f)) {} +template <> template <> vec<3,float>::vec(const vec<3,int> &v) : x(v.x),y(v.y),z(v.z) {} +template <> template <> vec<2,int> ::vec(const vec<2,float> &v) : x(int(v.x+.5f)),y(int(v.y+.5f)) {} +template <> template <> vec<2,float>::vec(const vec<2,int> &v) : x(v.x),y(v.y) {} + diff --git a/OwnSoftRender/geometry.h b/OwnSoftRender/geometry.h new file mode 100644 index 0000000..b744c74 --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/geometry.h @@ -0,0 +1,211 @@ +#ifndef __GEOMETRY_H__ +#define __GEOMETRY_H__ +#include +#include +#include +#include + +template class mat; + +template struct vec { + vec() { for (size_t i=DIM; i--; data_[i] = T()); } + T& operator[](const size_t i) { assert(i struct vec<2,T> { + vec() : x(T()), y(T()) {} + vec(T X, T Y) : x(X), y(Y) {} + template vec<2,T>(const vec<2,U> &v); + T& operator[](const size_t i) { assert(i<2); return i<=0 ? x : y; } + const T& operator[](const size_t i) const { assert(i<2); return i<=0 ? x : y; } + + T x,y; +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template struct vec<3,T> { + vec() : x(T()), y(T()), z(T()) {} + vec(T X, T Y, T Z) : x(X), y(Y), z(Z) {} + template vec<3,T>(const vec<3,U> &v); + T& operator[](const size_t i) { assert(i<3); return i<=0 ? x : (1==i ? y : z); } + const T& operator[](const size_t i) const { assert(i<3); return i<=0 ? x : (1==i ? y : z); } + float norm() { return std::sqrt(x*x+y*y+z*z); } + vec<3,T> & normalize(T l=1) { *this = (*this)*(l/norm()); return *this; } + + T x,y,z; +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template T operator*(const vec& lhs, const vec& rhs) { + T ret = T(); + for (size_t i=DIM; i--; ret+=lhs[i]*rhs[i]); + return ret; +} + + +templatevec operator+(vec lhs, const vec& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]+=rhs[i]); + return lhs; +} + +templatevec operator-(vec lhs, const vec& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]-=rhs[i]); + return lhs; +} + +template vec operator*(vec lhs, const U& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]*=rhs); + return lhs; +} + +template vec operator/(vec lhs, const U& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]/=rhs); + return lhs; +} + +template vec embed(const vec &v, T fill=1) { + vec ret; + for (size_t i=LEN; i--; ret[i]=(i vec proj(const vec &v) { + vec ret; + for (size_t i=LEN; i--; ret[i]=v[i]); + return ret; +} + +template vec<3,T> cross(vec<3,T> v1, vec<3,T> v2) { + return vec<3,T>(v1.y*v2.z - v1.z*v2.y, v1.z*v2.x - v1.x*v2.z, v1.x*v2.y - v1.y*v2.x); +} + +template std::ostream& operator<<(std::ostream& out, vec& v) { + for(unsigned int i=0; i struct dt { + static T det(const mat& src) { + T ret=0; + for (size_t i=DIM; i--; ret += src[0][i]*src.cofactor(0,i)); + return ret; + } +}; + +template struct dt<1,T> { + static T det(const mat<1,1,T>& src) { + return src[0][0]; + } +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template class mat { + vec rows[DimRows]; +public: + mat() {} + + vec& operator[] (const size_t idx) { + assert(idx& operator[] (const size_t idx) const { + assert(idx col(const size_t idx) const { + assert(idx ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ret[i]=rows[i][idx]); + return ret; + } + + void set_col(size_t idx, vec v) { + assert(idx identity() { + mat ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ) + for (size_t j=DimCols;j--; ret[i][j]=(i==j)); + return ret; + } + + T det() const { + return dt::det(*this); + } + + mat get_minor(size_t row, size_t col) const { + mat ret; + for (size_t i=DimRows-1; i--; ) + for (size_t j=DimCols-1;j--; ret[i][j]=rows[i adjugate() const { + mat ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ) + for (size_t j=DimCols; j--; ret[i][j]=cofactor(i,j)); + return ret; + } + + mat invert_transpose() { + mat ret = adjugate(); + T tmp = ret[0]*rows[0]; + return ret/tmp; + } +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template vec operator*(const mat& lhs, const vec& rhs) { + vec ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ret[i]=lhs[i]*rhs); + return ret; +} + +templatemat operator*(const mat& lhs, const mat& rhs) { + mat result; + for (size_t i=R1; i--; ) + for (size_t j=C2; j--; result[i][j]=lhs[i]*rhs.col(j)); + return result; +} + +templatemat operator/(mat lhs, const T& rhs) { + for (size_t i=DimRows; i--; lhs[i]=lhs[i]/rhs); + return lhs; +} + +template std::ostream& operator<<(std::ostream& out, mat& m) { + for (size_t i=0; i Vec2f; +typedef vec<2, int> Vec2i; +typedef vec<3, float> Vec3f; +typedef vec<3, int> Vec3i; +typedef vec<4, float> Vec4f; +typedef mat<4,4,float> Matrix; +#endif //__GEOMETRY_H__ + diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer10.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer10.tga new file mode 100644 index 0000000..8872331 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer10.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer11.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer11.tga new file mode 100644 index 0000000..404d531 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer11.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer12.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer12.tga new file mode 100644 index 0000000..2cf62b6 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer12.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer2.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer2.tga new file mode 100644 index 0000000..f8dabeb Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer2.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer3.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer3.tga new file mode 100644 index 0000000..f8dabeb Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer3.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer4.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer4.tga new file mode 100644 index 0000000..2cf62b6 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer4.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer5.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer5.tga new file mode 100644 index 0000000..2cf62b6 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer5.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/framebuffer9.tga b/OwnSoftRender/head/framebuffer9.tga new file mode 100644 index 0000000..8108e9a Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/framebuffer9.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/output.tga b/OwnSoftRender/head/output.tga new file mode 100644 index 0000000..1c5c101 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/output.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/output1.tga b/OwnSoftRender/head/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..b3fc299 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/output1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/zbuffer.tga b/OwnSoftRender/head/zbuffer.tga new file mode 100644 index 0000000..c633c97 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/zbuffer.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/head/zbuffer1.tga b/OwnSoftRender/head/zbuffer1.tga new file mode 100644 index 0000000..c633c97 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/head/zbuffer1.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/main.cpp b/OwnSoftRender/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..334b8f7 --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/main.cpp @@ -0,0 +1,74 @@ +#include +#include + +#include "tgaimage.h" +#include "model.h" +#include "geometry.h" +#include "our_gl.h" +#include +#include"path.h" +Model *model = NULL; +const int width = 800; +const int height = 800; + +Vec3f light_dir(0,0,1); +Vec3f eye(-1,-1,1); +Vec3f center(0,0,0); +Vec3f up(0,1,0); + +struct GouraudShader : public IShader { + Vec3f varying_intensity; // written by vertex shader, read by fragment shader + + virtual Vec4f vertex(int iface, int nthvert) { + Vec4f gl_Vertex = embed<4>(model->vert(iface, nthvert)); // read the vertex from .obj file + gl_Vertex = Viewport*Projection*ModelView*gl_Vertex; // transform it to screen coordinates + varying_intensity[nthvert] = std::max(0.f, model->normal(iface, nthvert)*light_dir); // get diffuse lighting intensity + return gl_Vertex; + } + + virtual bool fragment(Vec3f pixel, TGAColor &color) { + float intensity = varying_intensity*pixel; // interpolate intensity for the current pixel + color = TGAColor(255, 255, 255)*intensity; // well duh + return false; // no, we do not discard this pixel + } +}; + +int main(int argc, char** argv) { + if (2==argc) { + model = new Model(argv[1]); + } else { + // model = new Model("obj/african_head.obj"); + model = new Model(imread_path_head); + } + float eof = -1; + eye = eye * eof; + light_dir = light_dir * eof; + lookat(eye, center, up); + //lookatZ(); + viewport(width / 8, height / 8, width * 3 / 4, height * 3 / 4); + projection(-1.f/(eye-center).norm()); + //projection(); + light_dir.normalize(); + + TGAImage image (width, height, TGAImage::RGB); + TGAImage zbuffer(width, height, TGAImage::GRAYSCALE); + + GouraudShader shader; + for (int i=0; infaces(); i++) { + Vec4f screen_coords[3]; + for (int j=0; j<3; j++) { + screen_coords[j] = shader.vertex(i, j); + } + triangle(screen_coords, shader, image, zbuffer); + } + + image. flip_vertically(); // to place the origin in the bottom left corner of the image + zbuffer.flip_vertically(); + //image. write_tga_file("Gouraud/output1.tga"); + //zbuffer.write_tga_file("Gouraud/zbuffer1.tga"); + + image.write_tga_file(imwrite_path_Dragon); + zbuffer.write_tga_file(imwrite_pathZ_Dragon); + delete model; + return 0; +} diff --git a/OwnSoftRender/model.cpp b/OwnSoftRender/model.cpp new file mode 100644 index 0000000..82734db --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/model.cpp @@ -0,0 +1,108 @@ +#include +#include +#include +#include "model.h" + +Model::Model(const char *filename) : verts_(), faces_(), norms_(), uv_(), diffusemap_(), normalmap_(), specularmap_() { + std::ifstream in; + in.open (filename, std::ifstream::in); + if (in.fail()) return; + std::string line; + while (!in.eof()) { + std::getline(in, line); + std::istringstream iss(line.c_str()); + char trash; + if (!line.compare(0, 2, "v ")) { + iss >> trash; + Vec3f v; + for (int i=0;i<3;i++) iss >> v[i]; + verts_.push_back(v); + } else if (!line.compare(0, 3, "vn ")) { + iss >> trash >> trash; + Vec3f n; + for (int i=0;i<3;i++) iss >> n[i]; + norms_.push_back(n); + } else if (!line.compare(0, 3, "vt ")) { + iss >> trash >> trash; + Vec2f uv; + for (int i=0;i<2;i++) iss >> uv[i]; + uv_.push_back(uv); + } else if (!line.compare(0, 2, "f ")) { + std::vector f; + Vec3i tmp; + iss >> trash; + while (iss >> tmp[0] >> trash >> tmp[1] >> trash >> tmp[2]) { + for (int i=0; i<3; i++) tmp[i]--; // in wavefront obj all indices start at 1, not zero + f.push_back(tmp); + } + faces_.push_back(f); + } + } + std::cerr << "# v# " << verts_.size() << " f# " << faces_.size() << " vt# " << uv_.size() << " vn# " << norms_.size() << std::endl; + load_texture(filename, "_diffuse.tga", diffusemap_); + load_texture(filename, "_nm.tga", normalmap_); + load_texture(filename, "_spec.tga", specularmap_); +} + +Model::~Model() {} + +int Model::nverts() { + return (int)verts_.size(); +} + +int Model::nfaces() { + return (int)faces_.size(); +} + +std::vector Model::face(int idx) { + std::vector face; + for (int i=0; i<(int)faces_[idx].size(); i++) face.push_back(faces_[idx][i][0]); + return face; +} + +Vec3f Model::vert(int i) { + return verts_[i]; +} + +Vec3f Model::vert(int iface, int nthvert) { + return verts_[faces_[iface][nthvert][0]]; +} + +void Model::load_texture(std::string filename, const char *suffix, TGAImage &img) { + std::string texfile(filename); + size_t dot = texfile.find_last_of("."); + if (dot!=std::string::npos) { + texfile = texfile.substr(0,dot) + std::string(suffix); + std::cerr << "texture file " << texfile << " loading " << (img.read_tga_file(texfile.c_str()) ? "ok" : "failed") << std::endl; + img.flip_vertically(); + } +} + +TGAColor Model::diffuse(Vec2f uvf) { + Vec2i uv(uvf[0]*diffusemap_.get_width(), uvf[1]*diffusemap_.get_height()); + return diffusemap_.get(uv[0], uv[1]); +} + +Vec3f Model::normal(Vec2f uvf) { + Vec2i uv(uvf[0]*normalmap_.get_width(), uvf[1]*normalmap_.get_height()); + TGAColor c = normalmap_.get(uv[0], uv[1]); + Vec3f res; + for (int i=0; i<3; i++) + res[2-i] = (float)c[i]/255.f*2.f - 1.f; + return res; +} + +Vec2f Model::uv(int iface, int nthvert) { + return uv_[faces_[iface][nthvert][1]]; +} + +float Model::specular(Vec2f uvf) { + Vec2i uv(uvf[0]*specularmap_.get_width(), uvf[1]*specularmap_.get_height()); + return specularmap_.get(uv[0], uv[1])[0]/1.f; +} + +Vec3f Model::normal(int iface, int nthvert) { + int idx = faces_[iface][nthvert][2]; + return norms_[idx].normalize(); +} + diff --git a/OwnSoftRender/model.h b/OwnSoftRender/model.h new file mode 100644 index 0000000..035cc11 --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/model.h @@ -0,0 +1,33 @@ +#ifndef __MODEL_H__ +#define __MODEL_H__ +#include +#include +#include "geometry.h" +#include "tgaimage.h" + +class Model { +private: + std::vector verts_; + std::vector > faces_; // attention, this Vec3i means vertex/uv/normal + std::vector norms_; + std::vector uv_; + TGAImage diffusemap_; + TGAImage normalmap_; + TGAImage specularmap_; + void load_texture(std::string filename, const char *suffix, TGAImage &img); +public: + Model(const char *filename); + ~Model(); + int nverts(); + int nfaces(); + Vec3f normal(int iface, int nthvert); + Vec3f normal(Vec2f uv); + Vec3f vert(int i); + Vec3f vert(int iface, int nthvert); + Vec2f uv(int iface, int nthvert); + TGAColor diffuse(Vec2f uv); + float specular(Vec2f uv); + std::vector face(int idx); +}; +#endif //__MODEL_H__ + diff --git a/OwnSoftRender/our_gl.cpp b/OwnSoftRender/our_gl.cpp new file mode 100644 index 0000000..0eac40a --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/our_gl.cpp @@ -0,0 +1,88 @@ +#include +#include +#include +#include "our_gl.h" + +Matrix ModelView; +Matrix Viewport; +Matrix Projection; + +IShader::~IShader() {} + +void viewport(int x, int y, int w, int h) { + Viewport = Matrix::identity(); + Viewport[0][3] = x+w/2.f; + Viewport[1][3] = y+h/2.f; + Viewport[2][3] = 255.f/2.f; + Viewport[0][0] = w/2.f; + Viewport[1][1] = h/2.f; + Viewport[2][2] = 255.f/2.f; +} + +void projection(float coeff) { + Projection = Matrix::identity(); + Projection[3][2] = coeff; +} + +void projection() { + Projection = Matrix::identity(); +} + +void lookat(Vec3f eye, Vec3f center, Vec3f up) { + Vec3f z = (eye-center).normalize(); + Vec3f x = cross(up,z).normalize(); + Vec3f y = cross(z,x).normalize(); + ModelView = Matrix::identity(); + for (int i=0; i<3; i++) { + ModelView[0][i] = x[i]; + ModelView[1][i] = y[i]; + ModelView[2][i] = z[i]; + ModelView[i][3] = -center[i]; + } +} + +void lookatZ() +{ + ModelView = Matrix::identity(); +} + +Vec3f barycentric(Vec2f A, Vec2f B, Vec2f C, Vec2f P) { + Vec3f s[2]; + for (int i=2; i--; ) { + s[i][0] = C[i]-A[i]; + s[i][1] = B[i]-A[i]; + s[i][2] = A[i]-P[i]; + } + Vec3f u = cross(s[0], s[1]); + if (std::abs(u[2])>1e-2) // dont forget that u[2] is integer. If it is zero then triangle ABC is degenerate + return Vec3f(1.f-(u.x+u.y)/u.z, u.y/u.z, u.x/u.z); + return Vec3f(-1,1,1); // in this case generate negative coordinates, it will be thrown away by the rasterizator +} + +void triangle(Vec4f *pts, IShader &shader, TGAImage &image, TGAImage &zbuffer) { + Vec2f bboxmin( std::numeric_limits::max(), std::numeric_limits::max()); + Vec2f bboxmax(-std::numeric_limits::max(), -std::numeric_limits::max()); + for (int i=0; i<3; i++) { + for (int j=0; j<2; j++) { + bboxmin[j] = std::min(bboxmin[j], pts[i][j]/pts[i][3]); + bboxmax[j] = std::max(bboxmax[j], pts[i][j]/pts[i][3]); + } + } + Vec2i P; + TGAColor color; + for (P.x=bboxmin.x; P.x<=bboxmax.x; P.x++) { + for (P.y=bboxmin.y; P.y<=bboxmax.y; P.y++) { + Vec3f c = barycentric(proj<2>(pts[0]/pts[0][3]), proj<2>(pts[1]/pts[1][3]), proj<2>(pts[2]/pts[2][3]), proj<2>(P)); + float z = pts[0][2]*c.x + pts[1][2]*c.y + pts[2][2]*c.z; + float w = pts[0][3]*c.x + pts[1][3]*c.y + pts[2][3]*c.z; + int frag_depth = std::max(0, std::min(255, int(z/w+.5))); + if (c.x<0 || c.y<0 || c.z<0 || zbuffer.get(P.x, P.y)[0]>frag_depth) continue; + bool discard = shader.fragment(c, color); + if (!discard) { + zbuffer.set(P.x, P.y, TGAColor(frag_depth)); + image.set(P.x, P.y, color); + } + } + } +} + diff --git a/OwnSoftRender/our_gl.h b/OwnSoftRender/our_gl.h new file mode 100644 index 0000000..5c0df0a --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/our_gl.h @@ -0,0 +1,24 @@ +#ifndef __OUR_GL_H__ +#define __OUR_GL_H__ + +#include "tgaimage.h" +#include "geometry.h" +#include +extern Matrix ModelView; +extern Matrix Viewport; +extern Matrix Projection; + +void viewport(int x, int y, int w, int h); +void projection(float coeff=0.f); // coeff = -1/c +void lookat(Vec3f eye, Vec3f center, Vec3f up); +void lookatZ(); +struct IShader { + virtual ~IShader(); + virtual Vec4f vertex(int iface, int nthvert) = 0; + virtual bool fragment(Vec3f bar, TGAColor &color) = 0; +}; + +void triangle(Vec4f *pts, IShader &shader, TGAImage &image, TGAImage &zbuffer); + +#endif //__OUR_GL_H__ + diff --git a/OwnSoftRender/output.tga b/OwnSoftRender/output.tga new file mode 100644 index 0000000..73fa875 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/output.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/output2.tga b/OwnSoftRender/output2.tga new file mode 100644 index 0000000..3046998 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/output2.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/output3.tga b/OwnSoftRender/output3.tga new file mode 100644 index 0000000..cc6e72b Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/output3.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/output4.tga b/OwnSoftRender/output4.tga new file mode 100644 index 0000000..2f6d091 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/output4.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/outputErro.tga b/OwnSoftRender/outputErro.tga new file mode 100644 index 0000000..c69bf55 Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/outputErro.tga differ diff --git a/OwnSoftRender/path.h b/OwnSoftRender/path.h new file mode 100644 index 0000000..04b2ac9 --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/path.h @@ -0,0 +1,14 @@ +#pragma once +//For img read +auto imread_path_head = "obj/african_head.obj"; +auto imread_path_dragon = "obj/Dragon/dragon.obj"; +auto imread_path_bunny = "obj/bunny/bunny.obj"; +auto imread_path_Jelle = "obj/bunny/Jelle.obj"; + +//For img write +auto imwrite_path_head = "Gouraud/output.tga"; +auto imwrite_pathZ_head="Gouraud/zbuffer.tga"; +auto imwrite_path_Dragon = "Dragon/Gouraud/output8.tga"; +auto imwrite_pathZ_Dragon="Dragon/Gouraud/zbuffer8.tga"; +auto imwrite_path_bunny = "Bunny/Gouraud/output1.tga"; +auto imwrite_pathZ_bunny = "Bunny/Gouraud/zbuffer1.tga"; \ No newline at end of file diff --git a/OwnSoftRender/readme.md b/OwnSoftRender/readme.md new file mode 100644 index 0000000..ca46d9b --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/readme.md @@ -0,0 +1,7 @@ +# TinyRender之旅 -> 渲染管线探秘 + +项目地址：[here](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/OwnSoftRender) + +//TODO add context + +![image-20210618164451962](https://i.loli.net/2021/06/18/EyZsUKVTwQ82hIc.png) \ No newline at end of file diff --git a/OwnSoftRender/tgaimage.cpp b/OwnSoftRender/tgaimage.cpp new file mode 100644 index 0000000..7ec68bc --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/tgaimage.cpp @@ -0,0 +1,357 @@ +#include +#include +#include +#include +#include +#include "tgaimage.h" + +TGAImage::TGAImage() : data(NULL), width(0), height(0), bytespp(0) { +} + +TGAImage::TGAImage(int w, int h, int bpp) : data(NULL), width(w), height(h), bytespp(bpp) { + unsigned long nbytes = width*height*bytespp; + data = new unsigned char[nbytes]; + memset(data, 0, nbytes); +} + +TGAImage::TGAImage(const TGAImage &img) : data(NULL), width(img.width), height(img.height), bytespp(img.bytespp) { + unsigned long nbytes = width*height*bytespp; + data = new unsigned char[nbytes]; + memcpy(data, img.data, nbytes); +} + +TGAImage::~TGAImage() { + if (data) delete [] data; +} + +TGAImage & TGAImage::operator =(const TGAImage &img) { + if (this != &img) { + if (data) delete [] data; + width = img.width; + height = img.height; + bytespp = img.bytespp; + unsigned long nbytes = width*height*bytespp; + data = new unsigned char[nbytes]; + memcpy(data, img.data, nbytes); + } + return *this; +} + +bool TGAImage::read_tga_file(const char *filename) { + if (data) delete [] data; + data = NULL; + std::ifstream in; + in.open (filename, std::ios::binary); + if (!in.is_open()) { + std::cerr << "can't open file " << filename << "\n"; + in.close(); + return false; + } + TGA_Header header; + in.read((char *)&header, sizeof(header)); + if (!in.good()) { + in.close(); + std::cerr << "an error occured while reading the header\n"; + return false; + } + width = header.width; + height = header.height; + bytespp = header.bitsperpixel>>3; + if (width<=0 || height<=0 || (bytespp!=GRAYSCALE && bytespp!=RGB && bytespp!=RGBA)) { + in.close(); + std::cerr << "bad bpp (or width/height) value\n"; + return false; + } + unsigned long nbytes = bytespp*width*height; + data = new unsigned char[nbytes]; + if (3==header.datatypecode || 2==header.datatypecode) { + in.read((char *)data, nbytes); + if (!in.good()) { + in.close(); + std::cerr << "an error occured while reading the data\n"; + return false; + } + } else if (10==header.datatypecode||11==header.datatypecode) { + if (!load_rle_data(in)) { + in.close(); + std::cerr << "an error occured while reading the data\n"; + return false; + } + } else { + in.close(); + std::cerr << "unknown file format " << (int)header.datatypecode << "\n"; + return false; + } + if (!(header.imagedescriptor & 0x20)) { + flip_vertically(); + } + if (header.imagedescriptor & 0x10) { + flip_horizontally(); + } + std::cerr << width << "x" << height << "/" << bytespp*8 << "\n"; + in.close(); + return true; +} + +bool TGAImage::load_rle_data(std::ifstream &in) { + unsigned long pixelcount = width*height; + unsigned long currentpixel = 0; + unsigned long currentbyte = 0; + TGAColor colorbuffer; + do { + unsigned char chunkheader = 0; + chunkheader = in.get(); + if (!in.good()) { + std::cerr << "an error occured while reading the data\n"; + return false; + } + if (chunkheader<128) { + chunkheader++; + for (int i=0; ipixelcount) { + std::cerr << "Too many pixels read\n"; + return false; + } + } + } else { + chunkheader -= 127; + in.read((char *)colorbuffer.bgra, bytespp); + if (!in.good()) { + std::cerr << "an error occured while reading the header\n"; + return false; + } + for (int i=0; ipixelcount) { + std::cerr << "Too many pixels read\n"; + return false; + } + } + } + } while (currentpixel < pixelcount); + return true; +} + +bool TGAImage::write_tga_file(const char *filename, bool rle) { + unsigned char developer_area_ref[4] = {0, 0, 0, 0}; + unsigned char extension_area_ref[4] = {0, 0, 0, 0}; + unsigned char footer[18] = {'T','R','U','E','V','I','S','I','O','N','-','X','F','I','L','E','.','\0'}; + std::ofstream out; + out.open (filename, std::ios::binary); + if (!out.is_open()) { + std::cerr << "can't open file " << filename << "\n"; + out.close(); + return false; + } + TGA_Header header; + memset((void *)&header, 0, sizeof(header)); + header.bitsperpixel = bytespp<<3; + header.width = width; + header.height = height; + header.datatypecode = (bytespp==GRAYSCALE?(rle?11:3):(rle?10:2)); + header.imagedescriptor = 0x20; // top-left origin + out.write((char *)&header, sizeof(header)); + if (!out.good()) { + out.close(); + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + return false; + } + if (!rle) { + out.write((char *)data, width*height*bytespp); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't unload raw data\n"; + out.close(); + return false; + } + } else { + if (!unload_rle_data(out)) { + out.close(); + std::cerr << "can't unload rle data\n"; + return false; + } + } + out.write((char *)developer_area_ref, sizeof(developer_area_ref)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + out.close(); + return false; + } + out.write((char *)extension_area_ref, sizeof(extension_area_ref)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + out.close(); + return false; + } + out.write((char *)footer, sizeof(footer)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + out.close(); + return false; + } + out.close(); + return true; +} + +// TODO: it is not necessary to break a raw chunk for two equal pixels (for the matter of the resulting size) +bool TGAImage::unload_rle_data(std::ofstream &out) { + const unsigned char max_chunk_length = 128; + unsigned long npixels = width*height; + unsigned long curpix = 0; + while (curpix=width || y>=height) { + return TGAColor(); + } + return TGAColor(data+(x+y*width)*bytespp, bytespp); +} + +bool TGAImage::set(int x, int y, TGAColor &c) { + if (!data || x<0 || y<0 || x>=width || y>=height) { + return false; + } + memcpy(data+(x+y*width)*bytespp, c.bgra, bytespp); + return true; +} + +bool TGAImage::set(int x, int y, const TGAColor &c) { + if (!data || x<0 || y<0 || x>=width || y>=height) { + return false; + } + memcpy(data+(x+y*width)*bytespp, c.bgra, bytespp); + return true; +} + +int TGAImage::get_bytespp() { + return bytespp; +} + +int TGAImage::get_width() { + return width; +} + +int TGAImage::get_height() { + return height; +} + +bool TGAImage::flip_horizontally() { + if (!data) return false; + int half = width>>1; + for (int i=0; i>1; + for (int j=0; j=(int)width) { + errx -= width; + nx += bytespp; + memcpy(tdata+nscanline+nx, data+oscanline+ox, bytespp); + } + } + erry += h; + oscanline += olinebytes; + while (erry>=(int)height) { + if (erry>=(int)height<<1) // it means we jump over a scanline + memcpy(tdata+nscanline+nlinebytes, tdata+nscanline, nlinebytes); + erry -= height; + nscanline += nlinebytes; + } + } + delete [] data; + data = tdata; + width = w; + height = h; + return true; +} + diff --git a/OwnSoftRender/tgaimage.h b/OwnSoftRender/tgaimage.h new file mode 100644 index 0000000..3fdba2d --- /dev/null +++ b/OwnSoftRender/tgaimage.h @@ -0,0 +1,101 @@ +#ifndef __IMAGE_H__ +#define __IMAGE_H__ + +#include + +#pragma pack(push,1) +struct TGA_Header { + char idlength; + char colormaptype; + char datatypecode; + short colormaporigin; + short colormaplength; + char colormapdepth; + short x_origin; + short y_origin; + short width; + short height; + char bitsperpixel; + char imagedescriptor; +}; +#pragma pack(pop) + + + +struct TGAColor { + unsigned char bgra[4]; + unsigned char bytespp; + + TGAColor() : bgra(), bytespp(1) { + for (int i=0; i<4; i++) bgra[i] = 0; + } + + TGAColor(unsigned char R, unsigned char G, unsigned char B, unsigned char A=255) : bgra(), bytespp(4) { + bgra[0] = B; + bgra[1] = G; + bgra[2] = R; + bgra[3] = A; + } + + TGAColor(unsigned char v) : bgra(), bytespp(1) { + for (int i=0; i<4; i++) bgra[i] = 0; + bgra[0] = v; + } + + + TGAColor(const unsigned char *p, unsigned char bpp) : bgra(), bytespp(bpp) { + for (int i=0; i<(int)bpp; i++) { + bgra[i] = p[i]; + } + for (int i=bpp; i<4; i++) { + bgra[i] = 0; + } + } + + unsigned char& operator[](const int i) { return bgra[i]; } + + TGAColor operator *(float intensity) const { + TGAColor res = *this; + intensity = (intensity>1.f?1.f:(intensity<0.f?0.f:intensity)); + for (int i=0; i<4; i++) res.bgra[i] = bgra[i]*intensity; + return res; + } +}; + + +class TGAImage { +protected: + unsigned char* data; + int width; + int height; + int bytespp; + + bool load_rle_data(std::ifstream &in); + bool unload_rle_data(std::ofstream &out); +public: + enum Format { + GRAYSCALE=1, RGB=3, RGBA=4 + }; + + TGAImage(); + TGAImage(int w, int h, int bpp); + TGAImage(const TGAImage &img); + bool read_tga_file(const char *filename); + bool write_tga_file(const char *filename, bool rle=true); + bool flip_horizontally(); + bool flip_vertically(); + bool scale(int w, int h); + TGAColor get(int x, int y); + bool set(int x, int y, TGAColor &c); + bool set(int x, int y, const TGAColor &c); + ~TGAImage(); + TGAImage & operator =(const TGAImage &img); + int get_width(); + int get_height(); + int get_bytespp(); + unsigned char *buffer(); + void clear(); +}; + +#endif //__IMAGE_H__ + diff --git a/OwnSoftRender/zbuffer.tga b/OwnSoftRender/zbuffer.tga new file mode 100644 index 0000000..3e5581a Binary files /dev/null and b/OwnSoftRender/zbuffer.tga differ diff --git a/Path Tracing Ref/AreaLight.hpp b/Path Tracing Ref/AreaLight.hpp new file mode 100644 index 0000000..b6270a9 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/AreaLight.hpp @@ -0,0 +1,33 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include "Vector.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "global.hpp" + +class AreaLight : public Light +{ +public: + AreaLight(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : Light(p, i) + { + normal = Vector3f(0, -1, 0); + u = Vector3f(1, 0, 0); + v = Vector3f(0, 0, 1); + length = 100; + } + + Vector3f SamplePoint() const + { + auto random_u = get_random_float(); + auto random_v = get_random_float(); + return position + random_u * u + random_v * v; + } + + float length; + Vector3f normal; + Vector3f u; + Vector3f v; +}; diff --git a/Path Tracing Ref/BVH.cpp b/Path Tracing Ref/BVH.cpp new file mode 100644 index 0000000..b5fa375 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/BVH.cpp @@ -0,0 +1,151 @@ +#include +#include +#include "BVH.hpp" + +BVHAccel::BVHAccel(std::vector p, int maxPrimsInNode, + SplitMethod splitMethod) + : maxPrimsInNode(std::min(255, maxPrimsInNode)), splitMethod(splitMethod), + primitives(std::move(p)) +{ + time_t start, stop; + time(&start); + if (primitives.empty()) + return; + + root = recursiveBuild(primitives); + + time(&stop); + double diff = difftime(stop, start); + int hrs = (int)diff / 3600; + int mins = ((int)diff / 60) - (hrs * 60); + int secs = (int)diff - (hrs * 3600) - (mins * 60); + + printf( + "\rBVH Generation complete: \nTime Taken: %i hrs, %i mins, %i secs\n\n", + hrs, mins, secs); +} + +BVHBuildNode* BVHAccel::recursiveBuild(std::vector objects) +{ + BVHBuildNode* node = new BVHBuildNode(); + + // Compute bounds of all primitives in BVH node + Bounds3 bounds; + for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) + bounds = Union(bounds, objects[i]->getBounds()); + if (objects.size() == 1) { + // Create leaf _BVHBuildNode_ + node->bounds = objects[0]->getBounds(); + node->object = objects[0]; + node->left = nullptr; + node->right = nullptr; + node->area = objects[0]->getArea(); + return node; + } + else if (objects.size() == 2) { + node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]}); + node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]}); + + node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); + node->area = node->left->area + node->right->area; + return node; + } + else { + Bounds3 centroidBounds; + for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) + centroidBounds = + Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid()); + int dim = centroidBounds.maxExtent(); + switch (dim) { + case 0: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().x < + f2->getBounds().Centroid().x; + }); + break; + case 1: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().y < + f2->getBounds().Centroid().y; + }); + break; + case 2: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().z < + f2->getBounds().Centroid().z; + }); + break; + } + + auto beginning = objects.begin(); + auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2); + auto ending = objects.end(); + + auto leftshapes = std::vector(beginning, middling); + auto rightshapes = std::vector(middling, ending); + + assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size())); + + node->left = recursiveBuild(leftshapes); + node->right = recursiveBuild(rightshapes); + + node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); + node->area = node->left->area + node->right->area; + } + + return node; +} + +Intersection BVHAccel::Intersect(const Ray& ray) const +{ + Intersection isect; + if (!root) + return isect; + isect = BVHAccel::getIntersection(root, ray); + return isect; +} + +Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const +{ + // TODO Traverse the BVH to find intersection + Intersection isect; + + std::array dirIsNeg; + dirIsNeg[0] = int(ray.direction.x >= 0); + dirIsNeg[1] = int(ray.direction.y >= 0); + dirIsNeg[2] = int(ray.direction.z >= 0); + + if (!node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, dirIsNeg)) + { + return isect; + } + + // 叶子节点 + if (node->left == nullptr && node->right == nullptr) + { + isect = node->object->getIntersection(ray); + return isect; + } + + auto hit1 = getIntersection(node->left, ray); + auto hit2 = getIntersection(node->right, ray); + + return hit1.distance < hit2.distance ? hit1 : hit2; +} + + +void BVHAccel::getSample(BVHBuildNode* node, float p, Intersection &pos, float &pdf){ + if(node->left == nullptr || node->right == nullptr){ + node->object->Sample(pos, pdf); + pdf *= node->area; + return; + } + if(p < node->left->area) getSample(node->left, p, pos, pdf); + else getSample(node->right, p - node->left->area, pos, pdf); +} + +void BVHAccel::Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + float p = std::sqrt(get_random_float()) * root->area; + getSample(root, p, pos, pdf); + pdf /= root->area; +} \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing Ref/BVH.hpp b/Path Tracing Ref/BVH.hpp new file mode 100644 index 0000000..ff739ec --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/BVH.hpp @@ -0,0 +1,72 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_BVH_H +#define RAYTRACING_BVH_H + +#include +#include +#include +#include +#include "Object.hpp" +#include "Ray.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Intersection.hpp" +#include "Vector.hpp" + +struct BVHBuildNode; +// BVHAccel Forward Declarations +struct BVHPrimitiveInfo; + +// BVHAccel Declarations +inline int leafNodes, totalLeafNodes, totalPrimitives, interiorNodes; +class BVHAccel { + +public: + // BVHAccel Public Types + enum class SplitMethod { NAIVE, SAH }; + + // BVHAccel Public Methods + BVHAccel(std::vector p, int maxPrimsInNode = 1, SplitMethod splitMethod = SplitMethod::NAIVE); + Bounds3 WorldBound() const; + ~BVHAccel(); + + Intersection Intersect(const Ray &ray) const; + Intersection getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray)const; + bool IntersectP(const Ray &ray) const; + BVHBuildNode* root; + + // BVHAccel Private Methods + BVHBuildNode* recursiveBuild(std::vectorobjects); + + // BVHAccel Private Data + const int maxPrimsInNode; + const SplitMethod splitMethod; + std::vector primitives; + + void getSample(BVHBuildNode* node, float p, Intersection &pos, float &pdf); + void Sample(Intersection &pos, float &pdf); +}; + +struct BVHBuildNode { + Bounds3 bounds; + BVHBuildNode *left; + BVHBuildNode *right; + Object* object; + float area; + +public: + int splitAxis=0, firstPrimOffset=0, nPrimitives=0; + // BVHBuildNode Public Methods + BVHBuildNode(){ + bounds = Bounds3(); + left = nullptr;right = nullptr; + object = nullptr; + } +}; + + + + +#endif //RAYTRACING_BVH_H diff --git a/Path Tracing Ref/Bounds3.hpp b/Path Tracing Ref/Bounds3.hpp new file mode 100644 index 0000000..ffeb11f --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Bounds3.hpp @@ -0,0 +1,135 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_BOUNDS3_H +#define RAYTRACING_BOUNDS3_H +#include "Ray.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include +#include + +class Bounds3 +{ + public: + Vector3f pMin, pMax; // two points to specify the bounding box + Bounds3() + { + double minNum = std::numeric_limits::lowest(); + double maxNum = std::numeric_limits::max(); + pMax = Vector3f(minNum, minNum, minNum); + pMin = Vector3f(maxNum, maxNum, maxNum); + } + Bounds3(const Vector3f p) : pMin(p), pMax(p) {} + Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2) + { + pMin = Vector3f(fmin(p1.x, p2.x), fmin(p1.y, p2.y), fmin(p1.z, p2.z)); + pMax = Vector3f(fmax(p1.x, p2.x), fmax(p1.y, p2.y), fmax(p1.z, p2.z)); + } + + Vector3f Diagonal() const { return pMax - pMin; } + int maxExtent() const + { + Vector3f d = Diagonal(); + if (d.x > d.y && d.x > d.z) + return 0; + else if (d.y > d.z) + return 1; + else + return 2; + } + + double SurfaceArea() const + { + Vector3f d = Diagonal(); + return 2 * (d.x * d.y + d.x * d.z + d.y * d.z); + } + + Vector3f Centroid() { return 0.5 * pMin + 0.5 * pMax; } + Bounds3 Intersect(const Bounds3& b) + { + return Bounds3(Vector3f(fmax(pMin.x, b.pMin.x), fmax(pMin.y, b.pMin.y), + fmax(pMin.z, b.pMin.z)), + Vector3f(fmin(pMax.x, b.pMax.x), fmin(pMax.y, b.pMax.y), + fmin(pMax.z, b.pMax.z))); + } + + Vector3f Offset(const Vector3f& p) const + { + Vector3f o = p - pMin; + if (pMax.x > pMin.x) + o.x /= pMax.x - pMin.x; + if (pMax.y > pMin.y) + o.y /= pMax.y - pMin.y; + if (pMax.z > pMin.z) + o.z /= pMax.z - pMin.z; + return o; + } + + bool Overlaps(const Bounds3& b1, const Bounds3& b2) + { + bool x = (b1.pMax.x >= b2.pMin.x) && (b1.pMin.x <= b2.pMax.x); + bool y = (b1.pMax.y >= b2.pMin.y) && (b1.pMin.y <= b2.pMax.y); + bool z = (b1.pMax.z >= b2.pMin.z) && (b1.pMin.z <= b2.pMax.z); + return (x && y && z); + } + + bool Inside(const Vector3f& p, const Bounds3& b) + { + return (p.x >= b.pMin.x && p.x <= b.pMax.x && p.y >= b.pMin.y && + p.y <= b.pMax.y && p.z >= b.pMin.z && p.z <= b.pMax.z); + } + inline const Vector3f& operator[](int i) const + { + return (i == 0) ? pMin : pMax; + } + + inline bool IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirisNeg) const; +}; + + + +inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirIsNeg) const +{ + + + const auto& origin = ray.origin; + float tEnter = -std::numeric_limits::infinity(); + float tExit = std::numeric_limits::infinity(); + for (int i = 0; i < 3; i++) + { + float min = (pMin[i] - origin[i]) * invDir[i]; + float max = (pMax[i] - origin[i]) * invDir[i]; + if (!dirIsNeg[i]) + { + std::swap(min, max); + } + tEnter = std::max(min, tEnter); + tExit = std::min(max, tExit); + } + + return tEnter <= tExit&& tExit >= 0; + + + +} + +inline Bounds3 Union(const Bounds3& b1, const Bounds3& b2) +{ + Bounds3 ret; + ret.pMin = Vector3f::Min(b1.pMin, b2.pMin); + ret.pMax = Vector3f::Max(b1.pMax, b2.pMax); + return ret; +} + +inline Bounds3 Union(const Bounds3& b, const Vector3f& p) +{ + Bounds3 ret; + ret.pMin = Vector3f::Min(b.pMin, p); + ret.pMax = Vector3f::Max(b.pMax, p); + return ret; +} + +#endif // RAYTRACING_BOUNDS3_H diff --git a/Path Tracing Ref/Intersection.hpp b/Path Tracing Ref/Intersection.hpp new file mode 100644 index 0000000..673635e --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Intersection.hpp @@ -0,0 +1,31 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_INTERSECTION_H +#define RAYTRACING_INTERSECTION_H +#include "Vector.hpp" +#include "Material.hpp" +class Object; +class Sphere; + +struct Intersection +{ + Intersection(){ + happened=false; + coords=Vector3f(); + normal=Vector3f(); + distance= std::numeric_limits::max(); + obj =nullptr; + m=nullptr; + } + bool happened; + Vector3f coords; + Vector3f tcoords; + Vector3f normal; + Vector3f emit; + double distance; + Object* obj; + Material* m; +}; +#endif //RAYTRACING_INTERSECTION_H diff --git a/Path Tracing Ref/Light.hpp b/Path Tracing Ref/Light.hpp new file mode 100644 index 0000000..b3610c8 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Light.hpp @@ -0,0 +1,16 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include "Vector.hpp" + +class Light +{ +public: + Light(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : position(p), intensity(i) {} + virtual ~Light() = default; + Vector3f position; + Vector3f intensity; +}; diff --git a/Path Tracing Ref/Material.hpp b/Path Tracing Ref/Material.hpp new file mode 100644 index 0000000..dfa6b13 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Material.hpp @@ -0,0 +1,182 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_MATERIAL_H +#define RAYTRACING_MATERIAL_H + +#include "Vector.hpp" + +enum MaterialType { DIFFUSE}; + +class Material{ +private: + + // Compute reflection direction + Vector3f reflect(const Vector3f &I, const Vector3f &N) const + { + return I - 2 * dotProduct(I, N) * N; + } + + // Compute refraction direction using Snell's law + // + // We need to handle with care the two possible situations: + // + // - When the ray is inside the object + // + // - When the ray is outside. + // + // If the ray is outside, you need to make cosi positive cosi = -N.I + // + // If the ray is inside, you need to invert the refractive indices and negate the normal N + Vector3f refract(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + Vector3f n = N; + if (cosi < 0) { cosi = -cosi; } else { std::swap(etai, etat); n= -N; } + float eta = etai / etat; + float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi); + return k < 0 ? 0 : eta * I + (eta * cosi - sqrtf(k)) * n; + } + + // Compute Fresnel equation + // + // \param I is the incident view direction + // + // \param N is the normal at the intersection point + // + // \param ior is the material refractive index + // + // \param[out] kr is the amount of light reflected + void fresnel(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior, float &kr) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + if (cosi > 0) { std::swap(etai, etat); } + // Compute sini using Snell's law + float sint = etai / etat * sqrtf(std::max(0.f, 1 - cosi * cosi)); + // Total internal reflection + if (sint >= 1) { + kr = 1; + } + else { + float cost = sqrtf(std::max(0.f, 1 - sint * sint)); + cosi = fabsf(cosi); + float Rs = ((etat * cosi) - (etai * cost)) / ((etat * cosi) + (etai * cost)); + float Rp = ((etai * cosi) - (etat * cost)) / ((etai * cosi) + (etat * cost)); + kr = (Rs * Rs + Rp * Rp) / 2; + } + // As a consequence of the conservation of energy, transmittance is given by: + // kt = 1 - kr; + } + + Vector3f toWorld(const Vector3f &a, const Vector3f &N){ + Vector3f B, C; + if (std::fabs(N.x) > std::fabs(N.y)){ + float invLen = 1.0f / std::sqrt(N.x * N.x + N.z * N.z); + C = Vector3f(N.z * invLen, 0.0f, -N.x *invLen); + } + else { + float invLen = 1.0f / std::sqrt(N.y * N.y + N.z * N.z); + C = Vector3f(0.0f, N.z * invLen, -N.y *invLen); + } + B = crossProduct(C, N); + return a.x * B + a.y * C + a.z * N; + } + +public: + MaterialType m_type; + //Vector3f m_color; + Vector3f m_emission; + float ior; + Vector3f Kd, Ks; + float specularExponent; + //Texture tex; + + inline Material(MaterialType t=DIFFUSE, Vector3f e=Vector3f(0,0,0)); + inline MaterialType getType(); + //inline Vector3f getColor(); + inline Vector3f getColorAt(double u, double v); + inline Vector3f getEmission(); + inline bool hasEmission(); + + // sample a ray by Material properties + inline Vector3f sample(const Vector3f &wi, const Vector3f &N); + // given a ray, calculate the PdF of this ray + inline float pdf(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N); + // given a ray, calculate the contribution of this ray + inline Vector3f eval(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N); + +}; + +Material::Material(MaterialType t, Vector3f e){ + m_type = t; + //m_color = c; + m_emission = e; +} + +MaterialType Material::getType(){return m_type;} +///Vector3f Material::getColor(){return m_color;} +Vector3f Material::getEmission() {return m_emission;} +bool Material::hasEmission() { + if (m_emission.norm() > EPSILON) return true; + else return false; +} + +Vector3f Material::getColorAt(double u, double v) { + return Vector3f(); +} + + +Vector3f Material::sample(const Vector3f &wi, const Vector3f &N){ + switch(m_type){ + case DIFFUSE: + { + // uniform sample on the hemisphere + float x_1 = get_random_float(), x_2 = get_random_float(); + float z = std::fabs(1.0f - 2.0f * x_1); + float r = std::sqrt(1.0f - z * z), phi = 2 * M_PI * x_2; + Vector3f localRay(r*std::cos(phi), r*std::sin(phi), z); + return toWorld(localRay, N); + + break; + } + } +} + +float Material::pdf(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N){ + switch(m_type){ + case DIFFUSE: + { + // uniform sample probability 1 / (2 * PI) + if (dotProduct(wo, N) > 0.0f) + return 0.5f / M_PI; + else + return 0.0f; + break; + } + } +} + +Vector3f Material::eval(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N){ + + switch(m_type){ + case DIFFUSE: + { + // calculate the contribution of diffuse model + float cosalpha = dotProduct(N, wo); + if (cosalpha > 0.0f) { + Vector3f diffuse = Kd / M_PI; + return diffuse; + } + else + return Vector3f(0.0f); + break; + } + } + + return Vector3f(0.0f); +} + +#endif //RAYTRACING_MATERIAL_H diff --git a/Path Tracing Ref/OBJ_Loader.hpp b/Path Tracing Ref/OBJ_Loader.hpp new file mode 100644 index 0000000..ac24178 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/OBJ_Loader.hpp @@ -0,0 +1,1162 @@ +// OBJ_Loader.h - A Single Header OBJ Model Loader +// This loader is created by Robert Smith. +// https://github.com/Bly7/OBJ-Loader +// Use the MIT license. + +#pragma once + +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +// Print progress to console while loading (large models) +//#define OBJL_CONSOLE_OUTPUT + +// Namespace: OBJL +// +// Description: The namespace that holds eveyrthing that +// is needed and used for the OBJ Model Loader +namespace objl +{ + // Structure: Vector2 + // + // Description: A 2D Vector that Holds Positional Data + struct Vector2 + { + // Default Constructor + Vector2() + { + X = 0.0f; + Y = 0.0f; + } + // Variable Set Constructor + Vector2(float X_, float Y_) + { + X = X_; + Y = Y_; + } + // Bool Equals Operator Overload + bool operator==(const Vector2& other) const + { + return (this->X == other.X && this->Y == other.Y); + } + // Bool Not Equals Operator Overload + bool operator!=(const Vector2& other) const + { + return !(this->X == other.X && this->Y == other.Y); + } + // Addition Operator Overload + Vector2 operator+(const Vector2& right) const + { + return Vector2(this->X + right.X, this->Y + right.Y); + } + // Subtraction Operator Overload + Vector2 operator-(const Vector2& right) const + { + return Vector2(this->X - right.X, this->Y - right.Y); + } + // Float Multiplication Operator Overload + Vector2 operator*(const float& other) const + { + return Vector2(this->X *other, this->Y * other); + } + + // Positional Variables + float X; + float Y; + }; + + // Structure: Vector3 + // + // Description: A 3D Vector that Holds Positional Data + struct Vector3 + { + // Default Constructor + Vector3() + { + X = 0.0f; + Y = 0.0f; + Z = 0.0f; + } + // Variable Set Constructor + Vector3(float X_, float Y_, float Z_) + { + X = X_; + Y = Y_; + Z = Z_; + } + // Bool Equals Operator Overload + bool operator==(const Vector3& other) const + { + return (this->X == other.X && this->Y == other.Y && this->Z == other.Z); + } + // Bool Not Equals Operator Overload + bool operator!=(const Vector3& other) const + { + return !(this->X == other.X && this->Y == other.Y && this->Z == other.Z); + } + // Addition Operator Overload + Vector3 operator+(const Vector3& right) const + { + return Vector3(this->X + right.X, this->Y + right.Y, this->Z + right.Z); + } + // Subtraction Operator Overload + Vector3 operator-(const Vector3& right) const + { + return Vector3(this->X - right.X, this->Y - right.Y, this->Z - right.Z); + } + // Float Multiplication Operator Overload + Vector3 operator*(const float& other) const + { + return Vector3(this->X * other, this->Y * other, this->Z * other); + } + // Float Division Operator Overload + Vector3 operator/(const float& other) const + { + return Vector3(this->X / other, this->Y / other, this->Z / other); + } + + // Positional Variables + float X; + float Y; + float Z; + }; + + // Structure: Vertex + // + // Description: Model Vertex object that holds + // a Position, Normal, and Texture Coordinate + struct Vertex + { + // Position Vector + Vector3 Position; + + // Normal Vector + Vector3 Normal; + + // Texture Coordinate Vector + Vector2 TextureCoordinate; + }; + + struct Material + { + Material() + { + name = ""; + Ns = 0.0f; + Ni = 0.0f; + d = 0.0f; + illum = 0; + } + + // Material Name + std::string name; + // Ambient Color + Vector3 Ka; + // Diffuse Color + Vector3 Kd; + // Specular Color + Vector3 Ks; + // Specular Exponent + float Ns; + // Optical Density + float Ni; + // Dissolve + float d; + // Illumination + int illum; + // Ambient Texture Map + std::string map_Ka; + // Diffuse Texture Map + std::string map_Kd; + // Specular Texture Map + std::string map_Ks; + // Specular Hightlight Map + std::string map_Ns; + // Alpha Texture Map + std::string map_d; + // Bump Map + std::string map_bump; + }; + + // Structure: Mesh + // + // Description: A Simple Mesh Object that holds + // a name, a vertex list, and an index list + struct Mesh + { + // Default Constructor + Mesh() + { + + } + // Variable Set Constructor + Mesh(std::vector& _Vertices, std::vector& _Indices) + { + Vertices = _Vertices; + Indices = _Indices; + MeshMaterial = std::nullopt; + } + // Mesh Name + std::string MeshName; + // Vertex List + std::vector Vertices; + // Index List + std::vector Indices; + + // Material + std::optional MeshMaterial; + }; + + // Namespace: Math + // + // Description: The namespace that holds all of the math + // functions need for OBJL + namespace math + { + // Vector3 Cross Product + Vector3 CrossV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + return Vector3(a.Y * b.Z - a.Z * b.Y, + a.Z * b.X - a.X * b.Z, + a.X * b.Y - a.Y * b.X); + } + + // Vector3 Magnitude Calculation + float MagnitudeV3(const Vector3 in) + { + return (sqrtf(powf(in.X, 2) + powf(in.Y, 2) + powf(in.Z, 2))); + } + + // Vector3 DotProduct + float DotV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + return (a.X * b.X) + (a.Y * b.Y) + (a.Z * b.Z); + } + + // Angle between 2 Vector3 Objects + float AngleBetweenV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + float angle = DotV3(a, b); + angle /= (MagnitudeV3(a) * MagnitudeV3(b)); + return angle = acosf(angle); + } + + // Projection Calculation of a onto b + Vector3 ProjV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + Vector3 bn = b / MagnitudeV3(b); + return bn * DotV3(a, bn); + } + } + + // Namespace: Algorithm + // + // Description: The namespace that holds all of the + // Algorithms needed for OBJL + namespace algorithm + { + // Vector3 Multiplication Opertor Overload + Vector3 operator*(const float& left, const Vector3& right) + { + return Vector3(right.X * left, right.Y * left, right.Z * left); + } + + // A test to see if P1 is on the same side as P2 of a line segment ab + bool SameSide(Vector3 p1, Vector3 p2, Vector3 a, Vector3 b) + { + Vector3 cp1 = math::CrossV3(b - a, p1 - a); + Vector3 cp2 = math::CrossV3(b - a, p2 - a); + + if (math::DotV3(cp1, cp2) >= 0) + return true; + else + return false; + } + + // Generate a cross produect normal for a triangle + Vector3 GenTriNormal(Vector3 t1, Vector3 t2, Vector3 t3) + { + Vector3 u = t2 - t1; + Vector3 v = t3 - t1; + + Vector3 normal = math::CrossV3(u,v); + + return normal; + } + + // Check to see if a Vector3 Point is within a 3 Vector3 Triangle + bool inTriangle(Vector3 point, Vector3 tri1, Vector3 tri2, Vector3 tri3) + { + // Test to see if it is within an infinite prism that the triangle outlines. + bool within_tri_prisim = SameSide(point, tri1, tri2, tri3) && SameSide(point, tri2, tri1, tri3) + && SameSide(point, tri3, tri1, tri2); + + // If it isn't it will never be on the triangle + if (!within_tri_prisim) + return false; + + // Calulate Triangle's Normal + Vector3 n = GenTriNormal(tri1, tri2, tri3); + + // Project the point onto this normal + Vector3 proj = math::ProjV3(point, n); + + // If the distance from the triangle to the point is 0 + // it lies on the triangle + if (math::MagnitudeV3(proj) == 0) + return true; + else + return false; + } + + // Split a String into a string array at a given token + inline void split(const std::string &in, + std::vector &out, + std::string token) + { + out.clear(); + + std::string temp; + + for (int i = 0; i < int(in.size()); i++) + { + std::string test = in.substr(i, token.size()); + + if (test == token) + { + if (!temp.empty()) + { + out.push_back(temp); + temp.clear(); + i += (int)token.size() - 1; + } + else + { + out.push_back(""); + } + } + else if (i + token.size() >= in.size()) + { + temp += in.substr(i, token.size()); + out.push_back(temp); + break; + } + else + { + temp += in[i]; + } + } + } + + // Get tail of string after first token and possibly following spaces + inline std::string tail(const std::string &in) + { + size_t token_start = in.find_first_not_of(" \t"); + size_t space_start = in.find_first_of(" \t", token_start); + size_t tail_start = in.find_first_not_of(" \t", space_start); + size_t tail_end = in.find_last_not_of(" \t"); + if (tail_start != std::string::npos && tail_end != std::string::npos) + { + return in.substr(tail_start, tail_end - tail_start + 1); + } + else if (tail_start != std::string::npos) + { + return in.substr(tail_start); + } + return ""; + } + + // Get first token of string + inline std::string firstToken(const std::string &in) + { + if (!in.empty()) + { + size_t token_start = in.find_first_not_of(" \t"); + size_t token_end = in.find_first_of(" \t", token_start); + if (token_start != std::string::npos && token_end != std::string::npos) + { + return in.substr(token_start, token_end - token_start); + } + else if (token_start != std::string::npos) + { + return in.substr(token_start); + } + } + return ""; + } + + // Get element at given index position + template + inline const T & getElement(const std::vector &elements, std::string &index) + { + int idx = std::stoi(index); + if (idx < 0) + idx = int(elements.size()) + idx; + else + idx--; + return elements[idx]; + } + } + + // Class: Loader + // + // Description: The OBJ Model Loader + class Loader + { + public: + // Default Constructor + Loader() + { + + } + ~Loader() + { + LoadedMeshes.clear(); + } + + // Load a file into the loader + // + // If file is loaded return true + // + // If the file is unable to be found + // or unable to be loaded return false + bool LoadFile(std::string Path) + { + // If the file is not an .obj file return false + if (Path.substr(Path.size() - 4, 4) != ".obj") + return false; + + + std::ifstream file(Path); + + if (!file.is_open()) + return false; + + LoadedMeshes.clear(); + LoadedVertices.clear(); + LoadedIndices.clear(); + + std::vector Positions; + std::vector TCoords; + std::vector Normals; + + std::vector Vertices; + std::vector Indices; + + std::vector MeshMatNames; + + bool listening = false; + std::string meshname; + + Mesh tempMesh; + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + const unsigned int outputEveryNth = 1000; + unsigned int outputIndicator = outputEveryNth; +#endif + + std::string curline; + while (std::getline(file, curline)) + { +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + if ((outputIndicator = ((outputIndicator + 1) % outputEveryNth)) == 1) + { + if (!meshname.empty()) + { + std::cout + << "\r- " << meshname + << "\t| vertices > " << Positions.size() + << "\t| texcoords > " << TCoords.size() + << "\t| normals > " << Normals.size() + << "\t| triangles > " << (Vertices.size() / 3) + << (!MeshMatNames.empty() ? "\t| material: " + MeshMatNames.back() : ""); + } + } +#endif + + // Generate a Mesh Object or Prepare for an object to be created + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g" || curline[0] == 'g') + { + if (!listening) + { + listening = true; + + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g") + { + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + meshname = "unnamed"; + } + } + else + { + // Generate the mesh to put into the array + + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + + // Cleanup + Vertices.clear(); + Indices.clear(); + meshname.clear(); + + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g") + { + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + meshname = "unnamed"; + } + } + } +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl; + outputIndicator = 0; +#endif + } + // Generate a Vertex Position + if (algorithm::firstToken(curline) == "v") + { + std::vector spos; + Vector3 vpos; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), spos, " "); + + vpos.X = std::stof(spos[0]); + vpos.Y = std::stof(spos[1]); + vpos.Z = std::stof(spos[2]); + + Positions.push_back(vpos); + } + // Generate a Vertex Texture Coordinate + if (algorithm::firstToken(curline) == "vt") + { + std::vector stex; + Vector2 vtex; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), stex, " "); + + vtex.X = std::stof(stex[0]); + vtex.Y = std::stof(stex[1]); + + TCoords.push_back(vtex); + } + // Generate a Vertex Normal; + if (algorithm::firstToken(curline) == "vn") + { + std::vector snor; + Vector3 vnor; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), snor, " "); + + vnor.X = std::stof(snor[0]); + vnor.Y = std::stof(snor[1]); + vnor.Z = std::stof(snor[2]); + + Normals.push_back(vnor); + } + // Generate a Face (vertices & indices) + if (algorithm::firstToken(curline) == "f") + { + // Generate the vertices + std::vector vVerts; + GenVerticesFromRawOBJ(vVerts, Positions, TCoords, Normals, curline); + + // Add Vertices + for (int i = 0; i < int(vVerts.size()); i++) + { + Vertices.push_back(vVerts[i]); + + LoadedVertices.push_back(vVerts[i]); + } + + std::vector iIndices; + + VertexTriangluation(iIndices, vVerts); + + // Add Indices + for (int i = 0; i < int(iIndices.size()); i++) + { + unsigned int indnum = (unsigned int)((Vertices.size()) - vVerts.size()) + iIndices[i]; + Indices.push_back(indnum); + + indnum = (unsigned int)((LoadedVertices.size()) - vVerts.size()) + iIndices[i]; + LoadedIndices.push_back(indnum); + + } + } + // Get Mesh Material Name + if (algorithm::firstToken(curline) == "usemtl") + { + MeshMatNames.push_back(algorithm::tail(curline)); + + // Create new Mesh, if Material changes within a group + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + int i = 2; + while(1) { + tempMesh.MeshName = meshname + "_" + std::to_string(i); + + for (auto &m : LoadedMeshes) + if (m.MeshName == tempMesh.MeshName) + continue; + break; + } + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + + // Cleanup + Vertices.clear(); + Indices.clear(); + } + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + outputIndicator = 0; +#endif + } + // Load Materials + if (algorithm::firstToken(curline) == "mtllib") + { + // Generate LoadedMaterial + + // Generate a path to the material file + std::vector temp; + algorithm::split(Path, temp, "/"); + + std::string pathtomat = ""; + + if (temp.size() != 1) + { + for (int i = 0; i < temp.size() - 1; i++) + { + pathtomat += temp[i] + "/"; + } + } + + + pathtomat += algorithm::tail(curline); + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl << "- find materials in: " << pathtomat << std::endl; +#endif + + // Load Materials + LoadMaterials(pathtomat); + } + } + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl; +#endif + + // Deal with last mesh + + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + } + + file.close(); + + // Set Materials for each Mesh + for (int i = 0; i < MeshMatNames.size(); i++) + { + std::string matname = MeshMatNames[i]; + + // Find corresponding material name in loaded materials + // when found copy material variables into mesh material + for (int j = 0; j < LoadedMaterials.size(); j++) + { + if (LoadedMaterials[j].name == matname) + { + LoadedMeshes[i].MeshMaterial = LoadedMaterials[j]; + break; + } + } + } + + if (LoadedMeshes.empty() && LoadedVertices.empty() && LoadedIndices.empty()) + { + return false; + } + else + { + return true; + } + } + + // Loaded Mesh Objects + std::vector LoadedMeshes; + // Loaded Vertex Objects + std::vector LoadedVertices; + // Loaded Index Positions + std::vector LoadedIndices; + // Loaded Material Objects + std::vector LoadedMaterials; + + private: + // Generate vertices from a list of positions, + // tcoords, normals and a face line + void GenVerticesFromRawOBJ(std::vector& oVerts, + const std::vector& iPositions, + const std::vector& iTCoords, + const std::vector& iNormals, + std::string icurline) + { + std::vector sface, svert; + Vertex vVert; + algorithm::split(algorithm::tail(icurline), sface, " "); + bool noNormal = false; + + // For every given vertex do this + for (int i = 0; i < int(sface.size()); i++) + { + // See What type the vertex is. + int vtype; + + algorithm::split(sface[i], svert, "/"); + + // Check for just position - v1 + if (svert.size() == 1) + { + // Only position + vtype = 1; + } + + // Check for position & texture - v1/vt1 + if (svert.size() == 2) + { + // Position & Texture + vtype = 2; + } + + // Check for Position, Texture and Normal - v1/vt1/vn1 + // or if Position and Normal - v1//vn1 + if (svert.size() == 3) + { + if (svert[1] != "") + { + // Position, Texture, and Normal + vtype = 4; + } + else + { + // Position & Normal + vtype = 3; + } + } + + // Calculate and store the vertex + switch (vtype) + { + case 1: // P + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = Vector2(0, 0); + noNormal = true; + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 2: // P/T + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = algorithm::getElement(iTCoords, svert[1]); + noNormal = true; + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 3: // P//N + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = Vector2(0, 0); + vVert.Normal = algorithm::getElement(iNormals, svert[2]); + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 4: // P/T/N + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = algorithm::getElement(iTCoords, svert[1]); + vVert.Normal = algorithm::getElement(iNormals, svert[2]); + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + default: + { + break; + } + } + } + + // take care of missing normals + // these may not be truly acurate but it is the + // best they get for not compiling a mesh with normals + if (noNormal) + { + Vector3 A = oVerts[0].Position - oVerts[1].Position; + Vector3 B = oVerts[2].Position - oVerts[1].Position; + + Vector3 normal = math::CrossV3(A, B); + + for (int i = 0; i < int(oVerts.size()); i++) + { + oVerts[i].Normal = normal; + } + } + } + + // Triangulate a list of vertices into a face by printing + // inducies corresponding with triangles within it + void VertexTriangluation(std::vector& oIndices, + const std::vector& iVerts) + { + // If there are 2 or less verts, + // no triangle can be created, + // so exit + if (iVerts.size() < 3) + { + return; + } + // If it is a triangle no need to calculate it + if (iVerts.size() == 3) + { + oIndices.push_back(0); + oIndices.push_back(1); + oIndices.push_back(2); + return; + } + + // Create a list of vertices + std::vector tVerts = iVerts; + + while (true) + { + // For every vertex + for (int i = 0; i < int(tVerts.size()); i++) + { + // pPrev = the previous vertex in the list + Vertex pPrev; + if (i == 0) + { + pPrev = tVerts[tVerts.size() - 1]; + } + else + { + pPrev = tVerts[i - 1]; + } + + // pCur = the current vertex; + Vertex pCur = tVerts[i]; + + // pNext = the next vertex in the list + Vertex pNext; + if (i == tVerts.size() - 1) + { + pNext = tVerts[0]; + } + else + { + pNext = tVerts[i + 1]; + } + + // Check to see if there are only 3 verts left + // if so this is the last triangle + if (tVerts.size() == 3) + { + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + tVerts.clear(); + break; + } + if (tVerts.size() == 4) + { + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + Vector3 tempVec; + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (tVerts[j].Position != pCur.Position + && tVerts[j].Position != pPrev.Position + && tVerts[j].Position != pNext.Position) + { + tempVec = tVerts[j].Position; + break; + } + } + + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == tempVec) + oIndices.push_back(j); + } + + tVerts.clear(); + break; + } + + // If Vertex is not an interior vertex + float angle = math::AngleBetweenV3(pPrev.Position - pCur.Position, pNext.Position - pCur.Position) * (180 / 3.14159265359); + if (angle <= 0 && angle >= 180) + continue; + + // If any vertices are within this triangle + bool inTri = false; + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (algorithm::inTriangle(iVerts[j].Position, pPrev.Position, pCur.Position, pNext.Position) + && iVerts[j].Position != pPrev.Position + && iVerts[j].Position != pCur.Position + && iVerts[j].Position != pNext.Position) + { + inTri = true; + break; + } + } + if (inTri) + continue; + + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + // Delete pCur from the list + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (tVerts[j].Position == pCur.Position) + { + tVerts.erase(tVerts.begin() + j); + break; + } + } + + // reset i to the start + // -1 since loop will add 1 to it + i = -1; + } + + // if no triangles were created + if (oIndices.size() == 0) + break; + + // if no more vertices + if (tVerts.size() == 0) + break; + } + } + + // Load Materials from .mtl file + bool LoadMaterials(std::string path) + { + // If the file is not a material file return false + if (path.substr(path.size() - 4, path.size()) != ".mtl") + return false; + + std::ifstream file(path); + + // If the file is not found return false + if (!file.is_open()) + return false; + + Material tempMaterial; + + bool listening = false; + + // Go through each line looking for material variables + std::string curline; + while (std::getline(file, curline)) + { + // new material and material name + if (algorithm::firstToken(curline) == "newmtl") + { + if (!listening) + { + listening = true; + + if (curline.size() > 7) + { + tempMaterial.name = algorithm::tail(curline); + } + else + { + tempMaterial.name = "none"; + } + } + else + { + // Generate the material + + // Push Back loaded Material + LoadedMaterials.push_back(tempMaterial); + + // Clear Loaded Material + tempMaterial = Material(); + + if (curline.size() > 7) + { + tempMaterial.name = algorithm::tail(curline); + } + else + { + tempMaterial.name = "none"; + } + } + } + // Ambient Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ka") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Ka.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Ka.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Ka.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Diffuse Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Kd") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Kd.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Kd.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Kd.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Specular Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ks") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Ks.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Ks.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Ks.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Specular Exponent + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ns") + { + tempMaterial.Ns = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Optical Density + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ni") + { + tempMaterial.Ni = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Dissolve + if (algorithm::firstToken(curline) == "d") + { + tempMaterial.d = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Illumination + if (algorithm::firstToken(curline) == "illum") + { + tempMaterial.illum = std::stoi(algorithm::tail(curline)); + } + // Ambient Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ka") + { + tempMaterial.map_Ka = algorithm::tail(curline); + } + // Diffuse Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Kd") + { + tempMaterial.map_Kd = algorithm::tail(curline); + } + // Specular Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ks") + { + tempMaterial.map_Ks = algorithm::tail(curline); + } + // Specular Hightlight Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ns") + { + tempMaterial.map_Ns = algorithm::tail(curline); + } + // Alpha Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_d") + { + tempMaterial.map_d = algorithm::tail(curline); + } + // Bump Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Bump" || algorithm::firstToken(curline) == "map_bump" || algorithm::firstToken(curline) == "bump") + { + tempMaterial.map_bump = algorithm::tail(curline); + } + } + + // Deal with last material + + // Push Back loaded Material + LoadedMaterials.push_back(tempMaterial); + + // Test to see if anything was loaded + // If not return false + if (LoadedMaterials.empty()) + return false; + // If so return true + else + return true; + } + }; +} diff --git a/Path Tracing Ref/Object.hpp b/Path Tracing Ref/Object.hpp new file mode 100644 index 0000000..12aae88 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Object.hpp @@ -0,0 +1,32 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// +#pragma once +#ifndef RAYTRACING_OBJECT_H +#define RAYTRACING_OBJECT_H + +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Ray.hpp" +#include "Intersection.hpp" + +class Object +{ +public: + Object() {} + virtual ~Object() {} + virtual bool intersect(const Ray& ray) = 0; + virtual bool intersect(const Ray& ray, float &, uint32_t &) const = 0; + virtual Intersection getIntersection(Ray _ray) = 0; + virtual void getSurfaceProperties(const Vector3f &, const Vector3f &, const uint32_t &, const Vector2f &, Vector3f &, Vector2f &) const = 0; + virtual Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f &) const =0; + virtual Bounds3 getBounds()=0; + virtual float getArea()=0; + virtual void Sample(Intersection &pos, float &pdf)=0; + virtual bool hasEmit()=0; +}; + + + +#endif //RAYTRACING_OBJECT_H diff --git a/Path Tracing Ref/README.md b/Path Tracing Ref/README.md new file mode 100644 index 0000000..3b1fd37 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/README.md @@ -0,0 +1,155 @@ +# GAMES101->assignment7 Path Tracing + +项目地址：[here](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Path%20Tracing%20Ref) + +## castRay + +```c++ +Vector3f Scene::castRay(const Ray &ray, int depth) const +{ + auto hitObj = intersect(ray); + if (!hitObj.happened) return {}; + return shade(hitObj,-ray.direction); +} +``` + +## shade + +```c++ +Vector3f Scene::shade(Intersection& hit_obj, Vector3f wo) const +{ + if (hit_obj.m->hasEmission()) + { + return hit_obj.m->getEmission(); + } + const float epsilon = 0.0005f; + // 直接光照贡献 + Vector3f Lo_dir; + { + float light_pdf; + Intersection hit_light; + sampleLight(hit_light, light_pdf); + Vector3f obj2Light = hit_light.coords - hit_obj.coords; + Vector3f obj2LightDir = obj2Light.normalized(); + + // 检查光线是否被遮挡 + auto t = intersect(Ray(hit_obj.coords, obj2LightDir)); + if (t.distance - obj2Light.norm() > -epsilon) + { + Vector3f f_r = hit_obj.m->eval(obj2LightDir, wo, hit_obj.normal); + float r2 = dotProduct(obj2Light, obj2Light); + float cosA = std::max(.0f, dotProduct(hit_obj.normal,obj2LightDir)); + float cosB = std::max(.0f, dotProduct(hit_light.normal,-obj2LightDir)); + Lo_dir = hit_light.emit * f_r * cosA * cosB / r2 / light_pdf; + } + } + + // 间接光照贡献 + Vector3f Lo_indir; + { + if (get_random_float() < RussianRoulette) + { + Vector3f dir2NextObj = hit_obj.m->sample(wo, hit_obj.normal).normalized(); + float pdf = hit_obj.m->pdf(wo, dir2NextObj, hit_obj.normal); + if (pdf > epsilon) + { + Intersection nextObj = intersect(Ray(hit_obj.coords, dir2NextObj)); + if (nextObj.happened && !nextObj.m->hasEmission()) + { + Vector3f f_r = hit_obj.m->eval(dir2NextObj, wo, hit_obj.normal); //BRDF + float cos = std::max(.0f, dotProduct(dir2NextObj, hit_obj.normal)); + Lo_indir = shade(nextObj, -dir2NextObj) * f_r * cos / pdf / RussianRoulette; + } + } + } + } + //return Lo_dir; + // return Lo_dir + Lo_indir; +} +``` + +## 多线程 + +```c++ +void Renderer::Render(const Scene& scene,int spp) +{ +//...other code + + //多线程 + int numThreads = std::thread::hardware_concurrency(); + int lines = scene.height / numThreads + 1; + std::vector wokers; + for (int i = 0; i < numThreads; i++) + { + int y0 = i * lines; + int y1 = std::min(y0 + lines,scene.height); + std::cout << "id:" <" << y1 << std::endl; + wokers.push_back(std::thread(render_thread,std::ref(framebuffer),std::ref(scene),spp,y0,y1)); + } + for (int i =0;i& framebuffer, const Scene& scene,int spp, int y0, int y1) +{ + float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f)); + float imageAspectRatio = scene.width / (float)(scene.height); + Vector3f eye_pos(278.0f, 273.0f, -800.0f); + for (int i = y0; i < y1; i++) + { + for (int j = 0; j < scene.width; j++) + { + int index = i * scene.width + j; + for (int k = 0; k < spp; k++) + { + float x = get_random_float(); + float y = get_random_float(); + float _x = (2.0f * (j + x) / (float)scene.width - 1) * + imageAspectRatio * scale; + float _y = (1.0f - 2.0f * ((float)i + y) / (float)(scene.height)) * scale; + Vector3f dir = normalize(Vector3f(-_x, _y, 1.0f)); + Ray ray = Ray(eye_pos, dir); + framebuffer[index] += scene.castRay(ray, 0) / (float)spp; + } + } + g_mutex.lock(); + g_completeTotals++; + UpdateProgress(g_completeTotals / (float)scene.height); + g_mutex.unlock(); + } +} +``` + +## 结果图 + +### ssp=8 + +![image-20210816181311500](https://i.loli.net/2021/08/16/ShklgKtuHfrU8d4.png) + +### ssp=50 + +![image-20210816181333539](https://i.loli.net/2021/08/16/WwmN1IJUnSMtQpg.png) + +### ssp=64 + +![image-20210816181446113](https://i.loli.net/2021/08/16/khUlKTur3ZLIVMa.png) + +![image-20210816181506410](https://i.loli.net/2021/08/16/xQdvWXqZKhSzjLi.png) + +龙前左右加两盏灯： + +![image-20210816181541563](https://i.loli.net/2021/08/16/i7vLEB6P2lVFqhd.png) + +### ssp=200 + +![image-20210816181109872](https://i.loli.net/2021/08/16/3TN5c4jZXanhzpo.png) + +### ssp=400 + +![image-20210816181358490](https://i.loli.net/2021/08/16/czELbyBnuiGQTIW.png) \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing Ref/Ray.hpp b/Path Tracing Ref/Ray.hpp new file mode 100644 index 0000000..b6139b5 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Ray.hpp @@ -0,0 +1,29 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_RAY_H +#define RAYTRACING_RAY_H +#include "Vector.hpp" +struct Ray{ + //Destination = origin + t*direction + Vector3f origin; + Vector3f direction, direction_inv; + double t;//transportation time, + double t_min, t_max; + + Ray(const Vector3f& ori, const Vector3f& dir, const double _t = 0.0): origin(ori), direction(dir),t(_t) { + direction_inv = Vector3f(1./direction.x, 1./direction.y, 1./direction.z); + t_min = 0.0; + t_max = std::numeric_limits::max(); + + } + + Vector3f operator()(double t) const{return origin+direction*t;} + + friend std::ostream &operator<<(std::ostream& os, const Ray& r){ + os<<"[origin:="< +#include +#include "Scene.hpp" +#include "Renderer.hpp" +#include +#include + + +inline float deg2rad(const float& deg) { return deg * M_PI / 180.0; } + +const float EPSILON = 0.00001; +int g_completeTotals = 0; +std::mutex g_mutex; + +void render_thread(std::vector& framebuffer, const Scene& scene,int spp, int y0, int y1) +{ + float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f)); + float imageAspectRatio = scene.width / (float)(scene.height); + Vector3f eye_pos(278.0f, 273.0f, -800.0f); + for (int i = y0; i < y1; i++) + { + for (int j = 0; j < scene.width; j++) + { + int index = i * scene.width + j; + for (int k = 0; k < spp; k++) + { + float x = get_random_float(); + float y = get_random_float(); + float _x = (2.0f * (j + x) / (float)scene.width - 1) * + imageAspectRatio * scale; + float _y = (1.0f - 2.0f * ((float)i + y) / (float)(scene.height)) * scale; + Vector3f dir = normalize(Vector3f(-_x, _y, 1.0f)); + Ray ray = Ray(eye_pos, dir); + framebuffer[index] += scene.castRay(ray, 0) / (float)spp; + } + } + g_mutex.lock(); + g_completeTotals++; + UpdateProgress(g_completeTotals / (float)scene.height); + g_mutex.unlock(); + } +} + +// The main render function. This where we iterate over all pixels in the image, +// generate primary rays and cast these rays into the scene. The content of the +// framebuffer is saved to a file. +void Renderer::Render(const Scene& scene,int spp) +{ + std::vector framebuffer(scene.width * scene.height); + + g_completeTotals = 0; + + std::cout << "SPP: " << spp << "\n"; + + //߳ + int numThreads = std::thread::hardware_concurrency(); + int lines = scene.height / numThreads + 1; + std::vector wokers; + for (int i = 0; i < numThreads; i++) + { + int y0 = i * lines; + int y1 = std::min(y0 + lines,scene.height); + std::cout << "id:" <" << y1 << std::endl; + wokers.push_back(std::thread(render_thread,std::ref(framebuffer),std::ref(scene),spp,y0,y1)); + } + + for (int i =0;i + +void Scene::buildBVH() { + printf(" - Generating BVH...\n\n"); + this->bvh = new BVHAccel(objects, 1, BVHAccel::SplitMethod::NAIVE); +} + +Intersection Scene::intersect(const Ray &ray) const +{ + return this->bvh->Intersect(ray); +} + +void Scene::sampleLight(Intersection &pos, float &pdf) const +{ + float emit_area_sum = 0; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + if (objects[k]->hasEmit()){ + emit_area_sum += objects[k]->getArea(); + } + } + float p = get_random_float() * emit_area_sum;//[0~1]*13650 + emit_area_sum = 0; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + if (objects[k]->hasEmit()){ + emit_area_sum += objects[k]->getArea(); + if (p <= emit_area_sum){//random get the first area > p light,return + objects[k]->Sample(pos, pdf); + break; + } + } + } +} + + + +bool Scene::trace( + const Ray &ray, + const std::vector &objects, + float &tNear, uint32_t &index, Object **hitObject) +{ + *hitObject = nullptr; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + float tNearK = kInfinity; + uint32_t indexK; + Vector2f uvK; + if (objects[k]->intersect(ray, tNearK, indexK) && tNearK < tNear) { + *hitObject = objects[k]; + tNear = tNearK; + index = indexK; + } + } + + + return (*hitObject != nullptr); +} + + +Vector3f Scene::shade(Intersection& hit_obj, Vector3f wo) const +{ + if (hit_obj.m->hasEmission()) + { + return hit_obj.m->getEmission(); + } + const float epsilon = 0.0005f; + // 直接光照贡献 + Vector3f Lo_dir; + { + float light_pdf; + Intersection hit_light; + sampleLight(hit_light, light_pdf); + Vector3f obj2Light = hit_light.coords - hit_obj.coords; + Vector3f obj2LightDir = obj2Light.normalized(); + + // 检查光线是否被遮挡 + auto t = intersect(Ray(hit_obj.coords, obj2LightDir)); + if (t.distance - obj2Light.norm() > -epsilon) + { + Vector3f f_r = hit_obj.m->eval(obj2LightDir, wo, hit_obj.normal); + float r2 = dotProduct(obj2Light, obj2Light); + float cosA = std::max(.0f, dotProduct(hit_obj.normal,obj2LightDir)); + float cosB = std::max(.0f, dotProduct(hit_light.normal,-obj2LightDir)); + Lo_dir = hit_light.emit * f_r * cosA * cosB / r2 / light_pdf; + } + } + + // 间接光照贡献 + Vector3f Lo_indir; + { + if (get_random_float() < RussianRoulette) + { + Vector3f dir2NextObj = hit_obj.m->sample(wo, hit_obj.normal).normalized(); + float pdf = hit_obj.m->pdf(wo, dir2NextObj, hit_obj.normal); + if (pdf > epsilon) + { + Intersection nextObj = intersect(Ray(hit_obj.coords, dir2NextObj)); + if (nextObj.happened && !nextObj.m->hasEmission()) + { + Vector3f f_r = hit_obj.m->eval(dir2NextObj, wo, hit_obj.normal); //BRDF + float cos = std::max(.0f, dotProduct(dir2NextObj, hit_obj.normal)); + Lo_indir = shade(nextObj, -dir2NextObj) * f_r * cos / pdf / RussianRoulette; + } + } + } + } + //return Lo_dir; + return Lo_dir + Lo_indir; +} + + + +// Implementation of Path Tracing +Vector3f Scene::castRay(const Ray &ray, int depth) const +{ + auto hitObj = intersect(ray); + if (!hitObj.happened) return {}; + return shade(hitObj,-ray.direction); +} \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing Ref/Scene.hpp b/Path Tracing Ref/Scene.hpp new file mode 100644 index 0000000..fed4811 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Scene.hpp @@ -0,0 +1,113 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include +#include "Vector.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "AreaLight.hpp" +#include "BVH.hpp" +#include "Ray.hpp" + + +class Scene +{ +public: + // setting up options + int width = 1280; + int height = 960; + double fov = 40; + Vector3f backgroundColor = Vector3f(0.235294f, 0.67451f, 0.843137f); + int maxDepth = 1; + float RussianRoulette = 0.8f; + + Scene(int w, int h) : width(w), height(h) + {} + + void Add(Object *object) { objects.push_back(object); } + void Add(std::unique_ptr light) { lights.push_back(std::move(light)); } + + const std::vector& get_objects() const { return objects; } + const std::vector >& get_lights() const { return lights; } + Intersection intersect(const Ray& ray) const; + BVHAccel *bvh; + void buildBVH(); + Vector3f castRay(const Ray &ray, int depth) const; + void sampleLight(Intersection &pos, float &pdf) const; + Vector3f shade(Intersection &pos, Vector3f wo) const; + bool trace(const Ray &ray, const std::vector &objects, float &tNear, uint32_t &index, Object **hitObject); + std::tuple HandleAreaLight(const AreaLight &light, const Vector3f &hitPoint, const Vector3f &N, + const Vector3f &shadowPointOrig, + const std::vector &objects, uint32_t &index, + const Vector3f &dir, float specularExponent); + + // creating the scene (adding objects and lights) + std::vector objects; + std::vector > lights; + + // Compute reflection direction + Vector3f reflect(const Vector3f &I, const Vector3f &N) const + { + return I - 2 * dotProduct(I, N) * N; + } + + + +// Compute refraction direction using Snell's law +// +// We need to handle with care the two possible situations: +// +// - When the ray is inside the object +// +// - When the ray is outside. +// +// If the ray is outside, you need to make cosi positive cosi = -N.I +// +// If the ray is inside, you need to invert the refractive indices and negate the normal N + Vector3f refract(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + Vector3f n = N; + if (cosi < 0) { cosi = -cosi; } else { std::swap(etai, etat); n= -N; } + float eta = etai / etat; + float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi); + return k < 0 ? 0 : eta * I + (eta * cosi - sqrtf(k)) * n; + } + + + + // Compute Fresnel equation +// +// \param I is the incident view direction +// +// \param N is the normal at the intersection point +// +// \param ior is the material refractive index +// +// \param[out] kr is the amount of light reflected + void fresnel(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior, float &kr) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + if (cosi > 0) { std::swap(etai, etat); } + // Compute sini using Snell's law + float sint = etai / etat * sqrtf(std::max(0.f, 1 - cosi * cosi)); + // Total internal reflection + if (sint >= 1) { + kr = 1; + } + else { + float cost = sqrtf(std::max(0.f, 1 - sint * sint)); + cosi = fabsf(cosi); + float Rs = ((etat * cosi) - (etai * cost)) / ((etat * cosi) + (etai * cost)); + float Rp = ((etai * cosi) - (etat * cost)) / ((etai * cosi) + (etat * cost)); + kr = (Rs * Rs + Rp * Rp) / 2; + } + // As a consequence of the conservation of energy, transmittance is given by: + // kt = 1 - kr; + } +}; \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing Ref/Sphere.hpp b/Path Tracing Ref/Sphere.hpp new file mode 100644 index 0000000..34e3672 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Sphere.hpp @@ -0,0 +1,99 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_SPHERE_H +#define RAYTRACING_SPHERE_H + +#include "Object.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Material.hpp" + +class Sphere : public Object{ +public: + Vector3f center; + float radius, radius2; + Material *m; + float area; + Sphere(const Vector3f &c, const float &r, Material* mt = new Material()) : center(c), radius(r), radius2(r * r), m(mt), area(4 * M_PI *r *r) {} + bool intersect(const Ray& ray) { + // analytic solution + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + float area = 4 * M_PI * radius2; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return false; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return false; + return true; + } + bool intersect(const Ray& ray, float &tnear, uint32_t &index) const + { + // analytic solution + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (! + solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return false; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return false; + tnear = t0; + + return true; + } + Intersection getIntersection(Ray ray){ + Intersection result; + result.happened = false; + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return result; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return result; + result.happened=true; + + result.coords = Vector3f(ray.origin + ray.direction * t0); + result.normal = normalize(Vector3f(result.coords - center)); + result.m = this->m; + result.obj = this; + result.distance = t0; + return result; + + } + void getSurfaceProperties(const Vector3f &P, const Vector3f &I, const uint32_t &index, const Vector2f &uv, Vector3f &N, Vector2f &st) const + { N = normalize(P - center); } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f &st)const { + return m->getEmission(); + } + Bounds3 getBounds(){ + return Bounds3(Vector3f(center.x-radius, center.y-radius, center.z-radius), + Vector3f(center.x+radius, center.y+radius, center.z+radius)); + } + void Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + float theta = 2.0 * M_PI * get_random_float(), phi = M_PI * get_random_float(); + Vector3f dir(std::cos(phi), std::sin(phi)*std::cos(theta), std::sin(phi)*std::sin(theta)); + pos.coords = center + radius * dir; + pos.normal = dir; + pos.emit = m->getEmission(); + pdf = 1.0f / area; + } + float getArea(){ + return area; + } + bool hasEmit(){ + return m->hasEmission(); + } +}; + + + + +#endif //RAYTRACING_SPHERE_H diff --git a/Path Tracing Ref/Triangle.hpp b/Path Tracing Ref/Triangle.hpp new file mode 100644 index 0000000..0dc8a56 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Triangle.hpp @@ -0,0 +1,275 @@ +#pragma once + +#include "BVH.hpp" +#include "Intersection.hpp" +#include "Material.hpp" +#include "OBJ_Loader.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include +#include + +bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, + const Vector3f& v2, const Vector3f& orig, + const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v) +{ + Vector3f edge1 = v1 - v0; + Vector3f edge2 = v2 - v0; + Vector3f pvec = crossProduct(dir, edge2); + float det = dotProduct(edge1, pvec); + if (det == 0 || det < 0) + return false; + + Vector3f tvec = orig - v0; + u = dotProduct(tvec, pvec); + if (u < 0 || u > det) + return false; + + Vector3f qvec = crossProduct(tvec, edge1); + v = dotProduct(dir, qvec); + if (v < 0 || u + v > det) + return false; + + float invDet = 1 / det; + + tnear = dotProduct(edge2, qvec) * invDet; + u *= invDet; + v *= invDet; + + return true; +} + +class Triangle : public Object +{ +public: + Vector3f v0, v1, v2; // vertices A, B ,C , counter-clockwise order + Vector3f e1, e2; // 2 edges v1-v0, v2-v0; + Vector3f t0, t1, t2; // texture coords + Vector3f normal; + float area; + Material* m; + + Triangle(Vector3f _v0, Vector3f _v1, Vector3f _v2, Material* _m = nullptr) + : v0(_v0), v1(_v1), v2(_v2), m(_m) + { + e1 = v1 - v0; + e2 = v2 - v0; + normal = normalize(crossProduct(e1, e2)); + area = crossProduct(e1, e2).norm()*0.5f; + } + + bool intersect(const Ray& ray) override; + bool intersect(const Ray& ray, float& tnear, + uint32_t& index) const override; + Intersection getIntersection(Ray ray) override; + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f& I, + const uint32_t& index, const Vector2f& uv, + Vector3f& N, Vector2f& st) const override + { + N = normal; + // throw std::runtime_error("triangle::getSurfaceProperties not + // implemented."); + } + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f&) const override; + Bounds3 getBounds() override; + void Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + float x = std::sqrt(get_random_float()), y = get_random_float(); + pos.coords = v0 * (1.0f - x) + v1 * (x * (1.0f - y)) + v2 * (x * y); + pos.normal = this->normal; + pdf = 1.0f / area; + } + float getArea(){ + return area; + } + bool hasEmit(){ + return m->hasEmission(); + } +}; + +class MeshTriangle : public Object +{ +public: + MeshTriangle(const std::string& filename, Material *mt = new Material()) + { + objl::Loader loader; + loader.LoadFile(filename); + area = 0; + m = mt; + assert(loader.LoadedMeshes.size() == 1); + auto mesh = loader.LoadedMeshes[0]; + + Vector3f min_vert = Vector3f{std::numeric_limits::infinity(), + std::numeric_limits::infinity(), + std::numeric_limits::infinity()}; + Vector3f max_vert = Vector3f{-std::numeric_limits::infinity(), + -std::numeric_limits::infinity(), + -std::numeric_limits::infinity()}; + for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) { + std::array face_vertices; + + for (int j = 0; j < 3; j++) { + auto vert = Vector3f(mesh.Vertices[i + j].Position.X, + mesh.Vertices[i + j].Position.Y, + mesh.Vertices[i + j].Position.Z); + face_vertices[j] = vert; + + min_vert = Vector3f(std::min(min_vert.x, vert.x), + std::min(min_vert.y, vert.y), + std::min(min_vert.z, vert.z)); + max_vert = Vector3f(std::max(max_vert.x, vert.x), + std::max(max_vert.y, vert.y), + std::max(max_vert.z, vert.z)); + } + + triangles.emplace_back(face_vertices[0], face_vertices[1], + face_vertices[2], mt); + } + + bounding_box = Bounds3(min_vert, max_vert); + + std::vector ptrs; + for (auto& tri : triangles){ + ptrs.push_back(&tri); + area += tri.area; + } + bvh = new BVHAccel(ptrs); + } + + bool intersect(const Ray& ray) { return true; } + + bool intersect(const Ray& ray, float& tnear, uint32_t& index) const + { + bool intersect = false; + for (uint32_t k = 0; k < numTriangles; ++k) { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[k * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 2]]; + float t, u, v; + if (rayTriangleIntersect(v0, v1, v2, ray.origin, ray.direction, t, + u, v) && + t < tnear) { + tnear = t; + index = k; + intersect |= true; + } + } + + return intersect; + } + + Bounds3 getBounds() { return bounding_box; } + + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f& I, + const uint32_t& index, const Vector2f& uv, + Vector3f& N, Vector2f& st) const + { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + Vector3f e0 = normalize(v1 - v0); + Vector3f e1 = normalize(v2 - v1); + N = normalize(crossProduct(e0, e1)); + const Vector2f& st0 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector2f& st1 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector2f& st2 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + st = st0 * (1 - uv.x - uv.y) + st1 * uv.x + st2 * uv.y; + } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f& st) const + { + float scale = 5; + float pattern = + (fmodf(st.x * scale, 1) > 0.5) ^ (fmodf(st.y * scale, 1) > 0.5); + return lerp(Vector3f(0.815, 0.235, 0.031), + Vector3f(0.937, 0.937, 0.231), pattern); + } + + Intersection getIntersection(Ray ray) + { + Intersection intersec; + + if (bvh) { + intersec = bvh->Intersect(ray); + } + + return intersec; + } + + void Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + bvh->Sample(pos, pdf); + pos.emit = m->getEmission(); + } + float getArea(){ + return area; + } + bool hasEmit(){ + return m->hasEmission(); + } + + Bounds3 bounding_box; + std::unique_ptr vertices; + uint32_t numTriangles; + std::unique_ptr vertexIndex; + std::unique_ptr stCoordinates; + + std::vector triangles; + + BVHAccel* bvh; + float area; + + Material* m; +}; + +inline bool Triangle::intersect(const Ray& ray) { return true; } +inline bool Triangle::intersect(const Ray& ray, float& tnear, + uint32_t& index) const +{ + return false; +} + +inline Bounds3 Triangle::getBounds() { return Union(Bounds3(v0, v1), v2); } + +inline Intersection Triangle::getIntersection(Ray ray) +{ + Intersection inter; + + if (dotProduct(ray.direction, normal) > 0) + return inter; + double u, v, t_tmp = 0; + Vector3f pvec = crossProduct(ray.direction, e2); + double det = dotProduct(e1, pvec); + if (fabs(det) < EPSILON) + return inter; + + double det_inv = 1. / det; + Vector3f tvec = ray.origin - v0; + u = dotProduct(tvec, pvec) * det_inv; + if (u < 0 || u > 1) + return inter; + Vector3f qvec = crossProduct(tvec, e1); + v = dotProduct(ray.direction, qvec) * det_inv; + if (v < 0 || u + v > 1) + return inter; + t_tmp = dotProduct(e2, qvec) * det_inv; + + // TODO find ray triangle intersection + + if (t_tmp <= 0) + return inter; + + inter.happened = true; + inter.coords = ray(t_tmp); + inter.m = this->m; + inter.normal = normal; + inter.distance = t_tmp; + inter.obj = this; + + return inter; + + +} + +inline Vector3f Triangle::evalDiffuseColor(const Vector2f&) const +{ + return Vector3f(0.5, 0.5, 0.5); +} diff --git a/Path Tracing Ref/Vector.cpp b/Path Tracing Ref/Vector.cpp new file mode 100644 index 0000000..8f18a8e --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Vector.cpp @@ -0,0 +1,5 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// + +#include "Vector.hpp" diff --git a/Path Tracing Ref/Vector.hpp b/Path Tracing Ref/Vector.hpp new file mode 100644 index 0000000..0a6e783 --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/Vector.hpp @@ -0,0 +1,94 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// +#pragma once +#ifndef RAYTRACING_VECTOR_H +#define RAYTRACING_VECTOR_H + +#include +#include +#include + +class Vector3f { +public: + float x, y, z; + Vector3f() : x(0), y(0), z(0) {} + Vector3f(float xx) : x(xx), y(xx), z(xx) {} + Vector3f(float xx, float yy, float zz) : x(xx), y(yy), z(zz) {} + Vector3f operator * (const float &r) const { return Vector3f(x * r, y * r, z * r); } + Vector3f operator / (const float &r) const { return Vector3f(x / r, y / r, z / r); } + + float norm() {return std::sqrt(x * x + y * y + z * z);} + Vector3f normalized() { + float n = std::sqrt(x * x + y * y + z * z); + return Vector3f(x / n, y / n, z / n); + } + + Vector3f operator * (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x * v.x, y * v.y, z * v.z); } + Vector3f operator - (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x - v.x, y - v.y, z - v.z); } + Vector3f operator + (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x + v.x, y + v.y, z + v.z); } + Vector3f operator - () const { return Vector3f(-x, -y, -z); } + Vector3f& operator += (const Vector3f &v) { x += v.x, y += v.y, z += v.z; return *this; } + friend Vector3f operator * (const float &r, const Vector3f &v) + { return Vector3f(v.x * r, v.y * r, v.z * r); } + friend std::ostream & operator << (std::ostream &os, const Vector3f &v) + { return os << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z; } + double operator[](int index) const; + double& operator[](int index); + + + static Vector3f Min(const Vector3f &p1, const Vector3f &p2) { + return Vector3f(std::min(p1.x, p2.x), std::min(p1.y, p2.y), + std::min(p1.z, p2.z)); + } + + static Vector3f Max(const Vector3f &p1, const Vector3f &p2) { + return Vector3f(std::max(p1.x, p2.x), std::max(p1.y, p2.y), + std::max(p1.z, p2.z)); + } +}; +inline double Vector3f::operator[](int index) const { + return (&x)[index]; +} + + +class Vector2f +{ +public: + Vector2f() : x(0), y(0) {} + Vector2f(float xx) : x(xx), y(xx) {} + Vector2f(float xx, float yy) : x(xx), y(yy) {} + Vector2f operator * (const float &r) const { return Vector2f(x * r, y * r); } + Vector2f operator + (const Vector2f &v) const { return Vector2f(x + v.x, y + v.y); } + float x, y; +}; + +inline Vector3f lerp(const Vector3f &a, const Vector3f& b, const float &t) +{ return a * (1 - t) + b * t; } + +inline Vector3f normalize(const Vector3f &v) +{ + float mag2 = v.x * v.x + v.y * v.y + v.z * v.z; + if (mag2 > 0) { + float invMag = 1 / sqrtf(mag2); + return Vector3f(v.x * invMag, v.y * invMag, v.z * invMag); + } + + return v; +} + +inline float dotProduct(const Vector3f &a, const Vector3f &b) +{ return a.x * b.x + a.y * b.y + a.z * b.z; } + +inline Vector3f crossProduct(const Vector3f &a, const Vector3f &b) +{ + return Vector3f( + a.y * b.z - a.z * b.y, + a.z * b.x - a.x * b.z, + a.x * b.y - a.y * b.x + ); +} + + + +#endif //RAYTRACING_VECTOR_H diff --git a/Path Tracing Ref/binary.ppm b/Path Tracing Ref/binary.ppm new file mode 100644 index 0000000..f4eec3d Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/binary.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP08.ppm b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP08.ppm new file mode 100644 index 0000000..dce9dfd Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP08.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP200.ppm b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP200.ppm new file mode 100644 index 0000000..2b9f2b4 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP200.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP400.ppm b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP400.ppm new file mode 100644 index 0000000..e260be4 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP400.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP50.ppm b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP50.ppm new file mode 100644 index 0000000..79735e8 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/binaryMutiThreadSSP50.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/direct.ppm b/Path Tracing Ref/direct.ppm new file mode 100644 index 0000000..0e77292 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/direct.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/dragon.ppm b/Path Tracing Ref/dragon.ppm new file mode 100644 index 0000000..e4ef222 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/dragon.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/dragon_side.ppm b/Path Tracing Ref/dragon_side.ppm new file mode 100644 index 0000000..f9ead1e Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/dragon_side.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/dragon_side2lights.ppm b/Path Tracing Ref/dragon_side2lights.ppm new file mode 100644 index 0000000..2481436 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/dragon_side2lights.ppm differ diff --git a/Path Tracing Ref/global.hpp b/Path Tracing Ref/global.hpp new file mode 100644 index 0000000..4eb494d --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/global.hpp @@ -0,0 +1,53 @@ +#pragma once +#include +#include +#include + +#undef M_PI +#define M_PI 3.141592653589793f + +extern const float EPSILON; +const float kInfinity = std::numeric_limits::max(); + +inline float clamp(const float &lo, const float &hi, const float &v) +{ return std::max(lo, std::min(hi, v)); } + +inline bool solveQuadratic(const float &a, const float &b, const float &c, float &x0, float &x1) +{ + float discr = b * b - 4 * a * c; + if (discr < 0) return false; + else if (discr == 0) x0 = x1 = - 0.5 * b / a; + else { + float q = (b > 0) ? + -0.5 * (b + sqrt(discr)) : + -0.5 * (b - sqrt(discr)); + x0 = q / a; + x1 = c / q; + } + if (x0 > x1) std::swap(x0, x1); + return true; +} + +inline float get_random_float() +{ + std::random_device dev; + std::mt19937 rng(dev()); + std::uniform_real_distribution dist(0.f, 1.f); // distribution in range [1, 6] + + return dist(rng); +} + +inline void UpdateProgress(float progress) +{ + int barWidth = 70; + + std::cout << "["; + int pos = barWidth * progress; + for (int i = 0; i < barWidth; ++i) { + if (i < pos) std::cout << "="; + else if (i == pos) std::cout << ">"; + else std::cout << " "; + } + std::cout << "] " << int(progress * 100.0) << " %\r"; + std::cout.flush(); +}; diff --git a/Path Tracing Ref/main.cpp b/Path Tracing Ref/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..ec9cb1e --- /dev/null +++ b/Path Tracing Ref/main.cpp @@ -0,0 +1,69 @@ +#include "Renderer.hpp" +#include "Scene.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include "Sphere.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include + +// In the main function of the program, we create the scene (create objects and +// lights) as well as set the options for the render (image width and height, +// maximum recursion depth, field-of-view, etc.). We then call the render +// function(). +int main(int argc, char** argv) +{ + + // Change the definition here to change resolution + Scene scene(784, 784); + + Material* red = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + red->Kd = Vector3f(0.63f, 0.065f, 0.05f); + Material* green = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + green->Kd = Vector3f(0.14f, 0.45f, 0.091f); + Material* white = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + white->Kd = Vector3f(0.725f, 0.71f, 0.68f); + Material* light = new Material(DIFFUSE, (8.0f * Vector3f(0.747f+0.058f, 0.747f+0.258f, 0.747f) + 15.6f * Vector3f(0.740f+0.287f,0.740f+0.160f,0.740f) + 18.4f *Vector3f(0.737f+0.642f,0.737f+0.159f,0.737f))); + light->Kd = Vector3f(0.65f); + + MeshTriangle floor("../models/cornellbox/floor.obj", white); + MeshTriangle shortbox("../models/cornellbox/shortbox.obj", white); + MeshTriangle tallbox("../models/cornellbox/tallbox.obj", white); + MeshTriangle left("../models/cornellbox/left.obj", red); + MeshTriangle right("../models/cornellbox/right.obj", green); + MeshTriangle light_("../models/cornellbox/light.obj", light); + //MeshTriangle right_light_("../models/cornellbox/lights_right.obj", light); + //MeshTriangle left_light_("../models/cornellbox/lights_left.obj", light); + //MeshTriangle dragon("../models/cornellbox/Dragon.obj", white); + //MeshTriangle dragon("../models/cornellbox/Dragon_side.obj", white); + + scene.Add(&floor); + scene.Add(&shortbox); + scene.Add(&tallbox); + scene.Add(&left); + scene.Add(&right); + scene.Add(&light_); + //scene.Add(&right_light_); + //scene.Add(&left_light_); + //scene.Add(&dragon); + + scene.buildBVH(); + + Renderer r; + int spp = 400; + spp = 64; + spp = 8; + //spp = 1; + + + auto start = std::chrono::system_clock::now(); + r.Render(scene,spp); + auto stop = std::chrono::system_clock::now(); + + std::cout << "Render complete: \n"; + std::cout << "Time taken: " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " hours\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " minutes\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " seconds\n"; + + system("pause"); + return 0; +} \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing Ref/transform in blender.PNG b/Path Tracing Ref/transform in blender.PNG new file mode 100644 index 0000000..7d80a59 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/transform in blender.PNG differ diff --git a/Path Tracing Ref/transform in blender2.PNG b/Path Tracing Ref/transform in blender2.PNG new file mode 100644 index 0000000..03eab40 Binary files /dev/null and b/Path Tracing Ref/transform in blender2.PNG differ diff --git a/Path Tracing/AreaLight.hpp b/Path Tracing/AreaLight.hpp new file mode 100644 index 0000000..b6270a9 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/AreaLight.hpp @@ -0,0 +1,33 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include "Vector.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "global.hpp" + +class AreaLight : public Light +{ +public: + AreaLight(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : Light(p, i) + { + normal = Vector3f(0, -1, 0); + u = Vector3f(1, 0, 0); + v = Vector3f(0, 0, 1); + length = 100; + } + + Vector3f SamplePoint() const + { + auto random_u = get_random_float(); + auto random_v = get_random_float(); + return position + random_u * u + random_v * v; + } + + float length; + Vector3f normal; + Vector3f u; + Vector3f v; +}; diff --git a/Path Tracing/BVH.cpp b/Path Tracing/BVH.cpp new file mode 100644 index 0000000..8d40b92 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/BVH.cpp @@ -0,0 +1,151 @@ +#include +#include +#include "BVH.hpp" + +BVHAccel::BVHAccel(std::vector p, int maxPrimsInNode, + SplitMethod splitMethod) + : maxPrimsInNode(std::min(255, maxPrimsInNode)), splitMethod(splitMethod), + primitives(std::move(p)) +{ + time_t start, stop; + time(&start); + if (primitives.empty()) + return; + + root = recursiveBuild(primitives); + + time(&stop); + double diff = difftime(stop, start); + int hrs = (int)diff / 3600; + int mins = ((int)diff / 60) - (hrs * 60); + int secs = (int)diff - (hrs * 3600) - (mins * 60); + + printf( + "\rBVH Generation complete: \nTime Taken: %i hrs, %i mins, %i secs\n\n", + hrs, mins, secs); +} + +BVHBuildNode* BVHAccel::recursiveBuild(std::vector objects) +{ + BVHBuildNode* node = new BVHBuildNode(); + + // Compute bounds of all primitives in BVH node + Bounds3 bounds; + for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) + bounds = Union(bounds, objects[i]->getBounds()); + if (objects.size() == 1) { + // Create leaf _BVHBuildNode_ + node->bounds = objects[0]->getBounds(); + node->object = objects[0]; + node->left = nullptr; + node->right = nullptr; + node->area = objects[0]->getArea(); + return node; + } + else if (objects.size() == 2) { + node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]}); + node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]}); + + node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); + node->area = node->left->area + node->right->area; + return node; + } + else { + Bounds3 centroidBounds; + for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) + centroidBounds = + Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid()); + int dim = centroidBounds.maxExtent(); + switch (dim) { + case 0: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().x < + f2->getBounds().Centroid().x; + }); + break; + case 1: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().y < + f2->getBounds().Centroid().y; + }); + break; + case 2: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().z < + f2->getBounds().Centroid().z; + }); + break; + } + + auto beginning = objects.begin(); + auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2); + auto ending = objects.end(); + + auto leftshapes = std::vector(beginning, middling); + auto rightshapes = std::vector(middling, ending); + + assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size())); + + node->left = recursiveBuild(leftshapes); + node->right = recursiveBuild(rightshapes); + + node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); + node->area = node->left->area + node->right->area; + } + + return node; +} + +Intersection BVHAccel::Intersect(const Ray& ray) const +{ + Intersection isect; + if (!root) + return isect; + isect = BVHAccel::getIntersection(root, ray); + return isect; +} + +Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const +{ + // TODO Traverse the BVH to find intersection + Intersection isect; + + std::array dirIsNeg; + dirIsNeg[0] = int(ray.direction.x >= 0); + dirIsNeg[1] = int(ray.direction.y >= 0); + dirIsNeg[2] = int(ray.direction.z >= 0); + + if (!node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, dirIsNeg)) + { + return isect; + } + + // Ҷӽڵ + if (node->left == nullptr && node->right == nullptr) + { + isect = node->object->getIntersection(ray); + return isect; + } + + auto hit1 = getIntersection(node->left, ray); + auto hit2 = getIntersection(node->right, ray); + + return hit1.distance < hit2.distance ? hit1 : hit2; +} + + +void BVHAccel::getSample(BVHBuildNode* node, float p, Intersection &pos, float &pdf){ + if(node->left == nullptr || node->right == nullptr){ + node->object->Sample(pos, pdf); + pdf *= node->area; + return; + } + if(p < node->left->area) getSample(node->left, p, pos, pdf); + else getSample(node->right, p - node->left->area, pos, pdf); +} + +void BVHAccel::Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + float p = std::sqrt(get_random_float()) * root->area; + getSample(root, p, pos, pdf); + pdf /= root->area; +} \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing/BVH.hpp b/Path Tracing/BVH.hpp new file mode 100644 index 0000000..ff739ec --- /dev/null +++ b/Path Tracing/BVH.hpp @@ -0,0 +1,72 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_BVH_H +#define RAYTRACING_BVH_H + +#include +#include +#include +#include +#include "Object.hpp" +#include "Ray.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Intersection.hpp" +#include "Vector.hpp" + +struct BVHBuildNode; +// BVHAccel Forward Declarations +struct BVHPrimitiveInfo; + +// BVHAccel Declarations +inline int leafNodes, totalLeafNodes, totalPrimitives, interiorNodes; +class BVHAccel { + +public: + // BVHAccel Public Types + enum class SplitMethod { NAIVE, SAH }; + + // BVHAccel Public Methods + BVHAccel(std::vector p, int maxPrimsInNode = 1, SplitMethod splitMethod = SplitMethod::NAIVE); + Bounds3 WorldBound() const; + ~BVHAccel(); + + Intersection Intersect(const Ray &ray) const; + Intersection getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray)const; + bool IntersectP(const Ray &ray) const; + BVHBuildNode* root; + + // BVHAccel Private Methods + BVHBuildNode* recursiveBuild(std::vectorobjects); + + // BVHAccel Private Data + const int maxPrimsInNode; + const SplitMethod splitMethod; + std::vector primitives; + + void getSample(BVHBuildNode* node, float p, Intersection &pos, float &pdf); + void Sample(Intersection &pos, float &pdf); +}; + +struct BVHBuildNode { + Bounds3 bounds; + BVHBuildNode *left; + BVHBuildNode *right; + Object* object; + float area; + +public: + int splitAxis=0, firstPrimOffset=0, nPrimitives=0; + // BVHBuildNode Public Methods + BVHBuildNode(){ + bounds = Bounds3(); + left = nullptr;right = nullptr; + object = nullptr; + } +}; + + + + +#endif //RAYTRACING_BVH_H diff --git a/Path Tracing/Bounds3.hpp b/Path Tracing/Bounds3.hpp new file mode 100644 index 0000000..b64fb83 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Bounds3.hpp @@ -0,0 +1,133 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_BOUNDS3_H +#define RAYTRACING_BOUNDS3_H +#include "Ray.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include +#include + +class Bounds3 +{ + public: + Vector3f pMin, pMax; // two points to specify the bounding box + Bounds3() + { + double minNum = std::numeric_limits::lowest(); + double maxNum = std::numeric_limits::max(); + pMax = Vector3f(minNum, minNum, minNum); + pMin = Vector3f(maxNum, maxNum, maxNum); + } + Bounds3(const Vector3f p) : pMin(p), pMax(p) {} + Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2) + { + pMin = Vector3f(fmin(p1.x, p2.x), fmin(p1.y, p2.y), fmin(p1.z, p2.z)); + pMax = Vector3f(fmax(p1.x, p2.x), fmax(p1.y, p2.y), fmax(p1.z, p2.z)); + } + + Vector3f Diagonal() const { return pMax - pMin; } + int maxExtent() const + { + Vector3f d = Diagonal(); + if (d.x > d.y && d.x > d.z) + return 0; + else if (d.y > d.z) + return 1; + else + return 2; + } + + double SurfaceArea() const + { + Vector3f d = Diagonal(); + return 2 * (d.x * d.y + d.x * d.z + d.y * d.z); + } + + Vector3f Centroid() { return 0.5 * pMin + 0.5 * pMax; } + Bounds3 Intersect(const Bounds3& b) + { + return Bounds3(Vector3f(fmax(pMin.x, b.pMin.x), fmax(pMin.y, b.pMin.y), + fmax(pMin.z, b.pMin.z)), + Vector3f(fmin(pMax.x, b.pMax.x), fmin(pMax.y, b.pMax.y), + fmin(pMax.z, b.pMax.z))); + } + + Vector3f Offset(const Vector3f& p) const + { + Vector3f o = p - pMin; + if (pMax.x > pMin.x) + o.x /= pMax.x - pMin.x; + if (pMax.y > pMin.y) + o.y /= pMax.y - pMin.y; + if (pMax.z > pMin.z) + o.z /= pMax.z - pMin.z; + return o; + } + + bool Overlaps(const Bounds3& b1, const Bounds3& b2) + { + bool x = (b1.pMax.x >= b2.pMin.x) && (b1.pMin.x <= b2.pMax.x); + bool y = (b1.pMax.y >= b2.pMin.y) && (b1.pMin.y <= b2.pMax.y); + bool z = (b1.pMax.z >= b2.pMin.z) && (b1.pMin.z <= b2.pMax.z); + return (x && y && z); + } + + bool Inside(const Vector3f& p, const Bounds3& b) + { + return (p.x >= b.pMin.x && p.x <= b.pMax.x && p.y >= b.pMin.y && + p.y <= b.pMax.y && p.z >= b.pMin.z && p.z <= b.pMax.z); + } + inline const Vector3f& operator[](int i) const + { + return (i == 0) ? pMin : pMax; + } + + inline bool IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirisNeg) const; +}; + + + +inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirIsNeg) const +{ + // invDir: ray direction(x,y,z), invDir=(1.0/x,1.0/y,1.0/z), use this because Multiply is faster that Division + // dirIsNeg: ray direction(x,y,z), dirIsNeg=[int(x>0),int(y>0),int(z>0)], use this to simplify your logic + // TODO test if ray bound intersects + const auto& origin = ray.origin; + float tEnter = -std::numeric_limits::infinity(); + float tExit = std::numeric_limits::infinity(); + for (int i = 0; i < 3; i++) + { + float min = (pMin[i] - origin[i]) * invDir[i]; + float max = (pMax[i] - origin[i]) * invDir[i]; + if (!dirIsNeg[i]) + { + std::swap(min, max); + } + tEnter = std::max(min, tEnter); + tExit = std::min(max, tExit); + } + + return tEnter <= tExit && tExit >= 0; +} + +inline Bounds3 Union(const Bounds3& b1, const Bounds3& b2) +{ + Bounds3 ret; + ret.pMin = Vector3f::Min(b1.pMin, b2.pMin); + ret.pMax = Vector3f::Max(b1.pMax, b2.pMax); + return ret; +} + +inline Bounds3 Union(const Bounds3& b, const Vector3f& p) +{ + Bounds3 ret; + ret.pMin = Vector3f::Min(b.pMin, p); + ret.pMax = Vector3f::Max(b.pMax, p); + return ret; +} + +#endif // RAYTRACING_BOUNDS3_H diff --git a/Path Tracing/Intersection.hpp b/Path Tracing/Intersection.hpp new file mode 100644 index 0000000..673635e --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Intersection.hpp @@ -0,0 +1,31 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_INTERSECTION_H +#define RAYTRACING_INTERSECTION_H +#include "Vector.hpp" +#include "Material.hpp" +class Object; +class Sphere; + +struct Intersection +{ + Intersection(){ + happened=false; + coords=Vector3f(); + normal=Vector3f(); + distance= std::numeric_limits::max(); + obj =nullptr; + m=nullptr; + } + bool happened; + Vector3f coords; + Vector3f tcoords; + Vector3f normal; + Vector3f emit; + double distance; + Object* obj; + Material* m; +}; +#endif //RAYTRACING_INTERSECTION_H diff --git a/Path Tracing/Light.hpp b/Path Tracing/Light.hpp new file mode 100644 index 0000000..b3610c8 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Light.hpp @@ -0,0 +1,16 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include "Vector.hpp" + +class Light +{ +public: + Light(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : position(p), intensity(i) {} + virtual ~Light() = default; + Vector3f position; + Vector3f intensity; +}; diff --git a/Path Tracing/Material.hpp b/Path Tracing/Material.hpp new file mode 100644 index 0000000..8467ae8 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Material.hpp @@ -0,0 +1,179 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_MATERIAL_H +#define RAYTRACING_MATERIAL_H + +#include "Vector.hpp" + +enum MaterialType { DIFFUSE}; + +class Material{ +private: + + // Compute reflection direction + Vector3f reflect(const Vector3f &I, const Vector3f &N) const + { + return I - 2 * dotProduct(I, N) * N; + } + + // Compute refraction direction using Snell's law + // + // We need to handle with care the two possible situations: + // + // - When the ray is inside the object + // + // - When the ray is outside. + // + // If the ray is outside, you need to make cosi positive cosi = -N.I + // + // If the ray is inside, you need to invert the refractive indices and negate the normal N + Vector3f refract(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + Vector3f n = N; + if (cosi < 0) { cosi = -cosi; } else { std::swap(etai, etat); n= -N; } + float eta = etai / etat; + float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi); + return k < 0 ? 0 : eta * I + (eta * cosi - sqrtf(k)) * n; + } + + // Compute Fresnel equation + // + // \param I is the incident view direction + // + // \param N is the normal at the intersection point + // + // \param ior is the material refractive index + // + // \param[out] kr is the amount of light reflected + void fresnel(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior, float &kr) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + if (cosi > 0) { std::swap(etai, etat); } + // Compute sini using Snell's law + float sint = etai / etat * sqrtf(std::max(0.f, 1 - cosi * cosi)); + // Total internal reflection + if (sint >= 1) { + kr = 1; + } + else { + float cost = sqrtf(std::max(0.f, 1 - sint * sint)); + cosi = fabsf(cosi); + float Rs = ((etat * cosi) - (etai * cost)) / ((etat * cosi) + (etai * cost)); + float Rp = ((etai * cosi) - (etat * cost)) / ((etai * cosi) + (etat * cost)); + kr = (Rs * Rs + Rp * Rp) / 2; + } + // As a consequence of the conservation of energy, transmittance is given by: + // kt = 1 - kr; + } + + Vector3f toWorld(const Vector3f &a, const Vector3f &N){ + Vector3f B, C; + if (std::fabs(N.x) > std::fabs(N.y)){ + float invLen = 1.0f / std::sqrt(N.x * N.x + N.z * N.z); + C = Vector3f(N.z * invLen, 0.0f, -N.x *invLen); + } + else { + float invLen = 1.0f / std::sqrt(N.y * N.y + N.z * N.z); + C = Vector3f(0.0f, N.z * invLen, -N.y *invLen); + } + B = crossProduct(C, N); + return a.x * B + a.y * C + a.z * N; + } + +public: + MaterialType m_type; + //Vector3f m_color; + Vector3f m_emission; + float ior; + Vector3f Kd, Ks; + float specularExponent; + //Texture tex; + + inline Material(MaterialType t=DIFFUSE, Vector3f e=Vector3f(0,0,0)); + inline MaterialType getType(); + //inline Vector3f getColor(); + inline Vector3f getColorAt(double u, double v); + inline Vector3f getEmission(); + inline bool hasEmission(); + + // sample a ray by Material properties + inline Vector3f sample(const Vector3f &wi, const Vector3f &N); + // given a ray, calculate the PdF of this ray + inline float pdf(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N); + // given a ray, calculate the contribution of this ray + inline Vector3f eval(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N); + +}; + +Material::Material(MaterialType t, Vector3f e){ + m_type = t; + //m_color = c; + m_emission = e; +} + +MaterialType Material::getType(){return m_type;} +///Vector3f Material::getColor(){return m_color;} +Vector3f Material::getEmission() {return m_emission;} +bool Material::hasEmission() { + if (m_emission.norm() > EPSILON) return true; + else return false; +} + +Vector3f Material::getColorAt(double u, double v) { + return Vector3f(); +} + + +Vector3f Material::sample(const Vector3f &wi, const Vector3f &N){ + switch(m_type){ + case DIFFUSE: + { + // uniform sample on the hemisphere + float x_1 = get_random_float(), x_2 = get_random_float(); + float z = std::fabs(1.0f - 2.0f * x_1); + float r = std::sqrt(1.0f - z * z), phi = 2 * M_PI * x_2; + Vector3f localRay(r*std::cos(phi), r*std::sin(phi), z); + return toWorld(localRay, N); + + break; + } + } +} + +float Material::pdf(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N){ + switch(m_type){ + case DIFFUSE: + { + // uniform sample probability 1 / (2 * PI) + if (dotProduct(wo, N) > 0.0f) + return 0.5f / M_PI; + else + return 0.0f; + break; + } + } +} + +Vector3f Material::eval(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N){ + switch(m_type){ + case DIFFUSE: + { + // calculate the contribution of diffuse model + float cosalpha = dotProduct(N, wo); + if (cosalpha > 0.0f) { + Vector3f diffuse = Kd / M_PI; + return diffuse; + } + else + return Vector3f(0.0f); + break; + } + } +} + +#endif //RAYTRACING_MATERIAL_H diff --git a/Path Tracing/OBJ_Loader.hpp b/Path Tracing/OBJ_Loader.hpp new file mode 100644 index 0000000..ac24178 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/OBJ_Loader.hpp @@ -0,0 +1,1162 @@ +// OBJ_Loader.h - A Single Header OBJ Model Loader +// This loader is created by Robert Smith. +// https://github.com/Bly7/OBJ-Loader +// Use the MIT license. + +#pragma once + +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +// Print progress to console while loading (large models) +//#define OBJL_CONSOLE_OUTPUT + +// Namespace: OBJL +// +// Description: The namespace that holds eveyrthing that +// is needed and used for the OBJ Model Loader +namespace objl +{ + // Structure: Vector2 + // + // Description: A 2D Vector that Holds Positional Data + struct Vector2 + { + // Default Constructor + Vector2() + { + X = 0.0f; + Y = 0.0f; + } + // Variable Set Constructor + Vector2(float X_, float Y_) + { + X = X_; + Y = Y_; + } + // Bool Equals Operator Overload + bool operator==(const Vector2& other) const + { + return (this->X == other.X && this->Y == other.Y); + } + // Bool Not Equals Operator Overload + bool operator!=(const Vector2& other) const + { + return !(this->X == other.X && this->Y == other.Y); + } + // Addition Operator Overload + Vector2 operator+(const Vector2& right) const + { + return Vector2(this->X + right.X, this->Y + right.Y); + } + // Subtraction Operator Overload + Vector2 operator-(const Vector2& right) const + { + return Vector2(this->X - right.X, this->Y - right.Y); + } + // Float Multiplication Operator Overload + Vector2 operator*(const float& other) const + { + return Vector2(this->X *other, this->Y * other); + } + + // Positional Variables + float X; + float Y; + }; + + // Structure: Vector3 + // + // Description: A 3D Vector that Holds Positional Data + struct Vector3 + { + // Default Constructor + Vector3() + { + X = 0.0f; + Y = 0.0f; + Z = 0.0f; + } + // Variable Set Constructor + Vector3(float X_, float Y_, float Z_) + { + X = X_; + Y = Y_; + Z = Z_; + } + // Bool Equals Operator Overload + bool operator==(const Vector3& other) const + { + return (this->X == other.X && this->Y == other.Y && this->Z == other.Z); + } + // Bool Not Equals Operator Overload + bool operator!=(const Vector3& other) const + { + return !(this->X == other.X && this->Y == other.Y && this->Z == other.Z); + } + // Addition Operator Overload + Vector3 operator+(const Vector3& right) const + { + return Vector3(this->X + right.X, this->Y + right.Y, this->Z + right.Z); + } + // Subtraction Operator Overload + Vector3 operator-(const Vector3& right) const + { + return Vector3(this->X - right.X, this->Y - right.Y, this->Z - right.Z); + } + // Float Multiplication Operator Overload + Vector3 operator*(const float& other) const + { + return Vector3(this->X * other, this->Y * other, this->Z * other); + } + // Float Division Operator Overload + Vector3 operator/(const float& other) const + { + return Vector3(this->X / other, this->Y / other, this->Z / other); + } + + // Positional Variables + float X; + float Y; + float Z; + }; + + // Structure: Vertex + // + // Description: Model Vertex object that holds + // a Position, Normal, and Texture Coordinate + struct Vertex + { + // Position Vector + Vector3 Position; + + // Normal Vector + Vector3 Normal; + + // Texture Coordinate Vector + Vector2 TextureCoordinate; + }; + + struct Material + { + Material() + { + name = ""; + Ns = 0.0f; + Ni = 0.0f; + d = 0.0f; + illum = 0; + } + + // Material Name + std::string name; + // Ambient Color + Vector3 Ka; + // Diffuse Color + Vector3 Kd; + // Specular Color + Vector3 Ks; + // Specular Exponent + float Ns; + // Optical Density + float Ni; + // Dissolve + float d; + // Illumination + int illum; + // Ambient Texture Map + std::string map_Ka; + // Diffuse Texture Map + std::string map_Kd; + // Specular Texture Map + std::string map_Ks; + // Specular Hightlight Map + std::string map_Ns; + // Alpha Texture Map + std::string map_d; + // Bump Map + std::string map_bump; + }; + + // Structure: Mesh + // + // Description: A Simple Mesh Object that holds + // a name, a vertex list, and an index list + struct Mesh + { + // Default Constructor + Mesh() + { + + } + // Variable Set Constructor + Mesh(std::vector& _Vertices, std::vector& _Indices) + { + Vertices = _Vertices; + Indices = _Indices; + MeshMaterial = std::nullopt; + } + // Mesh Name + std::string MeshName; + // Vertex List + std::vector Vertices; + // Index List + std::vector Indices; + + // Material + std::optional MeshMaterial; + }; + + // Namespace: Math + // + // Description: The namespace that holds all of the math + // functions need for OBJL + namespace math + { + // Vector3 Cross Product + Vector3 CrossV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + return Vector3(a.Y * b.Z - a.Z * b.Y, + a.Z * b.X - a.X * b.Z, + a.X * b.Y - a.Y * b.X); + } + + // Vector3 Magnitude Calculation + float MagnitudeV3(const Vector3 in) + { + return (sqrtf(powf(in.X, 2) + powf(in.Y, 2) + powf(in.Z, 2))); + } + + // Vector3 DotProduct + float DotV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + return (a.X * b.X) + (a.Y * b.Y) + (a.Z * b.Z); + } + + // Angle between 2 Vector3 Objects + float AngleBetweenV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + float angle = DotV3(a, b); + angle /= (MagnitudeV3(a) * MagnitudeV3(b)); + return angle = acosf(angle); + } + + // Projection Calculation of a onto b + Vector3 ProjV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + Vector3 bn = b / MagnitudeV3(b); + return bn * DotV3(a, bn); + } + } + + // Namespace: Algorithm + // + // Description: The namespace that holds all of the + // Algorithms needed for OBJL + namespace algorithm + { + // Vector3 Multiplication Opertor Overload + Vector3 operator*(const float& left, const Vector3& right) + { + return Vector3(right.X * left, right.Y * left, right.Z * left); + } + + // A test to see if P1 is on the same side as P2 of a line segment ab + bool SameSide(Vector3 p1, Vector3 p2, Vector3 a, Vector3 b) + { + Vector3 cp1 = math::CrossV3(b - a, p1 - a); + Vector3 cp2 = math::CrossV3(b - a, p2 - a); + + if (math::DotV3(cp1, cp2) >= 0) + return true; + else + return false; + } + + // Generate a cross produect normal for a triangle + Vector3 GenTriNormal(Vector3 t1, Vector3 t2, Vector3 t3) + { + Vector3 u = t2 - t1; + Vector3 v = t3 - t1; + + Vector3 normal = math::CrossV3(u,v); + + return normal; + } + + // Check to see if a Vector3 Point is within a 3 Vector3 Triangle + bool inTriangle(Vector3 point, Vector3 tri1, Vector3 tri2, Vector3 tri3) + { + // Test to see if it is within an infinite prism that the triangle outlines. + bool within_tri_prisim = SameSide(point, tri1, tri2, tri3) && SameSide(point, tri2, tri1, tri3) + && SameSide(point, tri3, tri1, tri2); + + // If it isn't it will never be on the triangle + if (!within_tri_prisim) + return false; + + // Calulate Triangle's Normal + Vector3 n = GenTriNormal(tri1, tri2, tri3); + + // Project the point onto this normal + Vector3 proj = math::ProjV3(point, n); + + // If the distance from the triangle to the point is 0 + // it lies on the triangle + if (math::MagnitudeV3(proj) == 0) + return true; + else + return false; + } + + // Split a String into a string array at a given token + inline void split(const std::string &in, + std::vector &out, + std::string token) + { + out.clear(); + + std::string temp; + + for (int i = 0; i < int(in.size()); i++) + { + std::string test = in.substr(i, token.size()); + + if (test == token) + { + if (!temp.empty()) + { + out.push_back(temp); + temp.clear(); + i += (int)token.size() - 1; + } + else + { + out.push_back(""); + } + } + else if (i + token.size() >= in.size()) + { + temp += in.substr(i, token.size()); + out.push_back(temp); + break; + } + else + { + temp += in[i]; + } + } + } + + // Get tail of string after first token and possibly following spaces + inline std::string tail(const std::string &in) + { + size_t token_start = in.find_first_not_of(" \t"); + size_t space_start = in.find_first_of(" \t", token_start); + size_t tail_start = in.find_first_not_of(" \t", space_start); + size_t tail_end = in.find_last_not_of(" \t"); + if (tail_start != std::string::npos && tail_end != std::string::npos) + { + return in.substr(tail_start, tail_end - tail_start + 1); + } + else if (tail_start != std::string::npos) + { + return in.substr(tail_start); + } + return ""; + } + + // Get first token of string + inline std::string firstToken(const std::string &in) + { + if (!in.empty()) + { + size_t token_start = in.find_first_not_of(" \t"); + size_t token_end = in.find_first_of(" \t", token_start); + if (token_start != std::string::npos && token_end != std::string::npos) + { + return in.substr(token_start, token_end - token_start); + } + else if (token_start != std::string::npos) + { + return in.substr(token_start); + } + } + return ""; + } + + // Get element at given index position + template + inline const T & getElement(const std::vector &elements, std::string &index) + { + int idx = std::stoi(index); + if (idx < 0) + idx = int(elements.size()) + idx; + else + idx--; + return elements[idx]; + } + } + + // Class: Loader + // + // Description: The OBJ Model Loader + class Loader + { + public: + // Default Constructor + Loader() + { + + } + ~Loader() + { + LoadedMeshes.clear(); + } + + // Load a file into the loader + // + // If file is loaded return true + // + // If the file is unable to be found + // or unable to be loaded return false + bool LoadFile(std::string Path) + { + // If the file is not an .obj file return false + if (Path.substr(Path.size() - 4, 4) != ".obj") + return false; + + + std::ifstream file(Path); + + if (!file.is_open()) + return false; + + LoadedMeshes.clear(); + LoadedVertices.clear(); + LoadedIndices.clear(); + + std::vector Positions; + std::vector TCoords; + std::vector Normals; + + std::vector Vertices; + std::vector Indices; + + std::vector MeshMatNames; + + bool listening = false; + std::string meshname; + + Mesh tempMesh; + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + const unsigned int outputEveryNth = 1000; + unsigned int outputIndicator = outputEveryNth; +#endif + + std::string curline; + while (std::getline(file, curline)) + { +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + if ((outputIndicator = ((outputIndicator + 1) % outputEveryNth)) == 1) + { + if (!meshname.empty()) + { + std::cout + << "\r- " << meshname + << "\t| vertices > " << Positions.size() + << "\t| texcoords > " << TCoords.size() + << "\t| normals > " << Normals.size() + << "\t| triangles > " << (Vertices.size() / 3) + << (!MeshMatNames.empty() ? "\t| material: " + MeshMatNames.back() : ""); + } + } +#endif + + // Generate a Mesh Object or Prepare for an object to be created + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g" || curline[0] == 'g') + { + if (!listening) + { + listening = true; + + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g") + { + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + meshname = "unnamed"; + } + } + else + { + // Generate the mesh to put into the array + + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + + // Cleanup + Vertices.clear(); + Indices.clear(); + meshname.clear(); + + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g") + { + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + meshname = "unnamed"; + } + } + } +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl; + outputIndicator = 0; +#endif + } + // Generate a Vertex Position + if (algorithm::firstToken(curline) == "v") + { + std::vector spos; + Vector3 vpos; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), spos, " "); + + vpos.X = std::stof(spos[0]); + vpos.Y = std::stof(spos[1]); + vpos.Z = std::stof(spos[2]); + + Positions.push_back(vpos); + } + // Generate a Vertex Texture Coordinate + if (algorithm::firstToken(curline) == "vt") + { + std::vector stex; + Vector2 vtex; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), stex, " "); + + vtex.X = std::stof(stex[0]); + vtex.Y = std::stof(stex[1]); + + TCoords.push_back(vtex); + } + // Generate a Vertex Normal; + if (algorithm::firstToken(curline) == "vn") + { + std::vector snor; + Vector3 vnor; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), snor, " "); + + vnor.X = std::stof(snor[0]); + vnor.Y = std::stof(snor[1]); + vnor.Z = std::stof(snor[2]); + + Normals.push_back(vnor); + } + // Generate a Face (vertices & indices) + if (algorithm::firstToken(curline) == "f") + { + // Generate the vertices + std::vector vVerts; + GenVerticesFromRawOBJ(vVerts, Positions, TCoords, Normals, curline); + + // Add Vertices + for (int i = 0; i < int(vVerts.size()); i++) + { + Vertices.push_back(vVerts[i]); + + LoadedVertices.push_back(vVerts[i]); + } + + std::vector iIndices; + + VertexTriangluation(iIndices, vVerts); + + // Add Indices + for (int i = 0; i < int(iIndices.size()); i++) + { + unsigned int indnum = (unsigned int)((Vertices.size()) - vVerts.size()) + iIndices[i]; + Indices.push_back(indnum); + + indnum = (unsigned int)((LoadedVertices.size()) - vVerts.size()) + iIndices[i]; + LoadedIndices.push_back(indnum); + + } + } + // Get Mesh Material Name + if (algorithm::firstToken(curline) == "usemtl") + { + MeshMatNames.push_back(algorithm::tail(curline)); + + // Create new Mesh, if Material changes within a group + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + int i = 2; + while(1) { + tempMesh.MeshName = meshname + "_" + std::to_string(i); + + for (auto &m : LoadedMeshes) + if (m.MeshName == tempMesh.MeshName) + continue; + break; + } + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + + // Cleanup + Vertices.clear(); + Indices.clear(); + } + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + outputIndicator = 0; +#endif + } + // Load Materials + if (algorithm::firstToken(curline) == "mtllib") + { + // Generate LoadedMaterial + + // Generate a path to the material file + std::vector temp; + algorithm::split(Path, temp, "/"); + + std::string pathtomat = ""; + + if (temp.size() != 1) + { + for (int i = 0; i < temp.size() - 1; i++) + { + pathtomat += temp[i] + "/"; + } + } + + + pathtomat += algorithm::tail(curline); + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl << "- find materials in: " << pathtomat << std::endl; +#endif + + // Load Materials + LoadMaterials(pathtomat); + } + } + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl; +#endif + + // Deal with last mesh + + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + } + + file.close(); + + // Set Materials for each Mesh + for (int i = 0; i < MeshMatNames.size(); i++) + { + std::string matname = MeshMatNames[i]; + + // Find corresponding material name in loaded materials + // when found copy material variables into mesh material + for (int j = 0; j < LoadedMaterials.size(); j++) + { + if (LoadedMaterials[j].name == matname) + { + LoadedMeshes[i].MeshMaterial = LoadedMaterials[j]; + break; + } + } + } + + if (LoadedMeshes.empty() && LoadedVertices.empty() && LoadedIndices.empty()) + { + return false; + } + else + { + return true; + } + } + + // Loaded Mesh Objects + std::vector LoadedMeshes; + // Loaded Vertex Objects + std::vector LoadedVertices; + // Loaded Index Positions + std::vector LoadedIndices; + // Loaded Material Objects + std::vector LoadedMaterials; + + private: + // Generate vertices from a list of positions, + // tcoords, normals and a face line + void GenVerticesFromRawOBJ(std::vector& oVerts, + const std::vector& iPositions, + const std::vector& iTCoords, + const std::vector& iNormals, + std::string icurline) + { + std::vector sface, svert; + Vertex vVert; + algorithm::split(algorithm::tail(icurline), sface, " "); + bool noNormal = false; + + // For every given vertex do this + for (int i = 0; i < int(sface.size()); i++) + { + // See What type the vertex is. + int vtype; + + algorithm::split(sface[i], svert, "/"); + + // Check for just position - v1 + if (svert.size() == 1) + { + // Only position + vtype = 1; + } + + // Check for position & texture - v1/vt1 + if (svert.size() == 2) + { + // Position & Texture + vtype = 2; + } + + // Check for Position, Texture and Normal - v1/vt1/vn1 + // or if Position and Normal - v1//vn1 + if (svert.size() == 3) + { + if (svert[1] != "") + { + // Position, Texture, and Normal + vtype = 4; + } + else + { + // Position & Normal + vtype = 3; + } + } + + // Calculate and store the vertex + switch (vtype) + { + case 1: // P + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = Vector2(0, 0); + noNormal = true; + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 2: // P/T + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = algorithm::getElement(iTCoords, svert[1]); + noNormal = true; + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 3: // P//N + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = Vector2(0, 0); + vVert.Normal = algorithm::getElement(iNormals, svert[2]); + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 4: // P/T/N + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = algorithm::getElement(iTCoords, svert[1]); + vVert.Normal = algorithm::getElement(iNormals, svert[2]); + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + default: + { + break; + } + } + } + + // take care of missing normals + // these may not be truly acurate but it is the + // best they get for not compiling a mesh with normals + if (noNormal) + { + Vector3 A = oVerts[0].Position - oVerts[1].Position; + Vector3 B = oVerts[2].Position - oVerts[1].Position; + + Vector3 normal = math::CrossV3(A, B); + + for (int i = 0; i < int(oVerts.size()); i++) + { + oVerts[i].Normal = normal; + } + } + } + + // Triangulate a list of vertices into a face by printing + // inducies corresponding with triangles within it + void VertexTriangluation(std::vector& oIndices, + const std::vector& iVerts) + { + // If there are 2 or less verts, + // no triangle can be created, + // so exit + if (iVerts.size() < 3) + { + return; + } + // If it is a triangle no need to calculate it + if (iVerts.size() == 3) + { + oIndices.push_back(0); + oIndices.push_back(1); + oIndices.push_back(2); + return; + } + + // Create a list of vertices + std::vector tVerts = iVerts; + + while (true) + { + // For every vertex + for (int i = 0; i < int(tVerts.size()); i++) + { + // pPrev = the previous vertex in the list + Vertex pPrev; + if (i == 0) + { + pPrev = tVerts[tVerts.size() - 1]; + } + else + { + pPrev = tVerts[i - 1]; + } + + // pCur = the current vertex; + Vertex pCur = tVerts[i]; + + // pNext = the next vertex in the list + Vertex pNext; + if (i == tVerts.size() - 1) + { + pNext = tVerts[0]; + } + else + { + pNext = tVerts[i + 1]; + } + + // Check to see if there are only 3 verts left + // if so this is the last triangle + if (tVerts.size() == 3) + { + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + tVerts.clear(); + break; + } + if (tVerts.size() == 4) + { + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + Vector3 tempVec; + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (tVerts[j].Position != pCur.Position + && tVerts[j].Position != pPrev.Position + && tVerts[j].Position != pNext.Position) + { + tempVec = tVerts[j].Position; + break; + } + } + + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == tempVec) + oIndices.push_back(j); + } + + tVerts.clear(); + break; + } + + // If Vertex is not an interior vertex + float angle = math::AngleBetweenV3(pPrev.Position - pCur.Position, pNext.Position - pCur.Position) * (180 / 3.14159265359); + if (angle <= 0 && angle >= 180) + continue; + + // If any vertices are within this triangle + bool inTri = false; + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (algorithm::inTriangle(iVerts[j].Position, pPrev.Position, pCur.Position, pNext.Position) + && iVerts[j].Position != pPrev.Position + && iVerts[j].Position != pCur.Position + && iVerts[j].Position != pNext.Position) + { + inTri = true; + break; + } + } + if (inTri) + continue; + + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + // Delete pCur from the list + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (tVerts[j].Position == pCur.Position) + { + tVerts.erase(tVerts.begin() + j); + break; + } + } + + // reset i to the start + // -1 since loop will add 1 to it + i = -1; + } + + // if no triangles were created + if (oIndices.size() == 0) + break; + + // if no more vertices + if (tVerts.size() == 0) + break; + } + } + + // Load Materials from .mtl file + bool LoadMaterials(std::string path) + { + // If the file is not a material file return false + if (path.substr(path.size() - 4, path.size()) != ".mtl") + return false; + + std::ifstream file(path); + + // If the file is not found return false + if (!file.is_open()) + return false; + + Material tempMaterial; + + bool listening = false; + + // Go through each line looking for material variables + std::string curline; + while (std::getline(file, curline)) + { + // new material and material name + if (algorithm::firstToken(curline) == "newmtl") + { + if (!listening) + { + listening = true; + + if (curline.size() > 7) + { + tempMaterial.name = algorithm::tail(curline); + } + else + { + tempMaterial.name = "none"; + } + } + else + { + // Generate the material + + // Push Back loaded Material + LoadedMaterials.push_back(tempMaterial); + + // Clear Loaded Material + tempMaterial = Material(); + + if (curline.size() > 7) + { + tempMaterial.name = algorithm::tail(curline); + } + else + { + tempMaterial.name = "none"; + } + } + } + // Ambient Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ka") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Ka.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Ka.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Ka.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Diffuse Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Kd") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Kd.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Kd.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Kd.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Specular Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ks") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Ks.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Ks.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Ks.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Specular Exponent + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ns") + { + tempMaterial.Ns = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Optical Density + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ni") + { + tempMaterial.Ni = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Dissolve + if (algorithm::firstToken(curline) == "d") + { + tempMaterial.d = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Illumination + if (algorithm::firstToken(curline) == "illum") + { + tempMaterial.illum = std::stoi(algorithm::tail(curline)); + } + // Ambient Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ka") + { + tempMaterial.map_Ka = algorithm::tail(curline); + } + // Diffuse Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Kd") + { + tempMaterial.map_Kd = algorithm::tail(curline); + } + // Specular Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ks") + { + tempMaterial.map_Ks = algorithm::tail(curline); + } + // Specular Hightlight Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ns") + { + tempMaterial.map_Ns = algorithm::tail(curline); + } + // Alpha Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_d") + { + tempMaterial.map_d = algorithm::tail(curline); + } + // Bump Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Bump" || algorithm::firstToken(curline) == "map_bump" || algorithm::firstToken(curline) == "bump") + { + tempMaterial.map_bump = algorithm::tail(curline); + } + } + + // Deal with last material + + // Push Back loaded Material + LoadedMaterials.push_back(tempMaterial); + + // Test to see if anything was loaded + // If not return false + if (LoadedMaterials.empty()) + return false; + // If so return true + else + return true; + } + }; +} diff --git a/Path Tracing/Object.hpp b/Path Tracing/Object.hpp new file mode 100644 index 0000000..12aae88 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Object.hpp @@ -0,0 +1,32 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// +#pragma once +#ifndef RAYTRACING_OBJECT_H +#define RAYTRACING_OBJECT_H + +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Ray.hpp" +#include "Intersection.hpp" + +class Object +{ +public: + Object() {} + virtual ~Object() {} + virtual bool intersect(const Ray& ray) = 0; + virtual bool intersect(const Ray& ray, float &, uint32_t &) const = 0; + virtual Intersection getIntersection(Ray _ray) = 0; + virtual void getSurfaceProperties(const Vector3f &, const Vector3f &, const uint32_t &, const Vector2f &, Vector3f &, Vector2f &) const = 0; + virtual Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f &) const =0; + virtual Bounds3 getBounds()=0; + virtual float getArea()=0; + virtual void Sample(Intersection &pos, float &pdf)=0; + virtual bool hasEmit()=0; +}; + + + +#endif //RAYTRACING_OBJECT_H diff --git a/Path Tracing/Path Tracing.cpp b/Path Tracing/Path Tracing.cpp new file mode 100644 index 0000000..584f4b3 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Path Tracing.cpp @@ -0,0 +1,58 @@ +#include "Renderer.hpp" +#include "Scene.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include "Sphere.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include + +// In the main function of the program, we create the scene (create objects and +// lights) as well as set the options for the render (image width and height, +// maximum recursion depth, field-of-view, etc.). We then call the render +// function(). +int main(int argc, char** argv) +{ + + // Change the definition here to change resolution + Scene scene(784, 784); + + Material* red = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + red->Kd = Vector3f(0.63f, 0.065f, 0.05f); + Material* green = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + green->Kd = Vector3f(0.14f, 0.45f, 0.091f); + Material* white = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + white->Kd = Vector3f(0.725f, 0.71f, 0.68f); + Material* light = new Material(DIFFUSE, (8.0f * Vector3f(0.747f + 0.058f, 0.747f + 0.258f, 0.747f) + 15.6f * Vector3f(0.740f + 0.287f, 0.740f + 0.160f, 0.740f) + 18.4f *Vector3f(0.737f + 0.642f, 0.737f + 0.159f, 0.737f))); + light->Kd = Vector3f(0.65f); + + MeshTriangle floor("x64/models/cornellbox/floor.obj", white); + MeshTriangle shortbox("x64/models/cornellbox/shortbox.obj", white); + MeshTriangle tallbox("x64/models/cornellbox/tallbox.obj", white); + MeshTriangle left("x64/models/cornellbox/left.obj", red); + MeshTriangle right("x64/models/cornellbox/right.obj", green); + MeshTriangle light_("x64/models/cornellbox/light.obj", light); + + + scene.Add(&floor); + scene.Add(&shortbox); + scene.Add(&tallbox); + scene.Add(&left); + scene.Add(&right); + scene.Add(&light_); + + scene.buildBVH(); + + Renderer r; + + auto start = std::chrono::system_clock::now(); + r.Render(scene); + auto stop = std::chrono::system_clock::now(); + + std::cout << "Render complete: \n"; + std::cout << "Time taken: " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " hours\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " minutes\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " seconds\n"; + + system("pause"); + return 0; +} \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing/Ray.hpp b/Path Tracing/Ray.hpp new file mode 100644 index 0000000..b6139b5 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Ray.hpp @@ -0,0 +1,29 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_RAY_H +#define RAYTRACING_RAY_H +#include "Vector.hpp" +struct Ray{ + //Destination = origin + t*direction + Vector3f origin; + Vector3f direction, direction_inv; + double t;//transportation time, + double t_min, t_max; + + Ray(const Vector3f& ori, const Vector3f& dir, const double _t = 0.0): origin(ori), direction(dir),t(_t) { + direction_inv = Vector3f(1./direction.x, 1./direction.y, 1./direction.z); + t_min = 0.0; + t_max = std::numeric_limits::max(); + + } + + Vector3f operator()(double t) const{return origin+direction*t;} + + friend std::ostream &operator<<(std::ostream& os, const Ray& r){ + os<<"[origin:="< +#include "Scene.hpp" +#include "Renderer.hpp" + + +inline float deg2rad(const float& deg) { return deg * M_PI / 180.0; } + +const float EPSILON = 0.00001; + +// The main render function. This where we iterate over all pixels in the image, +// generate primary rays and cast these rays into the scene. The content of the +// framebuffer is saved to a file. +void Renderer::Render(const Scene& scene) +{ + std::vector framebuffer(scene.width * scene.height); + + float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5)); + float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height; + Vector3f eye_pos(278, 273, -800); + int m = 0; + + // change the spp value to change sample ammount + int spp = 50; + std::cout << "SPP: " << spp << "\n"; + for (uint32_t j = 0; j < scene.height; ++j) { + for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) { + // generate primary ray direction + float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) * + imageAspectRatio * scale; + float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale; + + Vector3f dir = normalize(Vector3f(-x, y, 1)); + for (int k = 0; k < spp; k++){ + framebuffer[m] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp; + } + m++; + } + UpdateProgress(j / (float)scene.height); + } + UpdateProgress(1.f); + + // save framebuffer to file + FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb"); + (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height); + for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) { + static unsigned char color[3]; + color[0] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].x), 0.6f)); + color[1] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].y), 0.6f)); + color[2] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].z), 0.6f)); + fwrite(color, 1, 3, fp); + } + fclose(fp); +} diff --git a/Path Tracing/Renderer.hpp b/Path Tracing/Renderer.hpp new file mode 100644 index 0000000..4fefd05 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Renderer.hpp @@ -0,0 +1,21 @@ +// +// Created by goksu on 2/25/20. +// +#include "Scene.hpp" + +#pragma once +struct hit_payload +{ + float tNear; + uint32_t index; + Vector2f uv; + Object* hit_obj; +}; + +class Renderer +{ +public: + void Render(const Scene& scene); + +private: +}; diff --git a/Path Tracing/Scene.cpp b/Path Tracing/Scene.cpp new file mode 100644 index 0000000..a20ce0c --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Scene.cpp @@ -0,0 +1,118 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#include "Scene.hpp" + + +void Scene::buildBVH() { + printf(" - Generating BVH...\n\n"); + this->bvh = new BVHAccel(objects, 1, BVHAccel::SplitMethod::NAIVE); +} + +Intersection Scene::intersect(const Ray &ray) const +{ + return this->bvh->Intersect(ray); +} + +void Scene::sampleLight(Intersection &pos, float &pdf) const +{ + float emit_area_sum = 0; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + if (objects[k]->hasEmit()){ + emit_area_sum += objects[k]->getArea(); + } + } + float p = get_random_float() * emit_area_sum; + emit_area_sum = 0; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + if (objects[k]->hasEmit()){ + emit_area_sum += objects[k]->getArea(); + if (p <= emit_area_sum){ + objects[k]->Sample(pos, pdf); + break; + } + } + } +} + +bool Scene::trace( + const Ray &ray, + const std::vector &objects, + float &tNear, uint32_t &index, Object **hitObject) +{ + *hitObject = nullptr; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + float tNearK = kInfinity; + uint32_t indexK; + Vector2f uvK; + if (objects[k]->intersect(ray, tNearK, indexK) && tNearK < tNear) { + *hitObject = objects[k]; + tNear = tNearK; + index = indexK; + } + } + + + return (*hitObject != nullptr); +} + +Vector3f Scene::shade(Intersection & hit_obj, Vector3f wo) const +{ + if (hit_obj.m->hasEmission()) + { + return hit_obj.m->getEmission(); + } + const float epsilon = 0.0005f; + // 直接光照贡献 + Vector3f Lo_dir; + { + float light_pdf; + Intersection hit_light; + sampleLight(hit_light, light_pdf); + Vector3f obj2Light = hit_light.coords - hit_obj.coords; + Vector3f obj2LightDir = obj2Light.normalized(); + + // 检查光线是否被遮挡 + auto t = intersect(Ray(hit_obj.coords, obj2LightDir)); + if (t.distance - obj2Light.norm() > -epsilon) + { + Vector3f f_r = hit_obj.m->eval(obj2LightDir, wo, hit_obj.normal); + float r2 = dotProduct(obj2Light, obj2Light); + float cosA = std::max(.0f, dotProduct(hit_obj.normal, obj2LightDir)); + float cosB = std::max(.0f, dotProduct(hit_light.normal, -obj2LightDir)); + Lo_dir = hit_light.emit * f_r * cosA * cosB / r2 / light_pdf; + } + } + + // 间接光照贡献 + Vector3f Lo_indir; + { + if (get_random_float() < RussianRoulette) + { + Vector3f dir2NextObj = hit_obj.m->sample(wo, hit_obj.normal).normalized(); + float pdf = hit_obj.m->pdf(wo, dir2NextObj, hit_obj.normal); + if (pdf > epsilon) + { + Intersection nextObj = intersect(Ray(hit_obj.coords, dir2NextObj)); + if (nextObj.happened && !nextObj.m->hasEmission()) + { + Vector3f f_r = hit_obj.m->eval(dir2NextObj, wo, hit_obj.normal); //BRDF + float cos = std::max(.0f, dotProduct(dir2NextObj, hit_obj.normal)); + Lo_indir = shade(nextObj, -dir2NextObj) * f_r * cos / pdf / RussianRoulette; + } + } + } + } + + return Lo_dir + Lo_indir; +} + +// Implementation of Path Tracing +Vector3f Scene::castRay(const Ray &ray, int depth) const +{ + // TODO Implement Path Tracing Algorithm here + auto hitObj = intersect(ray); + if (!hitObj.happened) return {}; + return shade(hitObj, -ray.direction); +} \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing/Scene.hpp b/Path Tracing/Scene.hpp new file mode 100644 index 0000000..6b3409d --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Scene.hpp @@ -0,0 +1,112 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include +#include "Vector.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "AreaLight.hpp" +#include "BVH.hpp" +#include "Ray.hpp" + + +class Scene +{ +public: + // setting up options + int width = 1280; + int height = 960; + double fov = 40; + Vector3f backgroundColor = Vector3f(0.235294, 0.67451, 0.843137); + int maxDepth = 1; + float RussianRoulette = 0.8; + + Scene(int w, int h) : width(w), height(h) + {} + + void Add(Object *object) { objects.push_back(object); } + void Add(std::unique_ptr light) { lights.push_back(std::move(light)); } + + const std::vector& get_objects() const { return objects; } + const std::vector >& get_lights() const { return lights; } + Intersection intersect(const Ray& ray) const; + BVHAccel *bvh; + void buildBVH(); + Vector3f castRay(const Ray &ray, int depth) const; + void sampleLight(Intersection &pos, float &pdf) const; + bool trace(const Ray &ray, const std::vector &objects, float &tNear, uint32_t &index, Object **hitObject); + std::tuple HandleAreaLight(const AreaLight &light, const Vector3f &hitPoint, const Vector3f &N, + const Vector3f &shadowPointOrig, + const std::vector &objects, uint32_t &index, + const Vector3f &dir, float specularExponent); + Vector3f shade(Intersection &pos, Vector3f wo) const; + + // creating the scene (adding objects and lights) + std::vector objects; + std::vector > lights; + + // Compute reflection direction + Vector3f reflect(const Vector3f &I, const Vector3f &N) const + { + return I - 2 * dotProduct(I, N) * N; + } + + +// Compute refraction direction using Snell's law +// +// We need to handle with care the two possible situations: +// +// - When the ray is inside the object +// +// - When the ray is outside. +// +// If the ray is outside, you need to make cosi positive cosi = -N.I +// +// If the ray is inside, you need to invert the refractive indices and negate the normal N + Vector3f refract(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + Vector3f n = N; + if (cosi < 0) { cosi = -cosi; } else { std::swap(etai, etat); n= -N; } + float eta = etai / etat; + float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi); + return k < 0 ? 0 : eta * I + (eta * cosi - sqrtf(k)) * n; + } + + + + // Compute Fresnel equation +// +// \param I is the incident view direction +// +// \param N is the normal at the intersection point +// +// \param ior is the material refractive index +// +// \param[out] kr is the amount of light reflected + void fresnel(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior, float &kr) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + if (cosi > 0) { std::swap(etai, etat); } + // Compute sini using Snell's law + float sint = etai / etat * sqrtf(std::max(0.f, 1 - cosi * cosi)); + // Total internal reflection + if (sint >= 1) { + kr = 1; + } + else { + float cost = sqrtf(std::max(0.f, 1 - sint * sint)); + cosi = fabsf(cosi); + float Rs = ((etat * cosi) - (etai * cost)) / ((etat * cosi) + (etai * cost)); + float Rp = ((etai * cosi) - (etat * cost)) / ((etai * cosi) + (etat * cost)); + kr = (Rs * Rs + Rp * Rp) / 2; + } + // As a consequence of the conservation of energy, transmittance is given by: + // kt = 1 - kr; + } +}; \ No newline at end of file diff --git a/Path Tracing/Sphere.hpp b/Path Tracing/Sphere.hpp new file mode 100644 index 0000000..86c204b --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Sphere.hpp @@ -0,0 +1,99 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_SPHERE_H +#define RAYTRACING_SPHERE_H + +#include "Object.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Material.hpp" + +class Sphere : public Object{ +public: + Vector3f center; + float radius, radius2; + Material *m; + float area; + Sphere(const Vector3f &c, const float &r, Material* mt = new Material()) : center(c), radius(r), radius2(r * r), m(mt), area(4 * M_PI *r *r) {} + bool intersect(const Ray& ray) { + // analytic solution + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + float area = 4 * M_PI * radius2; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return false; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return false; + return true; + } + bool intersect(const Ray& ray, float &tnear, uint32_t &index) const + { + // analytic solution + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (! + solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return false; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return false; + tnear = t0; + + return true; + } + Intersection getIntersection(Ray ray){ + Intersection result; + result.happened = false; + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return result; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return result; + result.happened=true; + + result.coords = Vector3f(ray.origin + ray.direction * t0); + result.normal = normalize(Vector3f(result.coords - center)); + result.m = this->m; + result.obj = this; + result.distance = t0; + return result; + + } + void getSurfaceProperties(const Vector3f &P, const Vector3f &I, const uint32_t &index, const Vector2f &uv, Vector3f &N, Vector2f &st) const + { N = normalize(P - center); } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f &st)const { + //return m->getColor(); + } + Bounds3 getBounds(){ + return Bounds3(Vector3f(center.x-radius, center.y-radius, center.z-radius), + Vector3f(center.x+radius, center.y+radius, center.z+radius)); + } + void Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + float theta = 2.0 * M_PI * get_random_float(), phi = M_PI * get_random_float(); + Vector3f dir(std::cos(phi), std::sin(phi)*std::cos(theta), std::sin(phi)*std::sin(theta)); + pos.coords = center + radius * dir; + pos.normal = dir; + pos.emit = m->getEmission(); + pdf = 1.0f / area; + } + float getArea(){ + return area; + } + bool hasEmit(){ + return m->hasEmission(); + } +}; + + + + +#endif //RAYTRACING_SPHERE_H diff --git a/Path Tracing/Triangle.hpp b/Path Tracing/Triangle.hpp new file mode 100644 index 0000000..cfb35c6 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Triangle.hpp @@ -0,0 +1,272 @@ +#pragma once + +#include "BVH.hpp" +#include "Intersection.hpp" +#include "Material.hpp" +#include "OBJ_Loader.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include +#include + +bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, + const Vector3f& v2, const Vector3f& orig, + const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v) +{ + Vector3f edge1 = v1 - v0; + Vector3f edge2 = v2 - v0; + Vector3f pvec = crossProduct(dir, edge2); + float det = dotProduct(edge1, pvec); + if (det == 0 || det < 0) + return false; + + Vector3f tvec = orig - v0; + u = dotProduct(tvec, pvec); + if (u < 0 || u > det) + return false; + + Vector3f qvec = crossProduct(tvec, edge1); + v = dotProduct(dir, qvec); + if (v < 0 || u + v > det) + return false; + + float invDet = 1 / det; + + tnear = dotProduct(edge2, qvec) * invDet; + u *= invDet; + v *= invDet; + + return true; +} + +class Triangle : public Object +{ +public: + Vector3f v0, v1, v2; // vertices A, B ,C , counter-clockwise order + Vector3f e1, e2; // 2 edges v1-v0, v2-v0; + Vector3f t0, t1, t2; // texture coords + Vector3f normal; + float area; + Material* m; + + Triangle(Vector3f _v0, Vector3f _v1, Vector3f _v2, Material* _m = nullptr) + : v0(_v0), v1(_v1), v2(_v2), m(_m) + { + e1 = v1 - v0; + e2 = v2 - v0; + normal = normalize(crossProduct(e1, e2)); + area = crossProduct(e1, e2).norm(); + } + + bool intersect(const Ray& ray) override; + bool intersect(const Ray& ray, float& tnear, + uint32_t& index) const override; + Intersection getIntersection(Ray ray) override; + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f& I, + const uint32_t& index, const Vector2f& uv, + Vector3f& N, Vector2f& st) const override + { + N = normal; + // throw std::runtime_error("triangle::getSurfaceProperties not + // implemented."); + } + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f&) const override; + Bounds3 getBounds() override; + void Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + float x = std::sqrt(get_random_float()), y = get_random_float(); + pos.coords = v0 * (1.0f - x) + v1 * (x * (1.0f - y)) + v2 * (x * y); + pos.normal = this->normal; + pdf = 1.0f / area; + } + float getArea(){ + return area; + } + bool hasEmit(){ + return m->hasEmission(); + } +}; + +class MeshTriangle : public Object +{ +public: + MeshTriangle(const std::string& filename, Material *mt = new Material()) + { + objl::Loader loader; + loader.LoadFile(filename); + area = 0; + m = mt; + assert(loader.LoadedMeshes.size() == 1); + auto mesh = loader.LoadedMeshes[0]; + + Vector3f min_vert = Vector3f{std::numeric_limits::infinity(), + std::numeric_limits::infinity(), + std::numeric_limits::infinity()}; + Vector3f max_vert = Vector3f{-std::numeric_limits::infinity(), + -std::numeric_limits::infinity(), + -std::numeric_limits::infinity()}; + for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) { + std::array face_vertices; + + for (int j = 0; j < 3; j++) { + auto vert = Vector3f(mesh.Vertices[i + j].Position.X, + mesh.Vertices[i + j].Position.Y, + mesh.Vertices[i + j].Position.Z); + face_vertices[j] = vert; + + min_vert = Vector3f(std::min(min_vert.x, vert.x), + std::min(min_vert.y, vert.y), + std::min(min_vert.z, vert.z)); + max_vert = Vector3f(std::max(max_vert.x, vert.x), + std::max(max_vert.y, vert.y), + std::max(max_vert.z, vert.z)); + } + + triangles.emplace_back(face_vertices[0], face_vertices[1], + face_vertices[2], mt); + } + + bounding_box = Bounds3(min_vert, max_vert); + + std::vector ptrs; + for (auto& tri : triangles){ + ptrs.push_back(&tri); + area += tri.area; + } + bvh = new BVHAccel(ptrs); + } + + bool intersect(const Ray& ray) { return true; } + + bool intersect(const Ray& ray, float& tnear, uint32_t& index) const + { + bool intersect = false; + for (uint32_t k = 0; k < numTriangles; ++k) { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[k * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 2]]; + float t, u, v; + if (rayTriangleIntersect(v0, v1, v2, ray.origin, ray.direction, t, + u, v) && + t < tnear) { + tnear = t; + index = k; + intersect |= true; + } + } + + return intersect; + } + + Bounds3 getBounds() { return bounding_box; } + + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f& I, + const uint32_t& index, const Vector2f& uv, + Vector3f& N, Vector2f& st) const + { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + Vector3f e0 = normalize(v1 - v0); + Vector3f e1 = normalize(v2 - v1); + N = normalize(crossProduct(e0, e1)); + const Vector2f& st0 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector2f& st1 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector2f& st2 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + st = st0 * (1 - uv.x - uv.y) + st1 * uv.x + st2 * uv.y; + } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f& st) const + { + float scale = 5; + float pattern = + (fmodf(st.x * scale, 1) > 0.5) ^ (fmodf(st.y * scale, 1) > 0.5); + return lerp(Vector3f(0.815, 0.235, 0.031), + Vector3f(0.937, 0.937, 0.231), pattern); + } + + Intersection getIntersection(Ray ray) + { + Intersection intersec; + + if (bvh) { + intersec = bvh->Intersect(ray); + } + + return intersec; + } + + void Sample(Intersection &pos, float &pdf){ + bvh->Sample(pos, pdf); + pos.emit = m->getEmission(); + } + float getArea(){ + return area; + } + bool hasEmit(){ + return m->hasEmission(); + } + + Bounds3 bounding_box; + std::unique_ptr vertices; + uint32_t numTriangles; + std::unique_ptr vertexIndex; + std::unique_ptr stCoordinates; + + std::vector triangles; + + BVHAccel* bvh; + float area; + + Material* m; +}; + +inline bool Triangle::intersect(const Ray& ray) { return true; } +inline bool Triangle::intersect(const Ray& ray, float& tnear, + uint32_t& index) const +{ + return false; +} + +inline Bounds3 Triangle::getBounds() { return Union(Bounds3(v0, v1), v2); } + +inline Intersection Triangle::getIntersection(Ray ray) +{ + Intersection inter; + + if (dotProduct(ray.direction, normal) > 0) + return inter; + double u, v, t_tmp = 0; + Vector3f pvec = crossProduct(ray.direction, e2); + double det = dotProduct(e1, pvec); + if (fabs(det) < EPSILON) + return inter; + + double det_inv = 1. / det; + Vector3f tvec = ray.origin - v0; + u = dotProduct(tvec, pvec) * det_inv; + if (u < 0 || u > 1) + return inter; + Vector3f qvec = crossProduct(tvec, e1); + v = dotProduct(ray.direction, qvec) * det_inv; + if (v < 0 || u + v > 1) + return inter; + t_tmp = dotProduct(e2, qvec) * det_inv; + + // TODO find ray triangle intersection + if (t_tmp <= 0) + return inter; + + inter.happened = true; + inter.coords = ray(t_tmp); + inter.m = this->m; + inter.normal = normal; + inter.distance = t_tmp; + inter.obj = this; + + return inter; +} + +inline Vector3f Triangle::evalDiffuseColor(const Vector2f&) const +{ + return Vector3f(0.5, 0.5, 0.5); +} diff --git a/Path Tracing/Vector.cpp b/Path Tracing/Vector.cpp new file mode 100644 index 0000000..8f18a8e --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Vector.cpp @@ -0,0 +1,5 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// + +#include "Vector.hpp" diff --git a/Path Tracing/Vector.hpp b/Path Tracing/Vector.hpp new file mode 100644 index 0000000..0a6e783 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/Vector.hpp @@ -0,0 +1,94 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// +#pragma once +#ifndef RAYTRACING_VECTOR_H +#define RAYTRACING_VECTOR_H + +#include +#include +#include + +class Vector3f { +public: + float x, y, z; + Vector3f() : x(0), y(0), z(0) {} + Vector3f(float xx) : x(xx), y(xx), z(xx) {} + Vector3f(float xx, float yy, float zz) : x(xx), y(yy), z(zz) {} + Vector3f operator * (const float &r) const { return Vector3f(x * r, y * r, z * r); } + Vector3f operator / (const float &r) const { return Vector3f(x / r, y / r, z / r); } + + float norm() {return std::sqrt(x * x + y * y + z * z);} + Vector3f normalized() { + float n = std::sqrt(x * x + y * y + z * z); + return Vector3f(x / n, y / n, z / n); + } + + Vector3f operator * (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x * v.x, y * v.y, z * v.z); } + Vector3f operator - (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x - v.x, y - v.y, z - v.z); } + Vector3f operator + (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x + v.x, y + v.y, z + v.z); } + Vector3f operator - () const { return Vector3f(-x, -y, -z); } + Vector3f& operator += (const Vector3f &v) { x += v.x, y += v.y, z += v.z; return *this; } + friend Vector3f operator * (const float &r, const Vector3f &v) + { return Vector3f(v.x * r, v.y * r, v.z * r); } + friend std::ostream & operator << (std::ostream &os, const Vector3f &v) + { return os << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z; } + double operator[](int index) const; + double& operator[](int index); + + + static Vector3f Min(const Vector3f &p1, const Vector3f &p2) { + return Vector3f(std::min(p1.x, p2.x), std::min(p1.y, p2.y), + std::min(p1.z, p2.z)); + } + + static Vector3f Max(const Vector3f &p1, const Vector3f &p2) { + return Vector3f(std::max(p1.x, p2.x), std::max(p1.y, p2.y), + std::max(p1.z, p2.z)); + } +}; +inline double Vector3f::operator[](int index) const { + return (&x)[index]; +} + + +class Vector2f +{ +public: + Vector2f() : x(0), y(0) {} + Vector2f(float xx) : x(xx), y(xx) {} + Vector2f(float xx, float yy) : x(xx), y(yy) {} + Vector2f operator * (const float &r) const { return Vector2f(x * r, y * r); } + Vector2f operator + (const Vector2f &v) const { return Vector2f(x + v.x, y + v.y); } + float x, y; +}; + +inline Vector3f lerp(const Vector3f &a, const Vector3f& b, const float &t) +{ return a * (1 - t) + b * t; } + +inline Vector3f normalize(const Vector3f &v) +{ + float mag2 = v.x * v.x + v.y * v.y + v.z * v.z; + if (mag2 > 0) { + float invMag = 1 / sqrtf(mag2); + return Vector3f(v.x * invMag, v.y * invMag, v.z * invMag); + } + + return v; +} + +inline float dotProduct(const Vector3f &a, const Vector3f &b) +{ return a.x * b.x + a.y * b.y + a.z * b.z; } + +inline Vector3f crossProduct(const Vector3f &a, const Vector3f &b) +{ + return Vector3f( + a.y * b.z - a.z * b.y, + a.z * b.x - a.x * b.z, + a.x * b.y - a.y * b.x + ); +} + + + +#endif //RAYTRACING_VECTOR_H diff --git a/Path Tracing/binary.ppm b/Path Tracing/binary.ppm new file mode 100644 index 0000000..c160edc Binary files /dev/null and b/Path Tracing/binary.ppm differ diff --git a/Path Tracing/global.hpp b/Path Tracing/global.hpp new file mode 100644 index 0000000..4eb494d --- /dev/null +++ b/Path Tracing/global.hpp @@ -0,0 +1,53 @@ +#pragma once +#include +#include +#include + +#undef M_PI +#define M_PI 3.141592653589793f + +extern const float EPSILON; +const float kInfinity = std::numeric_limits::max(); + +inline float clamp(const float &lo, const float &hi, const float &v) +{ return std::max(lo, std::min(hi, v)); } + +inline bool solveQuadratic(const float &a, const float &b, const float &c, float &x0, float &x1) +{ + float discr = b * b - 4 * a * c; + if (discr < 0) return false; + else if (discr == 0) x0 = x1 = - 0.5 * b / a; + else { + float q = (b > 0) ? + -0.5 * (b + sqrt(discr)) : + -0.5 * (b - sqrt(discr)); + x0 = q / a; + x1 = c / q; + } + if (x0 > x1) std::swap(x0, x1); + return true; +} + +inline float get_random_float() +{ + std::random_device dev; + std::mt19937 rng(dev()); + std::uniform_real_distribution dist(0.f, 1.f); // distribution in range [1, 6] + + return dist(rng); +} + +inline void UpdateProgress(float progress) +{ + int barWidth = 70; + + std::cout << "["; + int pos = barWidth * progress; + for (int i = 0; i < barWidth; ++i) { + if (i < pos) std::cout << "="; + else if (i == pos) std::cout << ">"; + else std::cout << " "; + } + std::cout << "] " << int(progress * 100.0) << " %\r"; + std::cout.flush(); +}; diff --git a/Path Tracing/main.cpp b/Path Tracing/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..6015683 --- /dev/null +++ b/Path Tracing/main.cpp @@ -0,0 +1,56 @@ +#include "Renderer.hpp" +#include "Scene.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include "Sphere.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include + +// In the main function of the program, we create the scene (create objects and +// lights) as well as set the options for the render (image width and height, +// maximum recursion depth, field-of-view, etc.). We then call the render +// function(). +int main(int argc, char** argv) +{ + + // Change the definition here to change resolution + Scene scene(784, 784); + + Material* red = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + red->Kd = Vector3f(0.63f, 0.065f, 0.05f); + Material* green = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + green->Kd = Vector3f(0.14f, 0.45f, 0.091f); + Material* white = new Material(DIFFUSE, Vector3f(0.0f)); + white->Kd = Vector3f(0.725f, 0.71f, 0.68f); + Material* light = new Material(DIFFUSE, (8.0f * Vector3f(0.747f+0.058f, 0.747f+0.258f, 0.747f) + 15.6f * Vector3f(0.740f+0.287f,0.740f+0.160f,0.740f) + 18.4f *Vector3f(0.737f+0.642f,0.737f+0.159f,0.737f))); + light->Kd = Vector3f(0.65f); + + MeshTriangle floor("../models/cornellbox/floor.obj", white); + MeshTriangle shortbox("../models/cornellbox/shortbox.obj", white); + MeshTriangle tallbox("../models/cornellbox/tallbox.obj", white); + MeshTriangle left("../models/cornellbox/left.obj", red); + MeshTriangle right("../models/cornellbox/right.obj", green); + MeshTriangle light_("../models/cornellbox/light.obj", light); + + scene.Add(&floor); + scene.Add(&shortbox); + scene.Add(&tallbox); + scene.Add(&left); + scene.Add(&right); + scene.Add(&light_); + + scene.buildBVH(); + + Renderer r; + + auto start = std::chrono::system_clock::now(); + r.Render(scene); + auto stop = std::chrono::system_clock::now(); + + std::cout << "Render complete: \n"; + std::cout << "Time taken: " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " hours\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " minutes\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " seconds\n"; + + return 0; +} \ No newline at end of file diff --git a/ProjectSetting/pipeline.props b/ProjectSetting/pipeline.props new file mode 100644 index 0000000..c091745 --- /dev/null +++ b/ProjectSetting/pipeline.props @@ -0,0 +1,20 @@ + + + + + + $(VC_IncludePath);$(WindowsSDK_IncludePath);;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\include;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\include\opencv2 + $(VC_LibraryPath_x64);$(WindowsSDK_LibraryPath_x64);$(NETFXKitsDir)Lib\um\x64;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib + + + + E:\college class\package\eigen-3.3.9;%(AdditionalIncludeDirectories) + _DEBUG;_CONSOLE;_CRT_SECURE_NO_WARNINGS;%(PreprocessorDefinitions) + stdcpp17 + + + E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib\opencv_world451d.lib;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib\opencv_world451.lib;%(AdditionalDependencies) + + + + \ No newline at end of file diff --git a/README.md b/README.md index c8ae5de..ba3d781 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -1,2 +1,10 @@ -# GameS101_IntroductionTOcomputerGraph -所有分支将合并到作业1分支 +# GameS101 Introduction to Computer Graphics + +Notes and code explanations were written in my [blog](https://www.yuque.com/6527chen/ldyt32/fol4df) + +[![dragon](https://user-images.githubusercontent.com/67043073/208294703-f445e3db-cad4-409a-87ca-5e23e25dc2af.png)](https://www.yuque.com/6527chen/ldyt32/fol4df) + +[![image](https://user-images.githubusercontent.com/67043073/208294793-2a114fab-39cb-40fd-9428-f916eb73e791.png)](https://www.yuque.com/6527chen/ldyt32/hzdu04) + + + diff --git a/Roate_Project/PropertySheet.props b/Roate_Project/PropertySheet.props new file mode 100644 index 0000000..c091745 --- /dev/null +++ b/Roate_Project/PropertySheet.props @@ -0,0 +1,20 @@ + + + + + + $(VC_IncludePath);$(WindowsSDK_IncludePath);;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\include;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\include\opencv2 + $(VC_LibraryPath_x64);$(WindowsSDK_LibraryPath_x64);$(NETFXKitsDir)Lib\um\x64;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib + + + + E:\college class\package\eigen-3.3.9;%(AdditionalIncludeDirectories) + _DEBUG;_CONSOLE;_CRT_SECURE_NO_WARNINGS;%(PreprocessorDefinitions) + stdcpp17 + + + E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib\opencv_world451d.lib;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib\opencv_world451.lib;%(AdditionalDependencies) + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Roate_Project/Roate_Project.cpp b/Roate_Project/Roate_Project.cpp deleted file mode 100644 index 1f2c523..0000000 --- a/Roate_Project/Roate_Project.cpp +++ /dev/null @@ -1,133 +0,0 @@ -#include "Triangle.hpp" -#include "rasterizer.hpp" -#include -#include -#include - -constexpr double MY_PI = 3.1415926; -inline double DEG2RAD(double deg) { return deg * MY_PI / 180; } - -Eigen::Matrix4f get_view_matrix(Eigen::Vector3f eye_pos) -{ - Eigen::Matrix4f view = Eigen::Matrix4f::Identity(); - - Eigen::Matrix4f translate; - translate << 1, 0, 0, -eye_pos[0], 0, 1, 0, -eye_pos[1], 0, 0, 1, - -eye_pos[2], 0, 0, 0, 1; - - view = translate * view; - - return view; -} - -Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float rotation_angle) -{ - Eigen::Matrix4f model = Eigen::Matrix4f::Identity(); - - // TODO: Implement this function - // Create the model matrix for rotating the triangle around the Z axis. - // Then return it. - - double rad = DEG2RAD(rotation_angle); - model << cos(rad), -sin(rad), 0, 0, - sin(rad), cos(rad), 0, 0, - 0, 0, 1, 0, - 0, 0, 0, 1; - - return model; -} - -Eigen::Matrix4f get_projection_matrix(float eye_fov, float aspect_ratio, - float zNear, float zFar) -{ - // Students will implement this function - - Eigen::Matrix4f projection = Eigen::Matrix4f::Identity(); - - // TODO: Implement this function - // Create the projection matrix for the given parameters. - // Then return it. - - float top = -tan(DEG2RAD(eye_fov / 2.0f) * abs(zNear)); - float right = top * aspect_ratio; - - projection << zNear / right, 0, 0, 0, - 0, zNear / top, 0, 0, - 0, 0, (zNear + zFar) / (zNear - zFar), (2 * zNear*zFar) / (zFar - zNear), - 0, 0, 1, 0; - - return projection; -} - -int main(int argc, const char** argv) -{ - float angle = 0; - bool command_line = false; - std::string filename = "output.png"; - - if (argc >= 3) { - command_line = true; - angle = std::stof(argv[2]); // -r by default - if (argc == 4) { - filename = std::string(argv[3]); - } - else - return 0; - } - - rst::rasterizer r(700, 700); - - Eigen::Vector3f eye_pos = { 0, 0, 5 }; - - std::vector pos{ {2, 0, -2}, {0, 2, -2}, {-2, 0, -2} }; - - std::vector ind{ {0, 1, 2} }; - - auto pos_id = r.load_positions(pos); - auto ind_id = r.load_indices(ind); - - int key = 0; - int frame_count = 0; - - if (command_line) { - r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - - r.set_model(get_model_matrix(angle)); - r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); - r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); - - r.draw(pos_id, ind_id, rst::Primitive::Triangle); - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); - image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); - - cv::imwrite(filename, image); - - return 0; - } - - while (key != 27) { - r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - - r.set_model(get_model_matrix(angle)); - r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); - r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); - - r.draw(pos_id, ind_id, rst::Primitive::Triangle); - - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); - image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); - cv::imshow("image", image); - key = cv::waitKey(10); - - std::cout << "frame count: " << frame_count++ << '\n'; - - if (key == 'a') { - angle += 10; - } - else if (key == 'd') { - angle -= 10; - } - } - - return 0; -} diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/10output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/10output.png new file mode 100644 index 0000000..3935233 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/10output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/12output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/12output.png new file mode 100644 index 0000000..f7a1749 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/12output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/14output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/14output.png new file mode 100644 index 0000000..5db5daa Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/14output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/16output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/16output.png new file mode 100644 index 0000000..3dd3775 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/16output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/18output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/18output.png new file mode 100644 index 0000000..5db5daa Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/18output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/20output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/20output.png new file mode 100644 index 0000000..bf2f41a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/20output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/22output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/22output.png new file mode 100644 index 0000000..3935233 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/22output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/24output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/24output.png new file mode 100644 index 0000000..38a78e1 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/24output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/26output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/26output.png new file mode 100644 index 0000000..3935233 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/26output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/28output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/28output.png new file mode 100644 index 0000000..bf2f41a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/28output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/30output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/30output.png new file mode 100644 index 0000000..5db5daa Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/30output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/32output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/32output.png new file mode 100644 index 0000000..3dd3775 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/32output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/34output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/34output.png new file mode 100644 index 0000000..5db5daa Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/34output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/36output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/36output.png new file mode 100644 index 0000000..bf2f41a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/36output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/38output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/38output.png new file mode 100644 index 0000000..5db5daa Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/38output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/40output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/40output.png new file mode 100644 index 0000000..3dd3775 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/40output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/5output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/5output.png new file mode 100644 index 0000000..bf2f41a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/5output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/6output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/6output.png new file mode 100644 index 0000000..3935233 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/6output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/8output.png b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/8output.png new file mode 100644 index 0000000..38a78e1 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Orthogonal/RotateY/8output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/11output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/11output.png new file mode 100644 index 0000000..74abb5c Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/11output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/13output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/13output.png new file mode 100644 index 0000000..458f62b Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/13output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/15output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/15output.png new file mode 100644 index 0000000..9539b3a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/15output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/17output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/17output.png new file mode 100644 index 0000000..70c0fc0 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/17output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/19output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/19output.png new file mode 100644 index 0000000..aea924e Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/19output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/21output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/21output.png new file mode 100644 index 0000000..c237bd7 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/21output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/23output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/23output.png new file mode 100644 index 0000000..72a01ae Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/23output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/25output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/25output.png new file mode 100644 index 0000000..3b45b57 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/25output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/27output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/27output.png new file mode 100644 index 0000000..74abb5c Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/27output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/29output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/29output.png new file mode 100644 index 0000000..458f62b Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/29output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/31output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/31output.png new file mode 100644 index 0000000..9539b3a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/31output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/33output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/33output.png new file mode 100644 index 0000000..25a8642 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/33output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/35output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/35output.png new file mode 100644 index 0000000..aea924e Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/35output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/37output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/37output.png new file mode 100644 index 0000000..25a8642 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/37output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/39output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/39output.png new file mode 100644 index 0000000..9539b3a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/39output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/41output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/41output.png new file mode 100644 index 0000000..458f62b Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/41output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/43output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/43output.png new file mode 100644 index 0000000..74abb5c Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/43output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/45output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/45output.png new file mode 100644 index 0000000..3b45b57 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/45output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/47output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/47output.png new file mode 100644 index 0000000..72a01ae Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/47output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/4output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/4output.png new file mode 100644 index 0000000..b7e835f Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/4output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/52output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/52output.png new file mode 100644 index 0000000..c237bd7 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/52output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/5output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/5output.png new file mode 100644 index 0000000..6bb2aa0 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/5output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/7output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/7output.png new file mode 100644 index 0000000..72a01ae Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/7output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/9output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/9output.png new file mode 100644 index 0000000..3b45b57 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateY/9output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/10output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/10output.png new file mode 100644 index 0000000..5efc9cc Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/10output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/12output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/12output.png new file mode 100644 index 0000000..0a7a2cd Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/12output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/14output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/14output.png new file mode 100644 index 0000000..6c326b1 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/14output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/16output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/16output.png new file mode 100644 index 0000000..2f8c95a Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/16output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/18output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/18output.png new file mode 100644 index 0000000..4cdffb0 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/18output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/20output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/20output.png new file mode 100644 index 0000000..304af2d Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/20output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/22output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/22output.png new file mode 100644 index 0000000..bd7aac8 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/22output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/24output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/24output.png new file mode 100644 index 0000000..4ce4962 Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/24output.png differ diff --git a/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/7output.png b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/7output.png new file mode 100644 index 0000000..b7e835f Binary files /dev/null and b/Roate_Project/img/Perspective/RotateZ/7output.png differ diff --git a/Roate_Project/main.cpp b/Roate_Project/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..903d34d --- /dev/null +++ b/Roate_Project/main.cpp @@ -0,0 +1,260 @@ +#include "Triangle.hpp" +#include "rasterizer.hpp" +#include +#include +#include + +constexpr double MY_PI = 3.1415926; +constexpr float RotateAngle = 45; +inline double DEG2RAD(double deg) { return deg * MY_PI / 180; } + +Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float rotation_angle) +{ + Eigen::Matrix4f model = Eigen::Matrix4f::Identity(); + + // TODO: Implement this function + // Create the model matrix for rotating the triangle around the Z axis. + // Then return it. + Eigen::Matrix4f rotateZ, rotateY, rotateX, scaleK, translateX, translateZ; + float angle = rotation_angle / 180 * MY_PI; + //rotate with z + rotateZ << std::cos(angle), -1 * std::sin(angle), 0, 0, \ + std::sin(angle), std::cos(angle), 0, 0, \ + 0, 0, 1, 0, \ + 0, 0, 0, 1; + //rotate with x + rotateX << 1, 0, 0, 0, \ + 0, std::cos(angle), -std::sin(angle), 0, \ + 0, std::sin(angle), std::cos(angle), 0, \ + 0, 0, 0, 1; + //rotate with y + rotateY << std::cos(angle), 0, std::sin(angle), 0, \ + 0, 1, 0, 0, \ + - std::sin(angle), 0, std::cos(angle), 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + //scale with k + float k = .1*angle;//scale factor + scaleK << k , 0, 0, 0, \ + 0, k, 0, 0, \ + 0, 0, k , 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + //translate X OR Z for any step + float step = -angle / 10.0; + translateX << 1, 0, 0, step, \ + 0, 1, 0, 0, \ + 0, 0, 1, 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + translateZ << 1, 0, 0, 0, \ + 0, 1, 0, 0, \ + 0, 0, 1, step, \ + 0, 0, 0, 1; + model = rotateZ * model; + //model = rotateX * model; + //model = rotateY * model; + //model = scaleK * model; + //model *= translateX; + //model *= translateZ; + //model *= translateX*rotateX*scaleK; + //model *= rotateZ * scaleK; + //model *= rotateY * scaleK; + //model *= rotateX * scaleK; + return model; +} + +Eigen::Matrix4f get_view_matrix(Eigen::Vector3f eye_pos) +{ + Eigen::Matrix4f view = Eigen::Matrix4f::Identity(); + + Eigen::Matrix4f translate2orgin; + translate2orgin << 1, 0, 0, -eye_pos[0],//move camera to world orgin + 0, 1, 0, -eye_pos[1], + 0, 0, 1, -eye_pos[2], + 0, 0, 0, 1; + + view = translate2orgin * view; + + return view; +} + +Eigen::Matrix4f get_projection_matrix(float eye_fov, float aspect_ratio, float zNear, float zFar) +{ + Eigen::Matrix4f projection = Eigen::Matrix4f::Identity(); + Eigen::Matrix4f M_persp2ortho(4, 4); + Eigen::Matrix4f M_ortho_scale(4, 4); + Eigen::Matrix4f M_ortho_trans(4, 4); + + float angle = eye_fov * MY_PI / 180.0; // half angle + float height = zNear * tan(angle) * 2; + float width = height * aspect_ratio; + + auto t = -zNear * tan(angle / 2); + auto r = t * aspect_ratio; + auto l = -r; + auto b = -t; + + M_persp2ortho << zNear, 0, 0, 0, + 0, zNear, 0, 0, + 0, 0, zNear + zFar, -zNear * zFar, + 0, 0, 1, 0; + + M_ortho_scale << 2 / (r - l), 0, 0, 0, + 0, 2 / (t - b), 0, 0, + 0, 0, 2 / (zNear - zFar), 0, + 0, 0, 0, 1; + + M_ortho_trans << 1, 0, 0, -(r + l) / 2, + 0, 1, 0, -(t + b) / 2, + 0, 0, 1, -(zNear + zFar) / 2, + 0, 0, 0, 1; + + Eigen::Matrix4f M_ortho = M_ortho_scale * M_ortho_trans; + //prespective + projection = M_ortho * M_persp2ortho * projection; + + //orthogonal + //projection *= M_ortho; + + return projection; +} + +//Improved:得到绕任意过原点的轴的旋转变换矩阵 https://www.freesion.com/article/28641062948/ +Eigen::Matrix4f get_model_matrix(Vector3f axis, float angle) { + Eigen::Matrix4f RotateAxis = Eigen::Matrix4f::Identity(); + float radian = angle / 180 * MY_PI; + float x = axis.x(); + float y = axis.y(); + float z = axis.z(); + float cos_angle = std::cos(radian); + float sin_angle = std::sin(radian); + + RotateAxis << x * x + (1 - x * x)*cos_angle, x*y*(1 - cos_angle) + z * sin_angle, x*z*(1 - cos_angle) - y * sin_angle, 0, \ + x*y*(1 - cos_angle) - z * sin_angle, y*y + (1 - y * y)*cos_angle, y*z*(1 - cos_angle) + sin_angle, 0, \ + x*z*(1 - cos_angle) + y * sin_angle, y*z*(1 - cos_angle) - x * sin_angle, z*z + (1 - z * z)*cos_angle, 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + return RotateAxis; +} + +//Improved2:得到绕任意过原点的轴的旋转变换矩阵 https://blog.csdn.net/qq_36242312/article/details/105742949 +Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float rotation_angle, Eigen::Vector3f axis_start, Eigen::Vector3f axis_end) +{ + // Eigen::Vector3f axis_start 为起点 + // Eigen::Vector3f axis_end 为终点 + Eigen::Matrix4f RotateAxis = Eigen::Matrix4f::Identity(); + // normalize axis + Eigen::Vector3f axis; + axis[0] = axis_end[0] - axis_start[0]; + axis[1] = axis_end[1] - axis_start[1]; + axis[2] = axis_end[2] - axis_start[2]; + float norm = sqrt(axis[0] * axis[0] + axis[1] * axis[1] + axis[2] * axis[2]); + axis[0] /= norm; + axis[1] /= norm; + axis[2] /= norm; + // compute radian + float radian = rotation_angle / 180.0 * MY_PI; + // compute component 计算轴角旋转矩阵分量 + Eigen::Matrix3f n(3, 3); + n << 0, -axis[2], axis[1], + axis[2], 0, -axis[0], + -axis[1], axis[0], 0; + + Eigen::Matrix3f component1 = Eigen::Matrix3f::Identity() * cos(radian); + Eigen::Matrix3f component2 = axis * axis.transpose() * (1 - cos(radian)); + Eigen::Matrix3f component3 = n * sin(radian); + + Eigen::Matrix3f rotate_m = component1 + component2 + component3; + + Eigen::Matrix4f rotate_martix = Eigen::Matrix4f::Identity(); + rotate_martix.block(0, 0, 3, 3) = rotate_m; // 前三个维度为旋转矩阵 + + RotateAxis = rotate_martix * RotateAxis; + return RotateAxis; +} + + +int main(int argc, const char** argv) +{ + float angle = 0; + bool command_line = false; + std::string filename = "output.png"; + + if (argc >= 3) { + command_line = true; + angle = std::stof(argv[2]); // -r by default + if (argc == 4) { + filename = std::string(argv[3]); + } + else + return 0; + } + + rst::rasterizer r(700, 700); + + Eigen::Vector3f eye_pos = { 0, 0, 5 }; + + std::vector pos{ {2, 0, -2}, {0, 2, -2}, {-2, 0, -2} };//给定点，操作此三点 + + std::vector ind{ {0, 1, 2} }; + + auto pos_id = r.load_positions(pos); + auto ind_id = r.load_indices(ind); + + int key = 0; + int frame_count = 0; + + if (command_line) { + r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); + + r.set_model(get_model_matrix(angle)); + r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); + r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 50)); + + r.draw(pos_id, ind_id, rst::Primitive::Triangle); + cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); + image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); + + cv::imwrite(filename, image); + + return 0; + } + + while (key != 27) { + r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); + Vector3f Vs = { 1,1,1 }, + Ve = { 0,0,1 }; //Try example: {1,1,3} {3,1,1} {1,3,1} {3,3,3} + r.set_model(get_model_matrix(angle));//angle在变，键盘A+D控制的是angle + //r.set_model(get_model_matrix(Ve, angle));//improve + //r.set_model(get_model_matrix(angle));//improve2 + r.set_view(get_view_matrix(eye_pos));//eye_pos不变 + r.set_projection(get_projection_matrix(45, 1, 0.1, 500));//projection参数不变 + + r.draw(pos_id, ind_id, rst::Primitive::Triangle); + + cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); + image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); + cv::imshow("image", image); + key = cv::waitKey(10); + //while (std::cin.get() != '\n')//清除缓冲区 + //continue; + std::cout << "frame count: " << frame_count++ << '\n'; + std::string num = std::to_string(frame_count); + std::string pathPZ = "img/Perspective/RotateZ/" + num + filename; + std::string pathOY = "img/Orthogonal/RotateY/" + num + filename; + std::string pathPY = "img/Perspective/RotateY/" + num + filename; + + if (key == 'a') { + angle += RotateAngle; + image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); + //cv::imwrite(path3, image); + } + else if (key == 'd') { + angle -= RotateAngle; + image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); + //cv::imwrite(path3, image); + } + } + return 0; +} diff --git a/Roate_Project/rasterizer.cpp b/Roate_Project/rasterizer.cpp index 91a7ff3..d225637 100644 --- a/Roate_Project/rasterizer.cpp +++ b/Roate_Project/rasterizer.cpp @@ -26,6 +26,7 @@ rst::ind_buf_id rst::rasterizer::load_indices(const std::vector } // Bresenham's line drawing algorithm +//https://blog.csdn.net/yuanwuwei/article/details/70182793 // Code taken from a stack overflow answer: https://stackoverflow.com/a/16405254 void rst::rasterizer::draw_line(Eigen::Vector3f begin, Eigen::Vector3f end) { @@ -40,7 +41,7 @@ void rst::rasterizer::draw_line(Eigen::Vector3f begin, Eigen::Vector3f end) dx=x2-x1; dy=y2-y1; - dx1=fabs(dx); + dx1=fabs(dx);//absolute value of a floating point value of dx dy1=fabs(dy); px=2*dy1-dx1; py=2*dx1-dy1; @@ -228,10 +229,10 @@ int rst::rasterizer::get_index(int x, int y) void rst::rasterizer::set_pixel(const Eigen::Vector3f& point, const Eigen::Vector3f& color) { - //old index: auto ind = point.y() + point.x() * width; - if (point.x() < 0 || point.x() >= width || - point.y() < 0 || point.y() >= height) return; - auto ind = (height-point.y())*width + point.x(); - frame_buf[ind] = color; + //old index: auto ind = point.y() + point.x() * width; + if (point.x() < 0 || point.x() >= width || + point.y() < 0 || point.y() >= height) return; + auto ind = (height - 1 - point.y())*width + point.x(); + frame_buf[ind] = color; } diff --git a/Roate_Project/readme.md b/Roate_Project/readme.md new file mode 100644 index 0000000..5d45926 --- /dev/null +++ b/Roate_Project/readme.md @@ -0,0 +1,215 @@ +# 作业1 旋转与投影 + +## 模型矩阵 + +```C++ +Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float rotation_angle) +{ + Eigen::Matrix4f model = Eigen::Matrix4f::Identity(); + + // TODO: Implement this function + // Create the model matrix for rotating the triangle around the Z axis. + // Then return it. + Eigen::Matrix4f rotateZ, rotateY, rotateX, scaleK, translateX, translateZ; + float angle = rotation_angle / 180 * MY_PI; + //rotate with z + rotateZ << std::cos(angle), -1 * std::sin(angle), 0, 0, \ + std::sin(angle), std::cos(angle), 0, 0, \ + 0, 0, 1, 0, \ + 0, 0, 0, 1; + //rotate with x + rotateX << 1, 0, 0, 0, \ + 0, std::cos(angle), -std::sin(angle), 0, \ + 0, std::sin(angle), std::cos(angle), 0, \ + 0, 0, 0, 1; + //rotate with y + rotateY << std::cos(angle), 0, std::sin(angle), 0, \ + 0, 1, 0, 0, \ + - std::sin(angle), 0, std::cos(angle), 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + //scale with k + float k = .01;//scale factor + scaleK << k , 0, 0, 0, \ + 0, k, 0, 0, \ + 0, 0, k , 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + //translate X OR Z for any step + float step = -angle / 10.0; + translateX << 1, 0, 0, step, \ + 0, 1, 0, 0, \ + 0, 0, 1, 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + translateZ << 1, 0, 0, 0, \ + 0, 1, 0, 0, \ + 0, 0, 1, step, \ + 0, 0, 0, 1; + model = rotateZ * model; + //model = rotateX * model; + //model = rotateY * model; + //model = scaleK * model; + //model *= translateX; + //model *= translateZ; + //model *= translateX*rotateX*scaleK; + //model *= rotateZ * scaleK; + //model *= rotateY * scaleK; + return model; +} +``` + + + +## 透视投影矩阵 + +```C++ +Eigen::Matrix4f get_projection_matrix(float eye_fov, float aspect_ratio, float zNear, float zFar) +{ + Eigen::Matrix4f projection = Eigen::Matrix4f::Identity(); + Eigen::Matrix4f M_persp2ortho(4, 4); + Eigen::Matrix4f M_ortho_scale(4, 4); + Eigen::Matrix4f M_ortho_trans(4, 4); + + float angle = eye_fov * MY_PI / 180.0; // half angle + float height = zNear * tan(angle) * 2; + float width = height * aspect_ratio; + + auto t = -zNear * tan(angle / 2); + auto r = t * aspect_ratio; + auto l = -r; + auto b = -t; + + M_persp2ortho << zNear, 0, 0, 0, + 0, zNear, 0, 0, + 0, 0, zNear + zFar, -zNear * zFar, + 0, 0, 1, 0; + + M_ortho_scale << 2 / (r - l), 0, 0, 0, + 0, 2 / (t - b), 0, 0, + 0, 0, 2 / (zNear - zFar), 0, + 0, 0, 0, 1; + + M_ortho_trans << 1, 0, 0, -(r + l) / 2, + 0, 1, 0, -(t + b) / 2, + 0, 0, 1, -(zNear + zFar) / 2, + 0, 0, 0, 1; + + Eigen::Matrix4f M_ortho = M_ortho_scale * M_ortho_trans; + //prespective + projection = M_ortho * M_persp2ortho * projection; + + //orthogonal + //projection *= M_ortho; + + return projection; +} +``` + +## 三角形旋转 + +### 绕Z轴 + +```c++ +rotateZ << std::cos(angle), -1 * std::sin(angle), 0, 0, + std::sin(angle), std::cos(angle), 0, 0, + 0, 0, 1, 0, + 0, 0, 0, 1; +``` + +![ZRotate](https://i.loli.net/2021/06/08/i46RI9kdg2f8OKH.gif) + +### 绕任意轴 + +```c++ +RotateAxis << x * x + (1 - x * x) * cos_angle, x *y *(1 - cos_angle) + z *sin_angle, x *z *(1 - cos_angle) - y *sin_angle, 0, + x *y *(1 - cos_angle) - z *sin_angle, y *y + (1 - y * y) * cos_angle, y *z *(1 - cos_angle) + sin_angle, 0, + x *z *(1 - cos_angle) + y *sin_angle, y *z *(1 - cos_angle) - x *sin_angle, z *z + (1 - z * z) * cos_angle, 0, + 0, 0, 0, 1; +``` + +```C++ +Vector3f Vs = { 1,1,1 }; +``` + +![Rotate1](https://i.loli.net/2021/06/08/KOYZfJGtSx75vad.gif) + +```c++ +Vector3f Ve = { 0,0,1 }; +``` + +![Rotate2](https://i.loli.net/2021/06/08/7A34hnS8xVzfMce.gif) + + + +## 绕任意轴旋转 + +```c++ +Eigen::Matrix4f get_model_matrix(Vector3f axis, float angle) { + Eigen::Matrix4f RotateAxis = Eigen::Matrix4f::Identity(); + float radian = angle / 180 * MY_PI; + float x = axis.x(); + float y = axis.y(); + float z = axis.z(); + float cos_angle = std::cos(radian); + float sin_angle = std::sin(radian); + + RotateAxis << x * x + (1 - x * x)*cos_angle, x*y*(1 - cos_angle) + z * sin_angle, x*z*(1 - cos_angle) - y * sin_angle, 0, \ + x*y*(1 - cos_angle) - z * sin_angle, y*y + (1 - y * y)*cos_angle, y*z*(1 - cos_angle) + sin_angle, 0, \ + x*z*(1 - cos_angle) + y * sin_angle, y*z*(1 - cos_angle) - x * sin_angle, z*z + (1 - z * z)*cos_angle, 0, \ + 0, 0, 0, 1; + + return RotateAxis; +} +``` + + + +## 其他结果 + +### 绕X旋转 + +```c++ +rotateX << 1, 0, 0, 0, + 0, std::cos(angle), -std::sin(angle), 0, + 0, std::sin(angle), std::cos(angle), 0, + 0, 0, 0, 1; +``` + +![RotateX](https://i.loli.net/2021/06/08/NifPRGlWwjnJd2b.gif) + +### 绕Y旋转 + +```c++ +rotateY << std::cos(angle), 0, std::sin(angle), 0, + 0, 1, 0, 0, + -std::sin(angle), 0, std::cos(angle), 0, + 0, 0, 0, 1; +``` + +![RotateY](https://i.loli.net/2021/06/08/GwD1bHmiSX5QM6q.gif) + +### 平移 X轴为例 + +```C++ +float step = -angle / 10.0; +translateX << 1, 0, 0, step, + 0, 1, 0, 0, + 0, 0, 1, 0, + 0, 0, 0, 1; +``` + +![TransX](https://i.loli.net/2021/06/08/hONaZsHByKJzFXk.gif) + +### 缩放 + +```c++ +//scale with k +float k = .1 * angle; //scale factor +scaleK << k, 0, 0, 0, + 0, k, 0, 0, + 0, 0, k, 0, + 0, 0, 0, 1; +``` + +![TransX](https://i.loli.net/2021/06/08/cEx8LbiaGXy6HqS.gif) \ No newline at end of file diff --git "a/Roate_Project/\350\247\206\351\242\221\350\256\260\345\275\225\357\274\232model\345\217\230\346\215\242.7z" "b/Roate_Project/\350\247\206\351\242\221\350\256\260\345\275\225\357\274\232model\345\217\230\346\215\242.7z" new file mode 100644 index 0000000..177c875 Binary files /dev/null and "b/Roate_Project/\350\247\206\351\242\221\350\256\260\345\275\225\357\274\232model\345\217\230\346\215\242.7z" differ diff --git a/Shader/Texture.hpp b/Shader/Texture.hpp index e35d8d2..5a3f038 100644 --- a/Shader/Texture.hpp +++ b/Shader/Texture.hpp @@ -23,11 +23,16 @@ class Texture{ int width, height; Eigen::Vector3f getColor(float u, float v) - { - auto u_img = u * width; - auto v_img = (1 - v) * height; - auto color = image_data.at(v_img, u_img); - return Eigen::Vector3f(color[0], color[1], color[2]); + { + // ޶ + if (u < 0) u = 0; + if (u > 1) u = 1; + if (v < 0) v = 0; + if (v > 1) v = 1; + auto u_img = u * width; + auto v_img = (1 - v) * height; + auto color = image_data.at(v_img, u_img); + return Eigen::Vector3f(color[0], color[1], color[2]); } }; diff --git a/Shader/image/bunny/bunny_norm.gif b/Shader/image/bunny/bunny_norm.gif new file mode 100644 index 0000000..a9c0012 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/bunny_norm.gif differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm.gif b/Shader/image/bunny/snapshot/norm.gif new file mode 100644 index 0000000..a97750c Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm.gif differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame1.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame1.png new file mode 100644 index 0000000..874e5b9 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame1.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame10.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame10.png new file mode 100644 index 0000000..7dd07f4 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame10.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame11.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame11.png new file mode 100644 index 0000000..84ca4f6 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame11.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame2.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame2.png new file mode 100644 index 0000000..fb24ad3 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame2.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame3.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame3.png new file mode 100644 index 0000000..0b34886 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame3.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame4.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame4.png new file mode 100644 index 0000000..0a0982a Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame4.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame5.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame5.png new file mode 100644 index 0000000..8a13204 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame5.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame6.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame6.png new file mode 100644 index 0000000..671648e Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame6.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame7.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame7.png new file mode 100644 index 0000000..c62a08e Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame7.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame8.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame8.png new file mode 100644 index 0000000..998551f Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame8.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame9.png b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame9.png new file mode 100644 index 0000000..a7a460c Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame9.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex.gif b/Shader/image/bunny/snapshot/tex.gif new file mode 100644 index 0000000..2b5e7fb Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex.gif differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame171.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame171.png new file mode 100644 index 0000000..5f522c3 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame171.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame179.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame179.png new file mode 100644 index 0000000..21286d1 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame179.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame188.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame188.png new file mode 100644 index 0000000..9e7b9f0 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame188.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame198.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame198.png new file mode 100644 index 0000000..cb2d00a Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame198.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame205.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame205.png new file mode 100644 index 0000000..f9bfdff Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame205.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame215.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame215.png new file mode 100644 index 0000000..cb2d00a Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame215.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame223.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame223.png new file mode 100644 index 0000000..9e7b9f0 Binary files /dev/null and b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame223.png differ diff --git a/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame231.png b/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame231.png new file mode 100644 index 0000000..21286d1 Binary files /dev/null and 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"b/Shader/image/spot/\346\227\213\350\275\254\345\260\217\347\211\233normal.gif" new file mode 100644 index 0000000..c5fd7b7 Binary files /dev/null and "b/Shader/image/spot/\346\227\213\350\275\254\345\260\217\347\211\233normal.gif" differ diff --git "a/Shader/image/spot/\346\227\213\350\275\254\345\260\217\347\211\233phong.gif" "b/Shader/image/spot/\346\227\213\350\275\254\345\260\217\347\211\233phong.gif" new file mode 100644 index 0000000..e86a562 Binary files /dev/null and "b/Shader/image/spot/\346\227\213\350\275\254\345\260\217\347\211\233phong.gif" differ diff --git a/Shader/Shader.cpp b/Shader/main.cpp similarity index 83% rename from Shader/Shader.cpp rename to Shader/main.cpp index 10594fe..0f7ca1e 100644 --- a/Shader/Shader.cpp +++ b/Shader/main.cpp @@ -3,7 +3,7 @@ #include #include - +#include #include "global.hpp" #include "rasterizer.hpp" #include "Triangle.hpp" @@ -12,7 +12,7 @@ #include "OBJ_Loader.h" //constexpr double MY_PI = 3.1415926; inline double DEG2RAD(double deg) { return deg * MY_PI / 180; } - +constexpr float RotateAngle = 45; Eigen::Matrix4f get_view_matrix(Eigen::Vector3f eye_pos) @@ -40,9 +40,14 @@ Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float angle) 0, 0, 0, 1; Eigen::Matrix4f scale; - scale << 2.5, 0, 0, 0, - 0, 2.5, 0, 0, - 0, 0, 2.5, 0, + float coef = 1.0f; + coef = 2.5f; + //coef = 5.0f; + //coef = 7.0f; + //coef = 8.0f; + scale << coef, 0, 0, 0, + 0, coef, 0, 0, + 0, 0, coef, 0, 0, 0, 0, 1; Eigen::Matrix4f translate; @@ -127,7 +132,7 @@ Eigen::Vector3f texture_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) { // TODO: For each light source in the code, calculate what the *ambient*, *diffuse*, and *specular* // components are. Then, accumulate that result on the *result_color* object. - float rr = (light.position - point).squaredNorm(); + float r2 = (light.position - point).squaredNorm(); Vector3f diffsue(0, 0, 0); Vector3f specular(0, 0, 0); Vector3f ambient(0, 0, 0); @@ -135,10 +140,10 @@ Eigen::Vector3f texture_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) for (size_t i = 0; i < 3; i++) { - Vector3f h = (view_dir + light_dir).normalized(); // half - float intensity = light.intensity[i] / rr; + Vector3f half_v = (view_dir + light_dir).normalized(); // half + float intensity = light.intensity[i] / r2; diffsue[i] = kd[i] * intensity * std::max(0.0f, normal.dot(light_dir)); - specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(h)), p); + specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(half_v)), p); ambient[i] = amb_light_intensity[i] * ka[i]; } result_color += diffsue; @@ -162,7 +167,7 @@ Eigen::Vector3f phong_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) Eigen::Vector3f amb_light_intensity{ 10, 10, 10 }; Eigen::Vector3f eye_pos{ 0, 0, 10 }; - float p = 150; + float pow = 150; Eigen::Vector3f color = payload.color; Eigen::Vector3f point = payload.view_pos; @@ -174,7 +179,7 @@ Eigen::Vector3f phong_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) { // TODO: For each light source in the code, calculate what the *ambient*, *diffuse*, and *specular* // components are. Then, accumulate that result on the *result_color* object. - float rr = (light.position - point).squaredNorm(); + float r2 = (light.position - point).squaredNorm(); Vector3f diffsue(0, 0, 0); Vector3f specular(0, 0, 0); Vector3f ambient(0, 0, 0); @@ -183,9 +188,9 @@ Eigen::Vector3f phong_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) for (size_t i = 0; i < 3; i++) { Vector3f h = (view_dir + light_dir).normalized(); // half - float intensity = light.intensity[i] / rr; + float intensity = light.intensity[i] / r2; diffsue[i] = kd[i] * intensity * std::max(0.0f, normal.dot(light_dir)); - specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(h)), p); + specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(h)), pow); ambient[i] = amb_light_intensity[i] * ka[i]; } result_color += diffsue; @@ -262,7 +267,7 @@ Eigen::Vector3f displacement_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payl { // TODO: For each light source in the code, calculate what the *ambient*, *diffuse*, and *specular* // components are. Then, accumulate that result on the *result_color* object. - float rr = (light.position - p).squaredNorm(); + float r2 = (light.position - p).squaredNorm(); Vector3f diffsue(0, 0, 0); Vector3f specular(0, 0, 0); Vector3f ambient(0, 0, 0); @@ -271,7 +276,7 @@ Eigen::Vector3f displacement_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payl for (size_t i = 0; i < 3; i++) { Vector3f h = (view_dir + light_dir).normalized(); // half - float intensity = light.intensity[i] / rr; + float intensity = light.intensity[i] / r2; diffsue[i] = kd[i] * intensity * std::max(0.0f, normal.dot(light_dir)); specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(h)), 150); ambient[i] = amb_light_intensity[i] * ka[i]; @@ -354,12 +359,29 @@ int main(int argc, const char** argv) float angle = 140.0; bool command_line = false; - std::string filename = "output.png"; + std::string filename = "frame"; + std::string suffix = ".png"; + //std::cout << "输入输出文件名\n"; + //std::cin >> filename; objl::Loader Loader; - std::string obj_path = "./models/spot/"; + //std::cout << "输入贴图路径\n"; + std::string path_name; + path_name = "models/spot/"; + //std::cin >> path_name; + std::string tex_path = path_name; // Load .obj File - bool loadout = Loader.LoadFile("./models/spot/spot_triangulated_good.obj"); + //std::cout << "输入文件路径\n"; + std::string file_name; + file_name = "models/spot/spot_triangulated_good.obj"; + //file_name = "models/spot/spot_triangulated.obj";//doesn't have uv + //file_name = "models/spot/spot_quadrangulated.obj";//doesn't have uv + //file_name = "models/spot/spot_control_mesh.obj";//doesn't have uv + //file_name = "models/spot/bunny.obj"; + //file_name = "models/spot/dragon.obj"; + + //std::cin >> file_name; + bool loadout = Loader.LoadFile(file_name); for (auto mesh : Loader.LoadedMeshes) { for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) @@ -374,17 +396,26 @@ int main(int argc, const char** argv) TriangleList.push_back(t); } } - - rst::rasterizer r(700, 700); - - auto texture_path = "hmap.jpg"; - r.set_texture(Texture(obj_path + texture_path)); - + size_t size = 700; + //size = 1000; + //size = 2000; + //size = 8000; + rst::rasterizer r(size, size); + + std::string texture_path = "hmap.jpg"; + //std::string texture_path = "spot_texture.svg"; + //std::cout << "输入纹理名\n"; + //std::cin >> texture_path; + //if (texture_path!="None") + //{ + // r.set_texture(Texture(obj_path + texture_path)); + //} + r.set_texture(Texture(tex_path + texture_path)); std::function active_shader = phong_fragment_shader; if (argc >= 2) { - command_line = true; + //command_line = true; filename = std::string(argv[1]); if (argc == 3 && std::string(argv[2]) == "texture") @@ -392,11 +423,12 @@ int main(int argc, const char** argv) std::cout << "Rasterizing using the texture shader\n"; active_shader = texture_fragment_shader; texture_path = "spot_texture.png"; - r.set_texture(Texture(obj_path + texture_path)); + //std::cout << "输入纹理名\n"; + //std::cin >> texture_path; + r.set_texture(Texture(tex_path + texture_path)); } else if (argc == 3 && std::string(argv[2]) == "normal") { - std::cout << "Rasterizing using the normal shader\n"; active_shader = normal_fragment_shader; } else if (argc == 3 && std::string(argv[2]) == "phong") @@ -407,6 +439,8 @@ int main(int argc, const char** argv) else if (argc == 3 && std::string(argv[2]) == "bump") { std::cout << "Rasterizing using the bump shader\n"; + //texture_path = "spot_texture.png"; + //r.set_texture(Texture(tex_path + texture_path)); active_shader = bump_fragment_shader; } else if (argc == 3 && std::string(argv[2]) == "displacement") @@ -419,7 +453,7 @@ int main(int argc, const char** argv) Eigen::Vector3f eye_pos = { 0,0,10 }; r.set_vertex_shader(vertex_shader); - r.set_fragment_shader(active_shader); + r.set_fragment_shader(active_shader);//此处将shader传入光栅化器 int key = 0; int frame_count = 0; @@ -432,7 +466,7 @@ int main(int argc, const char** argv) r.set_projection(get_projection_matrix(45.0, 1, 0.1, 50)); r.draw(TriangleList); - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); + cv::Mat image(size, size, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); @@ -440,34 +474,34 @@ int main(int argc, const char** argv) return 0; } - + filename = "frame"; while (key != 'q') { r.clear(rst::Buffers::Color | rst::Buffers::Depth); - r.set_model(get_model_matrix(angle)); r.set_view(get_view_matrix(eye_pos)); r.set_projection(get_projection_matrix(45.0, 1, 0.1, 50)); //r.draw(pos_id, ind_id, col_id, rst::Primitive::Triangle); r.draw(TriangleList); - cv::Mat image(700, 700, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); + cv::Mat image(size, size, CV_32FC3, r.frame_buffer().data()); image.convertTo(image, CV_8UC3, 1.0f); cv::cvtColor(image, image, cv::COLOR_RGB2BGR); cv::imshow("image", image); - cv::imwrite(filename, image); - key = cv::waitKey(0); - + key = cv::waitKey(10); + std::cout << "frame count: " << frame_count++ << '\n'; + std::string num = std::to_string(frame_count); if (key == 'a') { - angle -= 0.1; + angle -= RotateAngle; + //cv::imwrite(filename+num+suffix, image); } else if (key == 'd') { - angle += 0.1; + angle += RotateAngle; + //cv::imwrite(filename + num + suffix, image); } - } return 0; } diff --git a/Shader/models/Crate/Crate1.mtl b/Shader/models/Crate/Crate1.mtl index 1148fc0..9ba2309 100644 --- a/Shader/models/Crate/Crate1.mtl +++ b/Shader/models/Crate/Crate1.mtl @@ -9,4 +9,6 @@ Ks 0.500000 0.500000 0.500000 Ni 1.000000 d 1.000000 illum 2 -map_Kd C:\\Users\\Elijah\\Pictures\\ToBeTextures\\crate_1.jpg +map_Kd E:\\college class\\coding\\ComputerGraph\\Introduction\\Intro\\Shader\\models\\Crate\\crate_1.jpg +#map_Kd C:\\Users\\Elijah\\Pictures\\ToBeTextures\\crate_1.jpg +#E:\college class\coding\ComputerGraph\Introduction\Intro\Shader\models\Crate\crate_1.jpg \ No newline at end of file diff --git a/Shader/models/spot/spot_texture2.png b/Shader/models/spot/spot_texture2.png new file mode 100644 index 0000000..6ab03f6 Binary files /dev/null and b/Shader/models/spot/spot_texture2.png differ diff --git a/Shader/output.png b/Shader/output.png deleted file mode 100644 index 740d84f..0000000 Binary files a/Shader/output.png and /dev/null differ diff --git a/Shader/rasterizer.cpp b/Shader/rasterizer.cpp index 2221c64..4e7f50b 100644 --- a/Shader/rasterizer.cpp +++ b/Shader/rasterizer.cpp @@ -259,28 +259,77 @@ static Eigen::Vector2f interpolate(float alpha, float beta, float gamma, const E //Screen space rasterization void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t, const std::array& view_pos) { - // TODO: From your HW3, get the triangle rasterization code. - // TODO: Inside your rasterization loop: - // * v[i].w() is the vertex view space depth value z. - // * Z is interpolated view space depth for the current pixel - // * zp is depth between zNear and zFar, used for z-buffer - - // float Z = 1.0 / (alpha / v[0].w() + beta / v[1].w() + gamma / v[2].w()); - // float zp = alpha * v[0].z() / v[0].w() + beta * v[1].z() / v[1].w() + gamma * v[2].z() / v[2].w(); - // zp *= Z; - - // TODO: Interpolate the attributes: - // auto interpolated_color - // auto interpolated_normal - // auto interpolated_texcoords - // auto interpolated_shadingcoords + // TODO : Find out the bounding box of current triangle. + float aabb_minx = 0; + float aabb_miny = 0; + float aabb_maxx = 0; + float aabb_maxy = 0; + for (size_t i = 0; i < 3; i++) + { + const Vector4f& p = t.v[i]; + if (i == 0) + { + aabb_minx = aabb_maxx = p.x(); + aabb_miny = aabb_maxy = p.y(); + continue; + } + + aabb_minx = p.x() < aabb_minx ? p.x() : aabb_minx; + aabb_miny = p.y() < aabb_miny ? p.y() : aabb_miny; + + aabb_maxx = p.x() > aabb_maxx ? p.x() : aabb_maxx; + aabb_maxy = p.y() > aabb_maxy ? p.y() : aabb_maxy; + } + + // iterate through the pixel and find if the current pixel is inside the triangle + auto v = t.v; + for (int x = (int)aabb_minx; x < aabb_maxx; x++) + { + for (int y = (int)aabb_miny; y < aabb_maxy; y++) + { + + if (!insideTriangle(x, y, t.v)) continue; + // TODO: Inside your rasterization loop: + // * v[i].w() is the vertex view space depth value z. + // * Z is interpolated view space depth for the current pixel + // * zp is depth between zNear and zFar, used for z-buffer + auto[alpha, beta, gamma] = computeBarycentric2D(x, y, t.v); + + + float Z = 1.0 / (alpha / v[0].w() + beta / v[1].w() + gamma / v[2].w()); + float zp = alpha * v[0].z() / v[0].w() + beta * v[1].z() / v[1].w() + gamma * v[2].z() / v[2].w(); + zp *= Z; + + int buf_index = get_index(x, y); + if (zp >= depth_buf[buf_index]) continue; + + depth_buf[buf_index] = zp; + + // TODO: Interpolate the attributes: + // auto interpolated_color + // auto interpolated_normal + // auto interpolated_texcoords + // auto interpolated_shadingcoords + + auto interpolated_color = interpolate(alpha, beta, gamma, t.color[0], t.color[1], t.color[2], 1); + auto interpolated_normal = interpolate(alpha, beta, gamma, t.normal[0], t.normal[1], t.normal[2], 1); + auto interpolated_texcoords = interpolate(alpha, beta, gamma, t.tex_coords[0], t.tex_coords[1], t.tex_coords[2], 1); + auto interpolated_viewpos = interpolate(alpha, beta, gamma, view_pos[0], view_pos[1], view_pos[2], 1); + + fragment_shader_payload payload(interpolated_color, interpolated_normal.normalized(), interpolated_texcoords, texture ? &*texture : nullptr); + payload.view_pos = interpolated_viewpos; + auto pixel_color = fragment_shader(payload);//עshader + set_pixel(Vector2i(x, y), pixel_color); + + } + } // Use: fragment_shader_payload payload( interpolated_color, interpolated_normal.normalized(), interpolated_texcoords, texture ? &*texture : nullptr); // Use: payload.view_pos = interpolated_shadingcoords; // Use: Instead of passing the triangle's color directly to the frame buffer, pass the color to the shaders first to get the final color; // Use: auto pixel_color = fragment_shader(payload); - + } void rst::rasterizer::set_model(const Eigen::Matrix4f& m) diff --git a/Shader/readme.md b/Shader/readme.md new file mode 100644 index 0000000..0d9021d --- /dev/null +++ b/Shader/readme.md @@ -0,0 +1,514 @@ +# GAMES101 assignment3 shader + +项目地址：[click](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader) + +渲染图像：[click](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image) + +模型支持在视图中**旋转**（利用[assignment1](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Roate_Project)旋转三角形方法） + +## MVP部分 + +model变换中 变量**coef**是模型的缩放因子 + +```c++ +Eigen::Matrix4f get_view_matrix(Eigen::Vector3f eye_pos) +{ + Eigen::Matrix4f view = Eigen::Matrix4f::Identity(); + + Eigen::Matrix4f translate; + translate << 1, 0, 0, -eye_pos[0], + 0, 1, 0, -eye_pos[1], + 0, 0, 1, -eye_pos[2], + 0, 0, 0, 1; + + view = translate * view; + + return view; +} + +Eigen::Matrix4f get_model_matrix(float angle) +{ + Eigen::Matrix4f rotation; + angle = angle * MY_PI / 180.f; + rotation << cos(angle), 0, sin(angle), 0, + 0, 1, 0, 0, + -sin(angle), 0, cos(angle), 0, + 0, 0, 0, 1; + + Eigen::Matrix4f scale; + float coef = 1.0f;//缩放因子 + coef = 2.5f; + //coef = 5.0f; + //coef = 7.0f; + coef = 8.0f; + scale << coef, 0, 0, 0, + 0, coef, 0, 0, + 0, 0, coef, 0, + 0, 0, 0, 1; + + Eigen::Matrix4f translate; + translate << 1, 0, 0, 0, + 0, 1, 0, 0, + 0, 0, 1, 0, + 0, 0, 0, 1; + + return translate * rotation * scale; +} + +Eigen::Matrix4f get_projection_matrix(float eye_fov, float aspect_ratio, float zNear, float zFar) +{ + Eigen::Matrix4f projection; + float top = -tan(DEG2RAD(eye_fov / 2.0f) * abs(zNear)); + float right = top * aspect_ratio; + + projection << zNear / right, 0, 0, 0, + 0, zNear / top, 0, 0, + 0, 0, (zNear + zFar) / (zNear - zFar), (2 * zNear*zFar) / (zFar - zNear), + 0, 0, 1, 0; + return projection; + +} +``` + + + +## shader部分 + +### 纹理着色器 + +```C++ +Eigen::Vector3f texture_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) +{ + Eigen::Vector3f return_color = { 0, 0, 0 }; + if (payload.texture) + { + // TODO: Get the texture value at the texture coordinates of the current fragment + return_color = payload.texture->getColor(payload.tex_coords.x(), payload.tex_coords.y()); + } + Eigen::Vector3f texture_color; + texture_color << return_color.x(), return_color.y(), return_color.z(); + + Eigen::Vector3f ka = Eigen::Vector3f(0.005, 0.005, 0.005); + Eigen::Vector3f kd = texture_color / 255.f; + Eigen::Vector3f ks = Eigen::Vector3f(0.7937, 0.7937, 0.7937); + + auto l1 = light{ {20, 20, 20}, {500, 500, 500} }; + auto l2 = light{ {-20, 20, 0}, {500, 500, 500} }; + + std::vector lights = { l1, l2 }; + Eigen::Vector3f amb_light_intensity{ 10, 10, 10 }; + Eigen::Vector3f eye_pos{ 0, 0, 10 }; + + float p = 150; + + Eigen::Vector3f color = texture_color; + Eigen::Vector3f point = payload.view_pos; + Eigen::Vector3f normal = payload.normal; + + Eigen::Vector3f result_color = { 0, 0, 0 }; + Vector3f view_dir = (eye_pos - point).normalized(); + for (auto& light : lights) + { + // TODO: For each light source in the code, calculate what the *ambient*, *diffuse*, and *specular* + // components are. Then, accumulate that result on the *result_color* object. + float r2 = (light.position - point).squaredNorm(); + Vector3f diffsue(0, 0, 0); + Vector3f specular(0, 0, 0); + Vector3f ambient(0, 0, 0); + Vector3f light_dir = (light.position - point).normalized(); + + for (size_t i = 0; i < 3; i++) + { + Vector3f half_v = (view_dir + light_dir).normalized(); // half + float intensity = light.intensity[i] / r2; + diffsue[i] = kd[i] * intensity * std::max(0.0f, normal.dot(light_dir)); + specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(half_v)), p); + ambient[i] = amb_light_intensity[i] * ka[i]; + } + result_color += diffsue; + result_color += specular; + result_color += ambient; + } + + return result_color * 255.f; +} +``` + +### 法线贴图着色器 + +```C++ +Eigen::Vector3f normal_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) +{ + Eigen::Vector3f return_color = (payload.normal.head<3>().normalized() + Eigen::Vector3f(1.0f, 1.0f, 1.0f)) / 2.f; + Eigen::Vector3f result; + result << return_color.x() * 255, return_color.y() * 255, return_color.z() * 255; + return result; +} +``` + + + +### 凹凸贴图着色器 + +```C++ +Eigen::Vector3f bump_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) +{ + + Eigen::Vector3f ka = Eigen::Vector3f(0.005, 0.005, 0.005); + Eigen::Vector3f kd = payload.color; + Eigen::Vector3f ks = Eigen::Vector3f(0.7937, 0.7937, 0.7937); + + auto l1 = light{ {20, 20, 20}, {500, 500, 500} }; + auto l2 = light{ {-20, 20, 0}, {500, 500, 500} }; + + std::vector lights = { l1, l2 }; + Eigen::Vector3f amb_light_intensity{ 10, 10, 10 }; + Eigen::Vector3f eye_pos{ 0, 0, 10 }; + + float p = 150; + + Eigen::Vector3f color = payload.color; + Eigen::Vector3f point = payload.view_pos; + Eigen::Vector3f normal = payload.normal.normalized(); + + + float kh = 0.2, kn = 0.1; + + // TODO: Implement bump mapping here + // Let n = normal = (x, y, z) + // Vector t = (x*y/sqrt(x*x+z*z),sqrt(x*x+z*z),z*y/sqrt(x*x+z*z)) + // Vector b = n cross product t + // Matrix TBN = [t b n] + // dU = kh * kn * (h(u+1/w,v)-h(u,v)) + // dV = kh * kn * (h(u,v+1/h)-h(u,v)) + // Vector ln = (-dU, -dV, 1) + // Normal n = normalize(TBN * ln) + + float x = normal.x(); + float y = normal.y(); + float z = normal.z(); + Vector3f t(x*y / sqrt(x*x + z * z), sqrt(x*x + z * z), z*y / sqrt(x*x + z * z)); + Vector3f b = normal.cross(t); + + Matrix3f TBN; + TBN.col(0) = t; + TBN.col(1) = b; + TBN.col(2) = normal; + + int w = payload.texture->width; + int h = payload.texture->height; + float u = payload.tex_coords.x(); + float v = payload.tex_coords.y(); + payload.texture->getColor(u, v); + + auto huv = payload.texture->getColor(u, v).norm(); + + float dU = kh * kn * (payload.texture->getColor(u + 1.0f / w, v).norm() - huv); + float dV = kh * kn * (payload.texture->getColor(u, v + 1.0f / h).norm() - huv); + + Vector3f ln(-dU, -dV, 1); + Vector3f n = (TBN * ln).normalized(); + + Eigen::Vector3f result_color = n; + return result_color * 255.f; +} +``` + + + +### 置换贴图着色器 + +```C++ +Eigen::Vector3f displacement_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) +{ + + Eigen::Vector3f ka = Eigen::Vector3f(0.005, 0.005, 0.005); + Eigen::Vector3f kd = payload.color; + Eigen::Vector3f ks = Eigen::Vector3f(0.7937, 0.7937, 0.7937); + + auto l1 = light{ {20, 20, 20}, {500, 500, 500} }; + auto l2 = light{ {-20, 20, 0}, {500, 500, 500} }; + + std::vector lights = { l1, l2 }; + Eigen::Vector3f amb_light_intensity{ 10, 10, 10 }; + Eigen::Vector3f eye_pos{ 0, 0, 10 }; + + Eigen::Vector3f color = payload.color; + Eigen::Vector3f point = payload.view_pos; + Eigen::Vector3f normal = payload.normal; + + float kh = 0.2, kn = 0.1; + + // TODO: Implement displacement mapping here + // Let n = normal = (x, y, z) + // Vector t = (x*y/sqrt(x*x+z*z),sqrt(x*x+z*z),z*y/sqrt(x*x+z*z)) + // Vector b = n cross product t + // Matrix TBN = [t b n] + // dU = kh * kn * (h(u+1/w,v)-h(u,v)) + // dV = kh * kn * (h(u,v+1/h)-h(u,v)) + // Vector ln = (-dU, -dV, 1) + // Position p = p + kn * n * h(u,v) + // Normal n = normalize(TBN * ln) + + + float x = normal.x(); + float y = normal.y(); + float z = normal.z(); + Vector3f t(x*y / sqrt(x*x + z * z), sqrt(x*x + z * z), z*y / sqrt(x*x + z * z)); + Vector3f b = normal.cross(t); + + Matrix3f TBN; + TBN.col(0) = t.normalized(); + TBN.col(1) = b.normalized(); + TBN.col(2) = normal; + + int w = payload.texture->width; + int h = payload.texture->height; + float u = payload.tex_coords.x(); + float v = payload.tex_coords.y(); + payload.texture->getColor(u, v); + + auto huv = payload.texture->getColor(u, v).norm(); + + float dU = kh * kn * (payload.texture->getColor(u + 1.0f / w, v).norm() - huv); + float dV = kh * kn * (payload.texture->getColor(u, v + 1.0f / h).norm() - huv); + + Vector3f ln(-dU, -dV, 1); + Vector3f n = (TBN * ln).normalized(); + Vector3f p = point + n * huv * kn; + + Eigen::Vector3f result_color = { 0, 0, 0 }; + Vector3f view_dir = (eye_pos - p).normalized(); + for (auto& light : lights) + { + // TODO: For each light source in the code, calculate what the *ambient*, *diffuse*, and *specular* + // components are. Then, accumulate that result on the *result_color* object. + float r2 = (light.position - p).squaredNorm(); + Vector3f diffsue(0, 0, 0); + Vector3f specular(0, 0, 0); + Vector3f ambient(0, 0, 0); + Vector3f light_dir = (light.position - p).normalized(); + + for (size_t i = 0; i < 3; i++) + { + Vector3f h = (view_dir + light_dir).normalized(); // half + float intensity = light.intensity[i] / r2; + diffsue[i] = kd[i] * intensity * std::max(0.0f, normal.dot(light_dir)); + specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(h)), 150); + ambient[i] = amb_light_intensity[i] * ka[i]; + } + result_color += diffsue; + result_color += specular; + result_color += ambient; + } + + return result_color * 255.f; +} +``` + + + +### Blin-Phong模型着色器 + +```C++ +Eigen::Vector3f texture_fragment_shader(const fragment_shader_payload& payload) +{ + Eigen::Vector3f return_color = { 0, 0, 0 }; + if (payload.texture) + { + // TODO: Get the texture value at the texture coordinates of the current fragment + return_color = payload.texture->getColor(payload.tex_coords.x(), payload.tex_coords.y()); + } + Eigen::Vector3f texture_color; + texture_color << return_color.x(), return_color.y(), return_color.z(); + + Eigen::Vector3f ka = Eigen::Vector3f(0.005, 0.005, 0.005); + Eigen::Vector3f kd = texture_color / 255.f; + Eigen::Vector3f ks = Eigen::Vector3f(0.7937, 0.7937, 0.7937); + + auto l1 = light{ {20, 20, 20}, {500, 500, 500} }; + auto l2 = light{ {-20, 20, 0}, {500, 500, 500} }; + + std::vector lights = { l1, l2 }; + Eigen::Vector3f amb_light_intensity{ 10, 10, 10 }; + Eigen::Vector3f eye_pos{ 0, 0, 10 }; + + float p = 150; + + Eigen::Vector3f color = texture_color; + Eigen::Vector3f point = payload.view_pos; + Eigen::Vector3f normal = payload.normal; + + Eigen::Vector3f result_color = { 0, 0, 0 }; + Vector3f view_dir = (eye_pos - point).normalized(); + for (auto& light : lights) + { + // TODO: For each light source in the code, calculate what the *ambient*, *diffuse*, and *specular* + // components are. Then, accumulate that result on the *result_color* object. + float r2 = (light.position - point).squaredNorm(); + Vector3f diffsue(0, 0, 0); + Vector3f specular(0, 0, 0); + Vector3f ambient(0, 0, 0); + Vector3f light_dir = (light.position - point).normalized(); + + for (size_t i = 0; i < 3; i++) + { + Vector3f half_v = (view_dir + light_dir).normalized(); // half + float intensity = light.intensity[i] / r2; + diffsue[i] = kd[i] * intensity * std::max(0.0f, normal.dot(light_dir)); + specular[i] = ks[i] * intensity * std::pow(std::max(0.0f, normal.dot(half_v)), p); + ambient[i] = amb_light_intensity[i] * ka[i]; + } + result_color += diffsue; + result_color += specular; + result_color += ambient; + } + + return result_color * 255.f; +} +``` + + + +## 光栅化部分 + +```C++ +void rst::rasterizer::rasterize_triangle(const Triangle& t, const std::array& view_pos) +{ + // TODO : Find out the bounding box of current triangle. + float aabb_minx = 0; + float aabb_miny = 0; + float aabb_maxx = 0; + float aabb_maxy = 0; + for (size_t i = 0; i < 3; i++) + { + const Vector4f& p = t.v[i]; + if (i == 0) + { + aabb_minx = aabb_maxx = p.x(); + aabb_miny = aabb_maxy = p.y(); + continue; + } + + aabb_minx = p.x() < aabb_minx ? p.x() : aabb_minx; + aabb_miny = p.y() < aabb_miny ? p.y() : aabb_miny; + + aabb_maxx = p.x() > aabb_maxx ? p.x() : aabb_maxx; + aabb_maxy = p.y() > aabb_maxy ? p.y() : aabb_maxy; + } + + // iterate through the pixel and find if the current pixel is inside the triangle + auto v = t.v; + for (int x = (int)aabb_minx; x < aabb_maxx; x++) + { + for (int y = (int)aabb_miny; y < aabb_maxy; y++) + { + + if (!insideTriangle(x, y, t.v)) continue; + // TODO: Inside your rasterization loop: + // * v[i].w() is the vertex view space depth value z. + // * Z is interpolated view space depth for the current pixel + // * zp is depth between zNear and zFar, used for z-buffer + auto[alpha, beta, gamma] = computeBarycentric2D(x, y, t.v); + + + float Z = 1.0 / (alpha / v[0].w() + beta / v[1].w() + gamma / v[2].w()); + float zp = alpha * v[0].z() / v[0].w() + beta * v[1].z() / v[1].w() + gamma * v[2].z() / v[2].w(); + zp *= Z; + + int buf_index = get_index(x, y); + if (zp >= depth_buf[buf_index]) continue; + + depth_buf[buf_index] = zp; + + // TODO: Interpolate the attributes: + // auto interpolated_color + // auto interpolated_normal + // auto interpolated_texcoords + // auto interpolated_shadingcoords + + auto interpolated_color = interpolate(alpha, beta, gamma, t.color[0], t.color[1], t.color[2], 1); + auto interpolated_normal = interpolate(alpha, beta, gamma, t.normal[0], t.normal[1], t.normal[2], 1); + auto interpolated_texcoords = interpolate(alpha, beta, gamma, t.tex_coords[0], t.tex_coords[1], t.tex_coords[2], 1); + auto interpolated_viewpos = interpolate(alpha, beta, gamma, view_pos[0], view_pos[1], view_pos[2], 1); + + // Use: fragment_shader_payload payload( interpolated_color, interpolated_normal.normalized(), interpolated_texcoords, texture ? &*texture : nullptr); + // Use: payload.view_pos = interpolated_shadingcoords; + // Use: Instead of passing the triangle's color directly to the frame buffer, pass the color to the shaders first to get the final color; + // Use: auto pixel_color = fragment_shader(payload); + + fragment_shader_payload payload(interpolated_color, interpolated_normal.normalized(), interpolated_texcoords, texture ? &*texture : nullptr); + payload.view_pos = interpolated_viewpos; + auto pixel_color = fragment_shader(payload);//注入shader + set_pixel(Vector2i(x, y), pixel_color); + } + } +} +``` + +## 渲染图 + +### 小牛spot + +#### texture + +![frame1.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/texture/frame1.png?raw=true) + +![tex.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/tex.gif?raw=true) + +#### normal + +![frame1.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/normal/frame1.png?raw=true) + +![norm.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/norm.gif?raw=true) + +#### bump + +![frame1.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/bump/frame1.png?raw=true) + +![bump.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/bump.gif?raw=true) + +#### displacement + +![frame1.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/displacement/frame1.png?raw=true) + +![displacement.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/displacement.gif?raw=true) + +#### phong + +![frame1.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/Blin-phong/frame1.png?raw=true) + +![Blin-phong.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/spot/snapshot/Blin-phong.gif?raw=true) + +### bunny + +#### texture + +![frame171.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/bunny/snapshot/tex/frame171.png?raw=true) + +![tex.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/bunny/snapshot/tex.gif?raw=true) + +#### normal + +![frame4.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/bunny/snapshot/norm/frame4.png?raw=true) + +![norm.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/bunny/snapshot/norm.gif?raw=true) + +### dragon + +#### normal + +##### 1K + +![size1000.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/dragon/snapshot/size1000.png?raw=true) + +##### 2K + +![size2000.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/dragon/snapshot/size2000.png?raw=true) + +##### 8K + +![size8000.png](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/dragon/snapshot/size8000.png?raw=true) + +![norm.gif](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/blob/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Shader/image/dragon/norm.gif?raw=true) + diff --git a/TestConguire/TestConguire.cpp b/TestConguire/TestConguire.cpp new file mode 100644 index 0000000..52a1dd1 --- /dev/null +++ b/TestConguire/TestConguire.cpp @@ -0,0 +1,66 @@ +#include "opencv2/imgproc.hpp" +#include "opencv2/highgui.hpp" +#include + +using namespace cv; +using namespace std; + +static void help(char** argv) +{ + cout << "\nThis sample program demonstrates the use of the convexHull() function\n" + << "Call:\n" + << argv[0] << endl; +} + +int main(int argc, char** argv) +{ + CommandLineParser parser(argc, argv, "{help h||}"); + if (parser.has("help")) + { + help(argv); + return 0; + } + Mat img(500, 500, CV_8UC3); + RNG& rng = theRNG(); + + for (;;) + { + int i, count = (unsigned)rng % 100 + 1; + + vector points; + + for (i = 0; i < count; i++) + { + Point pt; + pt.x = rng.uniform(img.cols / 4, img.cols * 3 / 4); + pt.y = rng.uniform(img.rows / 4, img.rows * 3 / 4); + + points.push_back(pt); + } + + vector hull; + convexHull(Mat(points), hull, true); + + img = Scalar::all(0); + for (i = 0; i < count; i++) + circle(img, points[i], 3, Scalar(0, 0, 255), FILLED, LINE_AA); + + int hullcount = (int)hull.size(); + Point pt0 = points[hull[hullcount - 1]]; + + for (i = 0; i < hullcount; i++) + { + Point pt = points[hull[i]]; + line(img, pt0, pt, Scalar(0, 255, 0), 1, LINE_AA); + pt0 = pt; + } + + imshow("hull", img); + + char key = (char)waitKey(); + if (key == 27 || key == 'q' || key == 'Q') // 'ESC' + break; + } + + return 0; +} diff --git a/Timing1.PNG b/Timing1.PNG new file mode 100644 index 0000000..c8e3619 Binary files /dev/null and b/Timing1.PNG differ diff --git a/Timing2.PNG b/Timing2.PNG new file mode 100644 index 0000000..97c3e14 Binary files /dev/null and b/Timing2.PNG differ diff --git a/Timing3.PNG b/Timing3.PNG new file mode 100644 index 0000000..7dcbfe0 Binary files /dev/null and b/Timing3.PNG differ diff --git a/TinySoftRender/FrameWork.h b/TinySoftRender/FrameWork.h new file mode 100644 index 0000000..ab4ab3b --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/FrameWork.h @@ -0,0 +1,10 @@ +#pragma once +#include +#include +#include +#include "tgaimage.h"//ͼƬ +#include "model.h"//ģ +#include "geometry.h"// +#include"Value.h"//ͼԪߵȣ +#include"rasterizer.h"//դ +#include"Shader.h" diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/BigStepline.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/BigStepline.tga new file mode 100644 index 0000000..c603a39 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/BigStepline.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Final/lineNaiveSegment3points.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Final/lineNaiveSegment3points.tga new file mode 100644 index 0000000..a88c5d6 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Final/lineNaiveSegment3points.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment1s.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment1s.tga new file mode 100644 index 0000000..3f14d97 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment1s.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment2.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment2.tga new file mode 100644 index 0000000..99a00c9 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment23.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment23.tga new file mode 100644 index 0000000..3f14d97 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment23.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment3.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment3.tga new file mode 100644 index 0000000..99a00c9 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Second attempt/lineNaiveSegment3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output.tga new file mode 100644 index 0000000..d8c39d6 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output1.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..206fb01 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output2.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output2.tga new file mode 100644 index 0000000..a549b08 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output3.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output3.tga new file mode 100644 index 0000000..d8c39d6 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Third attempt/output3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/attempt/rasterizer/output.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/attempt/rasterizer/output.tga new file mode 100644 index 0000000..8a2ce92 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/attempt/rasterizer/output.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output0.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output0.tga new file mode 100644 index 0000000..66c2b53 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output0.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output1.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output1.tga new file mode 100644 index 0000000..516ee82 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output2.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output2.tga new file mode 100644 index 0000000..2d6c37c Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output3.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output3.tga new file mode 100644 index 0000000..2d6c37c Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output4.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output4.tga new file mode 100644 index 0000000..2d6c37c Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output5.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output5.tga new file mode 100644 index 0000000..36801f2 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output6.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output6.tga new file mode 100644 index 0000000..d52a7da Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output7.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output7.tga new file mode 100644 index 0000000..3882097 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output7.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output8.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output8.tga new file mode 100644 index 0000000..94bdb43 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/Wireframe/output8.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/line.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/line.tga new file mode 100644 index 0000000..9deb3e2 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson1Line/line.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson1Line/lineNaiveSegment1.tga b/TinySoftRender/Lesson1Line/lineNaiveSegment1.tga new file mode 100644 index 0000000..46f473d Binary files /dev/null and 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Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/output5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower.tga new file mode 100644 index 0000000..fe57440 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower2.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower2.tga new file mode 100644 index 0000000..fe57440 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower3.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower3.tga new file mode 100644 index 0000000..9dbff55 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower6.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower6.tga new file mode 100644 index 0000000..e9a0a85 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputLower6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper.tga new file mode 100644 index 0000000..fbbf3a0 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper1.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper1.tga new file mode 100644 index 0000000..fbbf3a0 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper6.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper6.tga new file mode 100644 index 0000000..881831b Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/outputUpper6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/test.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/test.tga new file mode 100644 index 0000000..d52a7da Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/test.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/test2.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/test2.tga new file mode 100644 index 0000000..d52a7da Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/test2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile.tga new file mode 100644 index 0000000..591a075 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile2.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile2.tga new file mode 100644 index 0000000..2b75ed6 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile3.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile3.tga new file mode 100644 index 0000000..97f4aca Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile4.tga b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile4.tga new file mode 100644 index 0000000..97f4aca Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/trangile4.tga differ diff --git "a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\344\270\212\345\215\212\346\256\265.tga" "b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\344\270\212\345\215\212\346\256\265.tga" new file mode 100644 index 0000000..881831b Binary files /dev/null and "b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\344\270\212\345\215\212\346\256\265.tga" differ diff --git "a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\344\270\213\345\215\212\346\256\265.tga" "b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\344\270\213\345\215\212\346\256\265.tga" new file mode 100644 index 0000000..fe57440 Binary files /dev/null and "b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\344\270\213\345\215\212\346\256\265.tga" differ diff --git "a/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\345\256\214\346\225\264.tga" "b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\345\256\214\346\225\264.tga" new file mode 100644 index 0000000..e9a0a85 Binary files /dev/null and "b/TinySoftRender/Lesson2rasterizer/Trangile/\347\273\230\345\210\266\344\270\211\350\247\222\345\275\242\346\255\245\351\252\244/\347\273\230\345\210\266\345\256\214\346\225\264.tga" differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/render.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/render.tga new file mode 100644 index 0000000..754e6cd 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/dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderF1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderG.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderG.tga new file mode 100644 index 0000000..75af5f7 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderG.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderG1.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderG1.tga new file mode 100644 index 0000000..c8551b5 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderG1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderR.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderR.tga new file mode 100644 index 0000000..d614a07 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderR.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderR1.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/YBuffer/renderR1.tga new file mode 100644 index 0000000..9b4c01a Binary files /dev/null and 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files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test5.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test5.tga new file mode 100644 index 0000000..49b2763 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test6.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test6.tga new file mode 100644 index 0000000..311b51f Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test7.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test7.tga new file mode 100644 index 0000000..0962b86 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test7.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test8.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test8.tga new file mode 100644 index 0000000..fc0b653 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test8.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test9.tga b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test9.tga new file mode 100644 index 0000000..104aee6 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson3Zbuffer/ZBuffer/Test/test9.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test.tga new file mode 100644 index 0000000..e9f3ab1 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test2.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test2.tga new file mode 100644 index 0000000..86d52cb Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test3.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test3.tga new file mode 100644 index 0000000..9180d3d Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test4.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test4.tga new file mode 100644 index 0000000..787e3e2 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test5.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test5.tga new file mode 100644 index 0000000..104aee6 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Shark/test5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test12.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test12.tga new file mode 100644 index 0000000..0a2491a Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test12.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test13.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test13.tga new file mode 100644 index 0000000..00e12df Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test13.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test14.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test14.tga new file mode 100644 index 0000000..766ffae Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test14.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test15.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test15.tga new file mode 100644 index 0000000..54dc3f7 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test15.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test16.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test16.tga new file mode 100644 index 0000000..ff3f5a9 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test16.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test17.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test17.tga new file mode 100644 index 0000000..b85faa5 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test17.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test18.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test18.tga new file mode 100644 index 0000000..a1fbbe5 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test18.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test19.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test19.tga new file mode 100644 index 0000000..ad16485 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test19.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test20.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test20.tga new file mode 100644 index 0000000..5989843 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test20.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test21.tga b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test21.tga new file mode 100644 index 0000000..191a92e Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson4Perspective/Test/test21.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model.tga new file mode 100644 index 0000000..cda8f9b Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model1.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model1.tga new file mode 100644 index 0000000..6368bd8 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model2.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model2.tga new file mode 100644 index 0000000..2b79bce Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model3.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model3.tga new file mode 100644 index 0000000..36c7aca Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model4.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model4.tga new file mode 100644 index 0000000..5acd67b Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model5.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model5.tga new file mode 100644 index 0000000..9e84de8 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/model6.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model6.tga new file mode 100644 index 0000000..175efdf Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/model6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp.tga new file mode 100644 index 0000000..25a351b Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp1.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp1.tga new file mode 100644 index 0000000..0fcf126 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp1.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp2.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp2.tga new file mode 100644 index 0000000..c2cce63 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp3.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp3.tga new file mode 100644 index 0000000..0c42972 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp4.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp4.tga new file mode 100644 index 0000000..c982a5d Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp5.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp5.tga new file mode 100644 index 0000000..6fb83ba Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp6.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp6.tga new file mode 100644 index 0000000..3b8fcb8 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/modelp6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/test.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/test.tga new file mode 100644 index 0000000..9ffbc77 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/test.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/test2.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/test2.tga new file mode 100644 index 0000000..10c8cf2 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/test2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson5Camera/test4.tga b/TinySoftRender/Lesson5Camera/test4.tga new file mode 100644 index 0000000..f1a7721 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson5Camera/test4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Lesson6Shader/model.tga b/TinySoftRender/Lesson6Shader/model.tga new file mode 100644 index 0000000..089f797 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/Lesson6Shader/model.tga differ diff --git a/TinySoftRender/Shader.h b/TinySoftRender/Shader.h new file mode 100644 index 0000000..be2ce0b --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/Shader.h @@ -0,0 +1,43 @@ +#pragma once +#include"TGAImage.h" +#include"geometry.h" +#include +typedef struct IShader { +protected: + Model* model; + Vec3f light_dir; + Matrix ModelView; + Matrix Viewport; + Matrix Projection; +public: + virtual ~IShader() { model = nullptr; }; + virtual Vec4f vertex(int iface, int nthvert) = 0; + virtual bool fragment(Vec3f bar, TGAColor &color) = 0; + void GetTransformMat(Matrix modelview,Matrix viewport,Matrix projection) + { + ModelView = modelview; + Viewport = viewport; + Projection = projection; + } + void getLightdirect(Vec3f dir) { light_dir=dir; }; + void getModel(Model* m) { model = m; }; +}; + +//޵ɫ +typedef struct GouraudShader : public IShader { + + + Vec3f varying_intensity; // written by vertex shader, read by fragment shader + virtual Vec4f vertex(int iface, int nthvert) { + Vec4f gl_Vertex = embed<4>(model->vert(iface, nthvert)); // read the vertex from .obj file + gl_Vertex = Viewport * Projection*ModelView*gl_Vertex; // transform it to screen coordinates + varying_intensity[nthvert] = std::max(0.f, model->normal(iface, nthvert)*light_dir); // get diffuse lighting intensity + return gl_Vertex; + } + + virtual bool fragment(Vec3f pixel, TGAColor &color) { + float intensity = varying_intensity * pixel; // interpolate intensity for the current pixel + color = TGAColor(255, 255, 255)*intensity; // well duh + return false; // no, we do not discard this pixel + } +}; \ No newline at end of file diff --git a/TinySoftRender/TGAImage.cpp b/TinySoftRender/TGAImage.cpp new file mode 100644 index 0000000..1e3c5fe --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/TGAImage.cpp @@ -0,0 +1,313 @@ +#include "TGAImage.h" +#include +#include + +TGAImage::TGAImage() : data(), width(0), height(0), bytespp(0) {} +TGAImage::TGAImage(const int w, const int h, const int bpp) : data(w*h*bpp, 0), width(w), height(h), bytespp(bpp) {} + +bool TGAImage::read_tga_file(const std::string filename) { + std::ifstream in; + in.open(filename, std::ios::binary); + if (!in.is_open()) { + std::cerr << "can't open file " << filename << "\n"; + in.close(); + return false; + } + TGA_Header header; + in.read(reinterpret_cast(&header), sizeof(header)); + if (!in.good()) { + in.close(); + std::cerr << "an error occured while reading the header\n"; + return false; + } + width = header.width; + height = header.height; + bytespp = header.bitsperpixel >> 3; + if (width <= 0 || height <= 0 || (bytespp != GRAYSCALE && bytespp != RGB && bytespp != RGBA)) { + in.close(); + std::cerr << "bad bpp (or width/height) value\n"; + return false; + } + size_t nbytes = bytespp * width*height; + data = std::vector(nbytes, 0); + if (3 == header.datatypecode || 2 == header.datatypecode) { + in.read(reinterpret_cast(data.data()), nbytes); + if (!in.good()) { + in.close(); + std::cerr << "an error occured while reading the data\n"; + return false; + } + } + else if (10 == header.datatypecode || 11 == header.datatypecode) { + if (!load_rle_data(in)) { + in.close(); + std::cerr << "an error occured while reading the data\n"; + return false; + } + } + else { + in.close(); + std::cerr << "unknown file format " << (int)header.datatypecode << "\n"; + return false; + } + if (!(header.imagedescriptor & 0x20)) + flip_vertically(); + if (header.imagedescriptor & 0x10) + flip_horizontally(); + std::cerr << width << "x" << height << "/" << bytespp * 8 << "\n"; + in.close(); + return true; +} + +bool TGAImage::load_rle_data(std::ifstream &in) { + size_t pixelcount = width * height; + size_t currentpixel = 0; + size_t currentbyte = 0; + TGAColor colorbuffer; + do { + std::uint8_t chunkheader = 0; + chunkheader = in.get(); + if (!in.good()) { + std::cerr << "an error occured while reading the data\n"; + return false; + } + if (chunkheader < 128) { + chunkheader++; + for (int i = 0; i < chunkheader; i++) { + in.read(reinterpret_cast(colorbuffer.bgra), bytespp); + if (!in.good()) { + std::cerr << "an error occured while reading the header\n"; + return false; + } + for (int t = 0; t < bytespp; t++) + data[currentbyte++] = colorbuffer.bgra[t]; + currentpixel++; + if (currentpixel > pixelcount) { + std::cerr << "Too many pixels read\n"; + return false; + } + } + } + else { + chunkheader -= 127; + in.read(reinterpret_cast(colorbuffer.bgra), bytespp); + if (!in.good()) { + std::cerr << "an error occured while reading the header\n"; + return false; + } + for (int i = 0; i < chunkheader; i++) { + for (int t = 0; t < bytespp; t++) + data[currentbyte++] = colorbuffer.bgra[t]; + currentpixel++; + if (currentpixel > pixelcount) { + std::cerr << "Too many pixels read\n"; + return false; + } + } + } + } while (currentpixel < pixelcount); + return true; +} + +bool TGAImage::write_tga_file(const std::string filename, const bool vflip, const bool rle) const { + std::uint8_t developer_area_ref[4] = { 0, 0, 0, 0 }; + std::uint8_t extension_area_ref[4] = { 0, 0, 0, 0 }; + std::uint8_t footer[18] = { 'T','R','U','E','V','I','S','I','O','N','-','X','F','I','L','E','.','\0' }; + std::ofstream out; + out.open(filename, std::ios::binary); + if (!out.is_open()) { + std::cerr << "can't open file " << filename << "\n"; + out.close(); + return false; + } + TGA_Header header; + header.bitsperpixel = bytespp << 3; + header.width = width; + header.height = height; + header.datatypecode = (bytespp == GRAYSCALE ? (rle ? 11 : 3) : (rle ? 10 : 2)); + header.imagedescriptor = vflip ? 0x00 : 0x20; // top-left or bottom-left origin + out.write(reinterpret_cast(&header), sizeof(header)); + if (!out.good()) { + out.close(); + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + return false; + } + if (!rle) { + out.write(reinterpret_cast(data.data()), width*height*bytespp); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't unload raw data\n"; + out.close(); + return false; + } + } + else { + if (!unload_rle_data(out)) { + out.close(); + std::cerr << "can't unload rle data\n"; + return false; + } + } + out.write(reinterpret_cast(developer_area_ref), sizeof(developer_area_ref)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + out.close(); + return false; + } + out.write(reinterpret_cast(extension_area_ref), sizeof(extension_area_ref)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + out.close(); + return false; + } + out.write(reinterpret_cast(footer), sizeof(footer)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + out.close(); + return false; + } + out.close(); + return true; +} + +// TODO: it is not necessary to break a raw chunk for two equal pixels (for the matter of the resulting size) +bool TGAImage::unload_rle_data(std::ofstream &out) const { + const std::uint8_t max_chunk_length = 128; + size_t npixels = width * height; + size_t curpix = 0; + while (curpix < npixels) { + size_t chunkstart = curpix * bytespp; + size_t curbyte = curpix * bytespp; + std::uint8_t run_length = 1; + bool raw = true; + while (curpix + run_length < npixels && run_length < max_chunk_length) { + bool succ_eq = true; + for (int t = 0; succ_eq && t < bytespp; t++) + succ_eq = (data[curbyte + t] == data[curbyte + t + bytespp]); + curbyte += bytespp; + if (1 == run_length) + raw = !succ_eq; + if (raw && succ_eq) { + run_length--; + break; + } + if (!raw && !succ_eq) + break; + run_length++; + } + curpix += run_length; + out.put(raw ? run_length - 1 : run_length + 127); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + return false; + } + out.write(reinterpret_cast(data.data() + chunkstart), (raw ? run_length * bytespp : bytespp)); + if (!out.good()) { + std::cerr << "can't dump the tga file\n"; + return false; + } + } + return true; +} + +TGAColor TGAImage::getColor(const int x, const int y) const { + if (!data.size() || x < 0 || y < 0 || x >= width || y >= height) + return {}; + return TGAColor(data.data() + (x + y * width)*bytespp, bytespp); +} + +void TGAImage::setpixel(int x, int y, const TGAColor &c) { + if (!data.size() || x < 0 || y < 0 || x >= width || y >= height) return; + memcpy(data.data() + (x + y * width)*bytespp, c.bgra, bytespp); +} + +int TGAImage::get_bytespp() { + return bytespp; +} + +int TGAImage::get_width() const { + return width; +} + +int TGAImage::get_height() const { + return height; +} + +void TGAImage::flip_horizontally() { + if (!data.size()) return; + int half = width >> 1; + for (int i = 0; i < half; i++) { + for (int j = 0; j < height; j++) { + TGAColor c1 = getColor(i, j); + TGAColor c2 = getColor(width - 1 - i, j); + setpixel(i, j, c2); + setpixel(width - 1 - i, j, c1); + } + } +} + +void TGAImage::flip_vertically() { + if (!data.size()) return; + size_t bytes_per_line = width * bytespp; + std::vector line(bytes_per_line, 0); + int half = height >> 1; + for (int j = 0; j < half; j++) { + size_t l1 = j * bytes_per_line; + size_t l2 = (height - 1 - j)*bytes_per_line; + std::copy(data.begin() + l1, data.begin() + l1 + bytes_per_line, line.begin()); + std::copy(data.begin() + l2, data.begin() + l2 + bytes_per_line, data.begin() + l1); + std::copy(line.begin(), line.end(), data.begin() + l2); + } +} + +std::uint8_t *TGAImage::buffer() { + return data.data(); +} + +void TGAImage::clear() { + data = std::vector(width*height*bytespp, 0); +} + +void TGAImage::scale(int w, int h) { + if (w <= 0 || h <= 0 || !data.size()) return; + std::vector tdata(w*h*bytespp, 0); + int nscanline = 0; + int oscanline = 0; + int erry = 0; + size_t nlinebytes = w * bytespp; + size_t olinebytes = width * bytespp; + for (int j = 0; j < height; j++) { + int errx = width - w; + int nx = -bytespp; + int ox = -bytespp; + for (int i = 0; i < width; i++) { + ox += bytespp; + errx += w; + while (errx >= (int)width) { + errx -= width; + nx += bytespp; + memcpy(tdata.data() + nscanline + nx, data.data() + oscanline + ox, bytespp); + } + } + erry += h; + oscanline += olinebytes; + while (erry >= (int)height) { + if (erry >= (int)height << 1) // it means we jump over a scanline + memcpy(tdata.data() + nscanline + nlinebytes, tdata.data() + nscanline, nlinebytes); + erry -= height; + nscanline += nlinebytes; + } + } + data = tdata; + width = w; + height = h; +} + +void TGAImage::resize(int _width, int _height, int _bytespp) +{ + width = _width; + height=_height; + bytespp = _bytespp; + data.resize(width*height*bytespp, 0); +} + + diff --git a/TinySoftRender/TGAImage.h b/TinySoftRender/TGAImage.h new file mode 100644 index 0000000..de5aacc --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/TGAImage.h @@ -0,0 +1,77 @@ +#pragma once + +#include +#include +#include +#include + +#pragma pack(push,1) +struct TGA_Header { + std::uint8_t idlength{}; + std::uint8_t colormaptype{}; + std::uint8_t datatypecode{}; + std::uint16_t colormaporigin{}; + std::uint16_t colormaplength{}; + std::uint8_t colormapdepth{}; + std::uint16_t x_origin{}; + std::uint16_t y_origin{}; + std::uint16_t width{}; + std::uint16_t height{}; + std::uint8_t bitsperpixel{}; + std::uint8_t imagedescriptor{}; +}; +#pragma pack(pop) + +struct TGAColor { + std::uint8_t bgra[4] = { 0,0,0,0 }; + std::uint8_t bytespp = { 0 }; + + TGAColor() = default; + TGAColor(const std::uint8_t R, const std::uint8_t G, const std::uint8_t B, const std::uint8_t A = 255) : bgra{ B,G,R,A }, bytespp(4) { } + TGAColor(const std::uint8_t v) : bgra{ v,0,0,0 }, bytespp(1) { } + + TGAColor(const std::uint8_t *p, const std::uint8_t bpp) : bgra{ 0,0,0,0 }, bytespp(bpp) { + for (int i = 0; i < bpp; i++) + bgra[i] = p[i]; + } + + std::uint8_t& operator[](const int i) { return bgra[i]; } + + TGAColor operator *(const double intensity) const { + TGAColor res = *this; + double clamped = std::max(0., std::min(intensity, 1.)); + for (int i = 0; i < 4; i++) res.bgra[i] = bgra[i] * clamped; + return res; + } +}; + +class TGAImage +{ +protected: + std::vector data; + int width; + int height; + int bytespp; + + bool load_rle_data(std::ifstream &in); + bool unload_rle_data(std::ofstream &out) const; +public: + enum Format { GRAYSCALE = 1, RGB = 3, RGBA = 4 }; + + TGAImage(); + TGAImage(const int w, const int h, const int bpp); + bool read_tga_file(const std::string filename); + bool write_tga_file(const std::string filename, const bool vflip = true, const bool rle = true) const; + void flip_horizontally(); + void flip_vertically(); + void scale(const int w, const int h); + void resize(int width,int height,int bytespp); + TGAColor getColor(const int x, const int y) const; + void setpixel(const int x, const int y, const TGAColor &c); + int get_width() const; + int get_height() const; + int get_bytespp(); + std::uint8_t *buffer(); + void clear(); +}; + diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test.tga new file mode 100644 index 0000000..ced17bb Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test10.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test10.tga new file mode 100644 index 0000000..1c51e99 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test10.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test11.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test11.tga new file mode 100644 index 0000000..94bc261 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test11.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test12.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test12.tga new file mode 100644 index 0000000..65fac3e Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test12.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test13.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test13.tga new file mode 100644 index 0000000..c38c348 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test13.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test14.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test14.tga new file mode 100644 index 0000000..01192f8 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test14.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test15.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test15.tga new file mode 100644 index 0000000..079ab63 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test15.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test16.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test16.tga new file mode 100644 index 0000000..c9e52c4 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test16.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test17.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test17.tga new file mode 100644 index 0000000..8f8e27b Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test17.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test18.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test18.tga new file mode 100644 index 0000000..1928bbf Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test18.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test19.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test19.tga new file mode 100644 index 0000000..1928bbf Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test19.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test2.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test2.tga new file mode 100644 index 0000000..ee5ae68 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test20.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test20.tga new file mode 100644 index 0000000..1928bbf Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test20.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test21.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test21.tga new file mode 100644 index 0000000..1928bbf Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test21.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test22.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test22.tga new file mode 100644 index 0000000..2db2bdf Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test22.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test23.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test23.tga new file mode 100644 index 0000000..b160980 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test23.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test24.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test24.tga new file mode 100644 index 0000000..e38a69d Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test24.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test25.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test25.tga new file mode 100644 index 0000000..e31af49 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test25.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test26.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test26.tga new file mode 100644 index 0000000..e31af49 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test26.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test27.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test27.tga new file mode 100644 index 0000000..915fe6b Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test27.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test28.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test28.tga new file mode 100644 index 0000000..c30f423 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test28.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test29.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test29.tga new file mode 100644 index 0000000..e0caa98 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test29.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test3.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test3.tga new file mode 100644 index 0000000..0192ca3 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test4.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test4.tga new file mode 100644 index 0000000..1c51e99 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test4.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test5.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test5.tga new file mode 100644 index 0000000..389e7f5 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test5.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test6.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test6.tga new file mode 100644 index 0000000..6403218 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test6.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test7.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test7.tga new file mode 100644 index 0000000..cbd86e3 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test7.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test8.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test8.tga new file mode 100644 index 0000000..6403218 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test8.tga differ diff --git a/TinySoftRender/TriangleTransform/test9.tga b/TinySoftRender/TriangleTransform/test9.tga new file mode 100644 index 0000000..65fac3e Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/TriangleTransform/test9.tga differ diff --git "a/TinySoftRender/TriangleTransform/\351\241\266\347\202\271\344\275\215\347\275\256\346\225\260\346\215\256\350\247\243\346\236\220\346\270\262\346\237\223.html" "b/TinySoftRender/TriangleTransform/\351\241\266\347\202\271\344\275\215\347\275\256\346\225\260\346\215\256\350\247\243\346\236\220\346\270\262\346\237\223.html" new file mode 100644 index 0000000..c5572be --- /dev/null +++ "b/TinySoftRender/TriangleTransform/\351\241\266\347\202\271\344\275\215\347\275\256\346\225\260\346\215\256\350\247\243\346\236\220\346\270\262\346\237\223.html" @@ -0,0 +1,147 @@ + + + + + + 源码对应电子书:百度"three.js 郭隆邦" + + + + + + + + + + + + + + + \ No newline at end of file diff --git a/TinySoftRender/Value.h b/TinySoftRender/Value.h new file mode 100644 index 0000000..0c02487 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/Value.h @@ -0,0 +1,86 @@ +#pragma once +#include"geometry.h" +typedef struct Camera +{ + Vec3f eye; + Vec3f target; + + Camera() + { + eye = Vec3f(0.0, 0.0, 0.0); + target = Vec3f(0.0, 0.0, 0.0); + } +}; + + +typedef struct Trianglei +{ + Vec2i p0; + Vec2i p1; + Vec2i p2; +public: + Trianglei():p0(Vec2i(0,0)), p1(Vec2i(0, 0)), p2(Vec2i(0, 0)) {}; + Trianglei(Vec2i _p0, Vec2i _p1, Vec2i _p2) :p0(_p0), p1(_p1), p2(_p2) {}; + Trianglei(Vec2i*vi) + { + if (vi) + { + p0 = vi[0]; + p1 = vi[1]; + p2 = vi[2]; + } + else + { + Trianglei(); + } + }; +}; + +typedef struct Triangle3i +{ + Vec3i p0; + Vec3i p1; + Vec3i p2; + + Triangle3i() :p0(Vec3i(0, 0, 0)), p1(Vec3i(0, 0, 0)), p2(Vec3i(0, 0, 0)) {}; + Triangle3i(Vec3i _p0, Vec3i _p1, Vec3i _p2) :p0(_p0), p1(_p1), p2(_p2) {}; + Triangle3i(Vec3i*vi) + { + if (vi) + { + p0 = vi[0]; + p1 = vi[1]; + p2 = vi[2]; + } + else + { + Triangle3i(); + } + }; +}; + +typedef struct Triangle3f +{ + Vec3f p0; + Vec3f p1; + Vec3f p2; + + Triangle3f() :p0(Vec3f(0, 0, 0)), p1(Vec3f(0, 0, 0)), p2(Vec3f(0, 0, 0)) {}; + Triangle3f(Vec3f _p0, Vec3f _p1, Vec3f _p2) :p0(_p0), p1(_p1), p2(_p2) {}; + Triangle3f(Vec3f*vi) + { + if (vi) + { + p0 = vi[0]; + p1 = vi[1]; + p2 = vi[2]; + } + else + { + Triangle3f(); + } + }; +}; + + + diff --git a/TinySoftRender/compute.h b/TinySoftRender/compute.h new file mode 100644 index 0000000..166f8c0 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/compute.h @@ -0,0 +1,40 @@ +#pragma once +#include"geometry.h" +Vec3f barycentric(Vec2i *pts, Vec2i P) { + Vec3f u = cross(Vec3f(pts[2][0] - pts[0][0], pts[1][0] - pts[0][0], pts[0][0] - P[0]), Vec3f(pts[2][1] - pts[0][1], pts[1][1] - pts[0][1], pts[0][1] - P[1])); + /* `pts` and `P` has integer value as coordinates + so `abs(u[2])` < 1 means `u[2]` is 0, that means + triangle is degenerate, in this case return something with negative coordinates */ + //degenerate -> line or point + if (std::abs(u[2]) < 1) return Vec3f(-1, 1, 1); + return Vec3f(1.f - (u.x + u.y) / u.z, u.y / u.z, u.x / u.z); +} + +Vec3f barycentric(Vec2f A, Vec2f B, Vec2f C, Vec2f P) { + Vec3f s[2]; + for (int i = 2; i--; ) { + s[i][0] = C[i] - A[i]; + s[i][1] = B[i] - A[i]; + s[i][2] = A[i] - P[i]; + } + Vec3f u = cross(s[0], s[1]); + if (std::abs(u[2]) > 1e-2) // dont forget that u[2] is integer. If it is zero then triangle ABC is degenerate + return Vec3f(1.f - (u.x + u.y) / u.z, u.y / u.z, u.x / u.z); + return Vec3f(-1, 1, 1); // in this case generate negative coordinates, it will be thrown away by the rasterizator +} + +Vec3f barycentric(Vec3f A, Vec3f B, Vec3f C, Vec3f P) { + Vec3f s[2]; + for (int i = 2; i--; ) { + s[i][0] = C[i] - A[i]; + s[i][1] = B[i] - A[i]; + s[i][2] = A[i] - P[i]; + } + Vec3f u = cross(s[0], s[1]); + if (std::abs(u[2]) > 1e-2) // dont forget that u[2] is integer. If it is zero then triangle ABC is degenerate + return Vec3f(1.f - (u.x + u.y) / u.z, u.y / u.z, u.x / u.z); + return Vec3f(-1, 1, 1); // in this case generate negative coordinates, it will be thrown away by the rasterizator +} + + + diff --git a/TinySoftRender/geometry.cpp b/TinySoftRender/geometry.cpp new file mode 100644 index 0000000..3b6b2f2 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/geometry.cpp @@ -0,0 +1,7 @@ +#include "geometry.h" + +template <> template <> vec<3,int> ::vec(const vec<3,float> &v) : x(int(v.x+.5f)),y(int(v.y+.5f)),z(int(v.z+.5f)) {} +template <> template <> vec<3,float>::vec(const vec<3,int> &v) : x(v.x),y(v.y),z(v.z) {} +template <> template <> vec<2,int> ::vec(const vec<2,float> &v) : x(int(v.x+.5f)),y(int(v.y+.5f)) {} +template <> template <> vec<2,float>::vec(const vec<2,int> &v) : x(v.x),y(v.y) {} + diff --git a/TinySoftRender/geometry.h b/TinySoftRender/geometry.h new file mode 100644 index 0000000..2b0983c --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/geometry.h @@ -0,0 +1,222 @@ +#ifndef __GEOMETRY_H__ +#define __GEOMETRY_H__ +#include +#include +#include +#include + +template class mat; + +template struct vec { + vec() { for (size_t i=DIM; i--; data_[i] = T()); } + T& operator[](const size_t i) { assert(i struct vec<2,T> { + vec() : x(T()), y(T()) {} + vec(T X, T Y) : x(X), y(Y) {} + template vec<2,T>(const vec<2,U> &v); + T& operator[](const size_t i) { assert(i<2); return i<=0 ? x : y; } + const T& operator[](const size_t i) const { assert(i<2); return i<=0 ? x : y; } + + T x,y; +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template struct vec<3,T> { + vec() : x(T()), y(T()), z(T()) {} + vec(T X, T Y, T Z) : x(X), y(Y), z(Z) {} + template vec<3,T>(const vec<3,U> &v); + T& operator[](const size_t i) { assert(i<3); return i<=0 ? x : (1==i ? y : z); } + const T& operator[](const size_t i) const { assert(i<3); return i<=0 ? x : (1==i ? y : z); } + + float norm() { return std::sqrt(x*x+y*y+z*z); } + vec<3,T> & normalize(T l=1) { *this = (*this)*(l/norm()); return *this; } + + T x,y,z; +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template T operator*(const vec& lhs, const vec& rhs) { + T ret = T(); + for (size_t i=DIM; i--; ret+=lhs[i]*rhs[i]); + return ret; +} + + +templatevec operator+(vec lhs, const vec& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]+=rhs[i]); + return lhs; +} + +templatevec operator-(vec lhs, const vec& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]-=rhs[i]); + return lhs; +} + +template vec operator*(vec lhs, const U& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]*=rhs); + return lhs; +} + +template vec operator/(vec lhs, const U& rhs) { + for (size_t i=DIM; i--; lhs[i]/=rhs); + return lhs; +} + +template vec embed(const vec &v, T fill=1) { + vec ret; + for (size_t i=LEN; i--; ret[i]=(i vec proj(const vec &v) { + vec ret; + for (size_t i=LEN; i--; ret[i]=v[i]); + return ret; +} + +template vec<3,T> cross(vec<3,T> v1, vec<3,T> v2) { + return vec<3,T>(v1.y*v2.z - v1.z*v2.y, v1.z*v2.x - v1.x*v2.z, v1.x*v2.y - v1.y*v2.x); +} + +template std::ostream& operator<<(std::ostream& out, vec& v) { + for(unsigned int i=0; i struct dt { + static T det(const mat& src) { + T ret=0; + for (size_t i=DIM; i--; ret += src[0][i]*src.cofactor(0,i)); + return ret; + } +}; + +template struct dt<1,T> { + static T det(const mat<1,1,T>& src) { + return src[0][0]; + } +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template class mat { + vec rows[DimRows]; +public: + mat() {} + + vec& operator[] (const size_t idx) { + assert(idx& operator[] (const size_t idx) const { + assert(idx col(const size_t idx) const { + assert(idx ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ret[i]=rows[i][idx]); + return ret; + } + + void set_col(size_t idx, vec v) { + assert(idx identity() { + mat ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ) + for (size_t j=DimCols;j--; ret[i][j]=(i==j)); + return ret; + } + + T det() const { + return dt::det(*this); + } + + mat get_minor(size_t row, size_t col) const { + mat ret; + for (size_t i=DimRows-1; i--; ) + for (size_t j=DimCols-1;j--; ret[i][j]=rows[i adjugate() const { + mat ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ) + for (size_t j=DimCols; j--; ret[i][j]=cofactor(i,j)); + return ret; + } + + mat invert_transpose() { + mat ret = adjugate(); + T tmp = ret[0]*rows[0]; + return ret/tmp; + } + + mat invert() { + return invert_transpose().transpose(); + } + + mat transpose() { + mat ret; + for (size_t i=DimCols; i--; ret[i]=this->col(i)); + return ret; + } +}; + +///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// + +template vec operator*(const mat& lhs, const vec& rhs) { + vec ret; + for (size_t i=DimRows; i--; ret[i]=lhs[i]*rhs); + return ret; +} + +templatemat operator*(const mat& lhs, const mat& rhs) { + mat result; + for (size_t i=R1; i--; ) + for (size_t j=C2; j--; result[i][j]=lhs[i]*rhs.col(j)); + return result; +} + +templatemat operator/(mat lhs, const T& rhs) { + for (size_t i=DimRows; i--; lhs[i]=lhs[i]/rhs); + return lhs; +} + +template std::ostream& operator<<(std::ostream& out, mat& m) { + for (size_t i=0; i Vec2f; +typedef vec<2, int> Vec2i; +typedef vec<3, float> Vec3f; +typedef vec<3, int> Vec3i; +typedef vec<4, float> Vec4f; +typedef mat<4,4,float> Matrix; +#endif //__GEOMETRY_H__ + diff --git a/TinySoftRender/global.h b/TinySoftRender/global.h new file mode 100644 index 0000000..020b556 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/global.h @@ -0,0 +1,21 @@ +#pragma once +const TGAColor white = TGAColor(255, 255, 255, 255); +const TGAColor red = TGAColor(255, 0, 0, 255); +const TGAColor green = TGAColor(0, 255, 0, 255); +const TGAColor blue = TGAColor(0, 0, 255, 255); +const auto path = "obj/african_head/african_head.obj"; +const auto path1 = "obj/shark.obj"; +const auto path2 = "obj/Jelle.obj"; +const auto path3 = "obj/floor.obj"; +const int width = 800; +const int height = 800; +const int depth = 255; +//Vec3f light_dir(0, 0, -1); +Vec3f light_dir(0, 1, 1); +Vec3f eye(0, 0, 0); +//Vec3f eye(-4.074089, 0.647881, -0.122805); +Vec3f center(1, 1, 1); +Vec3f up(0, 0, 1); +//Vec3f center(-3.798896, 1.250536, 0.070385); +static Model model(path); +static TGAImage image(width, height, TGAImage::GRAYSCALE); \ No newline at end of file diff --git a/TinySoftRender/line.cpp b/TinySoftRender/line.cpp new file mode 100644 index 0000000..0475a06 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/line.cpp @@ -0,0 +1,78 @@ +#include"TGAImage.h" +#include "line.h" +/* +ȷ, +仭, +ȡСʱ䲽dt,ÿdtڴͿɫ +*/ +void lineNaiveSegment(int x0, int y0, int x1, int y1, TGAImage&img, const TGAColor&color) +{ + float length = 1.0f; + for (float dt = 0.0f; dt < length; dt += 0.01f) + { + int x = x0 + (x1 - x0)*dt; + int y = y0 + (y1 - y0)*dt; + img.set(x, y, color); + } +} + +//޷бΪ +void lineBresenhambad(int x0, int y0, int x1, int y1, TGAImage & img, const TGAColor & color) +{ + for (int x = x0; x <= x1; ++x) + { + float dt = float(x - x0) / float(x1 - x0); + int y = y0 * (1.0f - dt) + y1 * dt; + img.set(x, y, color); + } +} +/* +Bresenham㷨 +*/ +void lineBresenham(int x0, int y0, int x1, int y1, TGAImage & img, const TGAColor & color) +{ + bool steep = false; + if (std::abs(x0 - x1) < std::abs(y0 - y1)) + { + std::swap(x0, y0); + std::swap(x1, y1); + steep = true; + } + if (x0 > x1) + { + std::swap(x0, x1); + std::swap(y0, y1); + } + for (int x = x0; x <= x1; x++) + { + float t = (x - x0) / float(x1 - x0); + int y = y0 * (1.0f - t) + y1 * t; + if (steep) + { + img.set(y, x, color); + } + else + { + img.set(x, y, color); + } + } +} + +void DrawWireframe(Model & model) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + for (int j = 0; j < 3; j++) { + Vec3f v0 = model.vert(face[j]); + Vec3f v1 = model.vert(face[(j + 1) % 3]); + int x0 = (v0.x + 1.)*width / 2.; + int y0 = (v0.y + 1.)*height / 2.; + int x1 = (v1.x + 1.)*width / 2.; + int y1 = (v1.y + 1.)*height / 2.; + lineBresenham(x0, y0, x1, y1, image, white); + } + } +} + + + diff --git a/TinySoftRender/line.h b/TinySoftRender/line.h new file mode 100644 index 0000000..359e2b8 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/line.h @@ -0,0 +1,11 @@ +#pragma once +//reference:https://github.com/ssloy/tinyrenderer/wiki/Lesson-1:-Bresenham%E2%80%99s-Line-Drawing-Algorithm +#include"model.h" +#include"global.h" +#include"Value.h" +//draw line +void lineNaiveSegment(int x0, int y0, int x1, int y1, TGAImage&img, const TGAColor&color); +void lineBresenhambad(int x0, int y0, int x1, int y1, TGAImage&img, const TGAColor&color); +void lineBresenham(int x0, int y0, int x1, int y1, TGAImage&img, const TGAColor&color); + +void DrawWireframe(Model&model); diff --git a/TinySoftRender/main.cpp b/TinySoftRender/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..edddc53 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/main.cpp @@ -0,0 +1,26 @@ +#include"FrameWork.h" +#include"global.h" +int main(int argc, char** argv) { + auto path1 = "TriangleTransform/test29.tga"; + auto path2 = "Lesson6Shader/model.tga"; + rasterizer r(width,height); + r.InitZBuffer(); + r.InitDepth(); + r.viewport(width / 8, height / 8, width * 3 / 4, height * 3 / 4, depth); + float cof= -1.f / (eye - center).norm(); + r.Prespect_projection(cof); + //r.projection(); + float scale = 1.0; + //r.lookat(eye, center*scale, up); + r.lookatZ(); + GouraudShader shader; + shader.GetTransformMat(r.GetModelView(),r.GetViewPort(),r.GetProjection()); + shader.getModel(&model); + shader.getLightdirect(light_dir); + r.GetShader(&shader); + r.DrawShadeFrame(model); + r.WriteBuffer(path2); + //r.ClearBuffer(); + //r.WriteBuffer(path2); + return 0; +} \ No newline at end of file diff --git a/TinySoftRender/model.cpp b/TinySoftRender/model.cpp new file mode 100644 index 0000000..4f58889 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/model.cpp @@ -0,0 +1,164 @@ +#include +#include +#include +#include "model.h" + +Model::Model(const char *filename) : verts_(), faces_(), norms_(), uv_(), diffusemap_(), normalmap_(), specularmap_() { + std::ifstream in; + in.open (filename, std::ifstream::in); + if (in.fail()) return; + std::string line; + while (!in.eof()) { + std::getline(in, line); + std::istringstream iss(line.c_str()); + char trash; + if (!line.compare(0, 2, "v ")) { + iss >> trash; + Vec3f v; + for (int i=0;i<3;i++) iss >> v[i]; + verts_.push_back(v); + } else if (!line.compare(0, 3, "vn ")) { + iss >> trash >> trash; + Vec3f n; + for (int i=0;i<3;i++) iss >> n[i]; + norms_.push_back(n); + } else if (!line.compare(0, 3, "vt ")) { + iss >> trash >> trash; + Vec2f uv; + for (int i=0;i<2;i++) iss >> uv[i]; + uv_.push_back(uv); + } else if (!line.compare(0, 2, "f ")) { + std::vector f; + Vec3i tmp; + iss >> trash; + while (iss >> tmp[0] >> trash >> tmp[1] >> trash >> tmp[2]) { + for (int i=0; i<3; i++) tmp[i]--; // in wavefront obj all indices start at 1, not zero + f.push_back(tmp); + } + faces_.push_back(f); + } + } + std::cerr << "# v# " << verts_.size() << " f# " << faces_.size() << " vt# " << uv_.size() << " vn# " << norms_.size() << std::endl; + load_texture(filename, "_diffuse.tga", diffusemap_); + load_texture(filename, "_nm_tangent.tga", normalmap_); + load_texture(filename, "_spec.tga", specularmap_); +} + +Model::~Model() {} + +int Model::nverts() { + return (int)verts_.size(); +} + +int Model::nfaces() { + return (int)faces_.size(); +} + +std::vector Model::face(int idx) { + std::vector face; + for (int i=0; i<(int)faces_[idx].size(); i++) face.push_back(faces_[idx][i][0]); + return face; +} + +void Model::Update(const char * filename) +{ + std::ifstream in; + in.open(filename, std::ifstream::in); + if (in.fail()) return; + std::string line; + while (!in.eof()) { + std::getline(in, line); + std::istringstream iss(line.c_str()); + char trash; + if (!line.compare(0, 2, "v ")) { + iss >> trash; + Vec3f v; + for (int i = 0; i < 3; i++) iss >> v[i]; + verts_.push_back(v); + } + else if (!line.compare(0, 3, "vn ")) { + iss >> trash >> trash; + Vec3f n; + for (int i = 0; i < 3; i++) iss >> n[i]; + norms_.push_back(n); + } + else if (!line.compare(0, 3, "vt ")) { + iss >> trash >> trash; + Vec2f uv; + for (int i = 0; i < 2; i++) iss >> uv[i]; + uv_.push_back(uv); + } + else if (!line.compare(0, 2, "f ")) { + std::vector f; + Vec3i tmp; + iss >> trash; + while (iss >> tmp[0] >> trash >> tmp[1] >> trash >> tmp[2]) { + for (int i = 0; i < 3; i++) tmp[i]--; // in wavefront obj all indices start at 1, not zero + f.push_back(tmp); + } + faces_.push_back(f); + } + } + std::cerr << "# v# " << verts_.size() << " f# " << faces_.size() << " vt# " << uv_.size() << " vn# " << norms_.size() << std::endl; + load_texture(filename, "_diffuse.tga", diffusemap_); + load_texture(filename, "_nm_tangent.tga", normalmap_); + load_texture(filename, "_spec.tga", specularmap_); +} + +void Model::clear() +{ + verts_.clear(); + faces_.clear(); + norms_.clear(); + uv_.clear(); + diffusemap_.clear(); + normalmap_.clear(); + specularmap_.clear(); +} + +Vec3f Model::vert(int i) { + return verts_[i]; +} + +Vec3f Model::vert(int iface, int nthvert) { + return verts_[faces_[iface][nthvert][0]]; +} + +void Model::load_texture(std::string filename, const char *suffix, TGAImage &img) { + std::string texfile(filename); + size_t dot = texfile.find_last_of("."); + if (dot!=std::string::npos) { + texfile = texfile.substr(0,dot) + std::string(suffix); + std::cerr << "texture file " << texfile << " loading " << (img.read_tga_file(texfile.c_str()) ? "ok" : "failed") << std::endl; + img.flip_vertically(); + } +} + +TGAColor Model::diffuse(Vec2f uvf) { + Vec2i uv(uvf[0]*diffusemap_.get_width(), uvf[1]*diffusemap_.get_height()); + return diffusemap_.getColor(uv[0], uv[1]); +} + +Vec3f Model::normal(Vec2f uvf) { + Vec2i uv(uvf[0]*normalmap_.get_width(), uvf[1]*normalmap_.get_height()); + TGAColor c = normalmap_.getColor(uv[0], uv[1]); + Vec3f res; + for (int i=0; i<3; i++) + res[2-i] = (float)c[i]/255.f*2.f - 1.f; + return res; +} + +Vec2f Model::uv(int iface, int nthvert) { + return uv_[faces_[iface][nthvert][1]]; +} + +float Model::specular(Vec2f uvf) { + Vec2i uv(uvf[0]*specularmap_.get_width(), uvf[1]*specularmap_.get_height()); + return specularmap_.getColor(uv[0], uv[1])[0]/1.f; +} + +Vec3f Model::normal(int iface, int nthvert) { + int idx = faces_[iface][nthvert][2]; + return norms_[idx].normalize(); +} + diff --git a/TinySoftRender/model.h b/TinySoftRender/model.h new file mode 100644 index 0000000..96919c4 --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/model.h @@ -0,0 +1,35 @@ +#ifndef __MODEL_H__ +#define __MODEL_H__ +#include +#include +#include "geometry.h" +#include "tgaimage.h" + +class Model { +private: + std::vector verts_; + std::vector > faces_; // attention, this Vec3i means vertex/uv/normal + std::vector norms_; + std::vector uv_; + TGAImage diffusemap_; + TGAImage normalmap_; + TGAImage specularmap_; + void load_texture(std::string filename, const char *suffix, TGAImage &img); +public: + Model(const char *filename); + ~Model(); + int nverts(); + int nfaces(); + Vec3f normal(int iface, int nthvert); + Vec3f normal(Vec2f uv); + Vec3f vert(int i); + Vec3f vert(int iface, int nthvert); + Vec2f uv(int iface, int nthvert); + TGAColor diffuse(Vec2f uv); + float specular(Vec2f uv); + std::vector face(int idx); + void Update(const char *filename); + void clear(); +}; +#endif //__MODEL_H__ + diff --git a/TinySoftRender/output2.tga b/TinySoftRender/output2.tga new file mode 100644 index 0000000..56c7dc8 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/output2.tga differ diff --git a/TinySoftRender/output3.tga b/TinySoftRender/output3.tga new file mode 100644 index 0000000..05845c3 Binary files /dev/null and b/TinySoftRender/output3.tga differ diff --git a/TinySoftRender/rasterizer.cpp b/TinySoftRender/rasterizer.cpp new file mode 100644 index 0000000..92f5fdd --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/rasterizer.cpp @@ -0,0 +1,499 @@ +#include "rasterizer.h" +#include"compute.h" +void rasterizer::InitZBuffer() +{ + ZBuffer = new float[width*height]; + for (int i = width * height; i--; ZBuffer[i] = -std::numeric_limits::max()); +} +void rasterizer::InitDepth() +{ + DepthBuffer.resize(width, height, TGAImage::RGB); +} +void rasterizer::lineBresenham(int x0, int y0, int x1, int y1, const TGAColor & color) +{ + bool steep = false; + if (std::abs(x0 - x1) < std::abs(y0 - y1)) + { + std::swap(x0, y0); + std::swap(x1, y1); + steep = true; + } + if (x0 > x1) + { + std::swap(x0, x1); + std::swap(y0, y1); + } + for (int x = x0; x <= x1; x++) + { + float t = (x - x0) / float(x1 - x0); + int y = y0 * (1.0f - t) + y1 * t; + if (steep) + { + frameBuffer.setpixel(y, x, color); + } + else + { + frameBuffer.setpixel(x, y, color); + } + } +} + +void rasterizer::lineBresenham(Vec2i p0, Vec2i p1, const TGAColor & color) +{ + lineBresenham(p0.x, p0.y, p1.x, p1.y,color); +} + +void rasterizer::DrawWireTrangile(Trianglei & t, const TGAColor & color) +{ + DrawWireTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::DrawWireTrangile(Vec2i p0, Vec2i p1, Vec2i p2, const TGAColor & color) +{ + lineBresenham(p0, p1, color); + lineBresenham(p1, p2, color); + lineBresenham(p2, p0, color); +} + +void rasterizer::Draw2DFillTrangile(Trianglei & t, const TGAColor & color) +{ + Draw2DFillTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::Draw2DFillTrangile(Vec2i p0, Vec2i p1, Vec2i p2, const TGAColor & color) +{ + // sort the vertices, t0, t1, t2 lower−to−upper (bubblesort yay!) + if (p0.y > p1.y) std::swap(p0, p1); + if (p0.y > p2.y) std::swap(p0, p2); + if (p1.y > p2.y) std::swap(p1, p2); + int total_height = p2.y - p0.y;//计算高度 + //画p0->p1 + for (int y = p0.y; y <= p1.y; y++) { + int segment_height = p1.y - p0.y + 1; + float alpha = (float)(y - p0.y) / total_height; + float beta = (float)(y - p0.y) / segment_height; // be careful with divisions by zero + Vec2i A = p0 + (p2 - p0)*alpha; + Vec2i B = p0 + (p1 - p0)*beta; + if (A.x > B.x) std::swap(A, B);//水平扫描 + for (int j = A.x; j <= B.x; j++) { + frameBuffer.setpixel(j, y, color); // attention, due to int casts t0.y+i != A.y + } + } + //画p1->p2 + for (int y = p1.y; y <= p2.y; y++) { + int segment_height = p2.y - p1.y + 1; + float alpha = (float)(y - p0.y) / total_height; + float beta = (float)(y - p1.y) / segment_height; // be careful with divisions by zero + Vec2i A = p0 + (p2 - p0)*alpha; + Vec2i B = p1 + (p2 - p1)*beta; + if (A.x > B.x) std::swap(A, B);//水平扫描 + for (int j = A.x; j <= B.x; j++) { + frameBuffer.setpixel(j, y, color); // attention, due to int casts t0.y+i != A.y + } + } +} + +void rasterizer::Draw2DInterpolateTrangile(Trianglei&t, const TGAColor&color) +{ + Draw2DInterpolateTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::Draw2DInterpolateTrangile(Vec2i p0, Vec2i p1, Vec2i p2, const TGAColor & color) +{ + Vec2i* pts = new Vec2i[3]; + pts[0] = p0; + pts[1] = p1; + pts[2] = p2; + Vec2i boundingbox_min(frameBuffer.get_width()-1,frameBuffer.get_height()-1); + Vec2i boundingbox_max(0,0); + Vec2i clamp(frameBuffer.get_width() - 1, frameBuffer.get_height() - 1); + for (size_t i = 0; i < 3; i++)//设置包围盒 + { + for (size_t j = 0; j < 2; j++) + { + boundingbox_min[j] = std::max(0, std::min(boundingbox_min[j], pts[i][j])); + boundingbox_max[j] = std::min(clamp[j],std::max(boundingbox_max[j],pts[i][j])); + } + } + Vec2i P; + for (P.x = boundingbox_min.x; P.x <= boundingbox_max.x; P.x++) + { + for (P.y = boundingbox_min.y; P.y <= boundingbox_max.y; P.y++) + { + Vec3f bc_screen = barycentric(pts, P); + if (bc_screen.x < 0 || bc_screen.y < 0 || bc_screen.z < 0) + continue; + frameBuffer.setpixel(P.x,P.y,color); + } + } + + delete[] pts; +} + +void rasterizer::Draw2DWireFrame(Model & model, int width, int height, const TGAColor & color) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + for (int j = 0; j < 3; j++) { + Vec3f v0 = model.vert(face[j]); + Vec3f v1 = model.vert(face[(j + 1) % 3]); + int x0 = (v0.x + 1.)*width / 2.; + int y0 = (v0.y + 1.)*height / 2.; + int x1 = (v1.x + 1.)*width / 2.; + int y1 = (v1.y + 1.)*height / 2.; + lineBresenham(x0, y0, x1, y1,color); + } + } +} + +void rasterizer::Draw2DWireFrame(Model & model, const TGAColor & color) +{ + Draw2DWireFrame(model, width, height,color); +} + +void rasterizer::Draw2DFlatFrame(Model & model) +{ + Draw2DFlatFrame(model, width, height); +} + +void rasterizer::Draw2DFlatFrame(Model & model, int width, int height) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + Vec2i screen_coords[3]; + for (int j = 0; j < 3; j++) { + Vec3f world_coords = model.vert(face[j]); + screen_coords[j] = Vec2i((world_coords.x + 1.)*width / 2., (world_coords.y + 1.)*height / 2.); + } + Draw2DInterpolateTrangile(screen_coords[0], screen_coords[1], screen_coords[2], TGAColor(rand() % 255, rand() % 255, rand() % 255, 255)); + } +} + +void rasterizer::DrawGray2DFrame(Model & model, Vec3f light_dir = Vec3f(0,0,0)) +{ + DrawGray2DFrame(model, width, height,light_dir); +} + +void rasterizer::DrawGray2DFrame(Model & model, int width, int height, Vec3f light_dir = Vec3f(0,0,0)) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + Vec2i screen_coords[3]; + Vec3f world_coords[3]; + for (int j = 0; j < 3; j++) { + Vec3f v = model.vert(face[j]); + screen_coords[j] = Vec2i((v.x + 1.)*width / 2., (v.y + 1.)*height / 2.); + world_coords[j] = v; + } + Vec3f n = cross((world_coords[2] - world_coords[0]), (world_coords[1] - world_coords[0])); + n.normalize(); + float intensity = n * light_dir; + if (intensity > 0) { + Draw2DInterpolateTrangile(screen_coords[0], screen_coords[1], screen_coords[2], TGAColor(intensity * 255, intensity * 255, intensity * 255, 255)); + } + } +} + +void rasterizer::DrawFillTrangile(Triangle3i & t, const TGAColor & color) +{ + DrawFillTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::DrawFillTrangile(Vec3i p0, Vec3i p1, Vec3i p2, const TGAColor & color) +{ + if (p0.y == p1.y && p0.y == p2.y) return; // i dont care about degenerate triangles + if (p0.y > p1.y) std::swap(p0, p1); + if (p0.y > p2.y) std::swap(p0, p2); + if (p1.y > p2.y) std::swap(p1, p2); + int total_height = p2.y - p0.y; + for (int i = 0; i < total_height; i++) { + bool second_half = i > p1.y - p0.y || p1.y == p0.y; + int segment_height = second_half ? p2.y - p1.y : p1.y - p0.y; + float alpha = (float)i / total_height; + float beta = (float)(i - (second_half ? p1.y - p0.y : 0)) / segment_height; // be careful: with above conditions no division by zero here + Vec3i A = p0 + (p2 - p0)*alpha; + Vec3i B = second_half ? p1 + (p2 - p1)*beta : p0 + (p1 - p0)*beta; + if (A.x > B.x) std::swap(A, B); + for (int j = A.x; j <= B.x; j++) { + float phi = B.x == A.x ? 1. : (float)(j - A.x) / (float)(B.x - A.x); + Vec3i P = A + (B - A)*phi; + P.x = j; P.y = p0.y + i; // a hack to fill holes (due to int cast precision problems) + int idx = j + (p0.y + i)*width; + if (ZBuffer[idx] < P.z) {//Z值小的会进来 + ZBuffer[idx] = P.z; + frameBuffer.setpixel(P.x, P.y, color); // attention, due to int casts t0.y+i != A.y + } + } + } +} + +void rasterizer::DrawFillTrangile(Triangle3f & t, const TGAColor & color) +{ + DrawFillTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::DrawFillTrangile(Vec3f p0, Vec3f p1, Vec3f p2, const TGAColor & color) +{ + if (p0.y == p1.y && p0.y == p2.y) return; // i dont care about degenerate triangles + if (p0.y > p1.y) std::swap(p0, p1); + if (p0.y > p2.y) std::swap(p0, p2); + if (p1.y > p2.y) std::swap(p1, p2); + int total_height = p2.y - p0.y; + for (int i = 0; i < total_height; i++) { + bool second_half = i > p1.y - p0.y || p1.y == p0.y; + int segment_height = second_half ? p2.y - p1.y : p1.y - p0.y; + float alpha = (float)i / total_height; + float beta = (float)(i - (second_half ? p1.y - p0.y : 0)) / segment_height; // be careful: with above conditions no division by zero here + Vec3f A = p0 + (p2 - p0)*alpha; + Vec3f B = second_half ? p1 + (p2 - p1)*beta : p0 + (p1 - p0)*beta; + if (A.x > B.x) std::swap(A, B); + for (int j = A.x; j <= B.x; j++) { + float phi = B.x == A.x ? 1. : (float)(j - A.x) / (float)(B.x - A.x); + Vec3f P = A + (B - A)*phi; + P.x = j; P.y = p0.y + i; // a hack to fill holes (due to int cast precision problems) + int idx = j + (p0.y + i)*width; + if (ZBuffer[idx] < P.z) {//Z值大的会进来(模型空间) + ZBuffer[idx] = P.z; + frameBuffer.setpixel(P.x, P.y, color); // attention, due to int casts t0.y+i != A.y + } + } + } +} + +void rasterizer::DrawInterpolateTrangile(Triangle3i & t, const TGAColor & color) +{ + DrawInterpolateTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::DrawInterpolateTrangile(Vec3i p0, Vec3i p1, Vec3i p2, const TGAColor & color) +{ + Vec3i* pts = new Vec3i[3]; + pts[0] = p0; + pts[1] = p1; + pts[2] = p2; + Vec2i bboxmin(std::numeric_limits::max(), std::numeric_limits::max()); + Vec2i bboxmax(-std::numeric_limits::max(), -std::numeric_limits::max()); + Vec2i clamp(frameBuffer.get_width() - 1, frameBuffer.get_height() - 1); + for (int i = 0; i < 3; i++) { + for (int j = 0; j < 2; j++) { + bboxmin[j] = std::max(0, std::min(bboxmin[j], pts[i][j])); + bboxmax[j] = std::min(clamp[j], std::max(bboxmax[j], pts[i][j])); + } + } + Vec3i P; + for (P.x = bboxmin.x; P.x <= bboxmax.x; P.x++) { + for (P.y = bboxmin.y; P.y <= bboxmax.y; P.y++) { + Vec3i bc_screen = barycentric(pts[0], pts[1], pts[2], P); + if (bc_screen.x < 0 || bc_screen.y < 0 || bc_screen.z < 0) continue; + P.z = 0; + for (int i = 0; i < 3; i++) P.z += pts[i][2] * bc_screen[i]; + if (ZBuffer[int(P.x + P.y*width)] < P.z) { + ZBuffer[int(P.x + P.y*width)] = P.z; + frameBuffer.setpixel(P.x, P.y, color); + } + } + } +} + +void rasterizer::DrawInterpolateTrangile(Triangle3f & t, const TGAColor & color) +{ + DrawInterpolateTrangile(t.p0, t.p1, t.p2, color); +} + +void rasterizer::DrawInterpolateTrangile(Vec3f p0, Vec3f p1, Vec3f p2, const TGAColor & color) +{ + Vec3f* pts = new Vec3f[3]; + pts[0] = p0; + pts[1] = p1; + pts[2] = p2; + Vec2f bboxmin(std::numeric_limits::max(), std::numeric_limits::max()); + Vec2f bboxmax(-std::numeric_limits::max(), -std::numeric_limits::max()); + Vec2f clamp(frameBuffer.get_width() - 1, frameBuffer.get_height() - 1); + for (int i = 0; i < 3; i++) { + for (int j = 0; j < 2; j++) { + bboxmin[j] = std::max(0.f, std::min(bboxmin[j], pts[i][j])); + bboxmax[j] = std::min(clamp[j], std::max(bboxmax[j], pts[i][j])); + } + } + Vec3f P; + for (P.x = bboxmin.x; P.x <= bboxmax.x; P.x++) { + for (P.y = bboxmin.y; P.y <= bboxmax.y; P.y++) { + Vec3f bc_screen = barycentric(pts[0], pts[1], pts[2], P); + if (bc_screen.x < 0 || bc_screen.y < 0 || bc_screen.z < 0) continue; + P.z = 0; + for (int i = 0; i < 3; i++) P.z += pts[i][2] * bc_screen[i]; + if (ZBuffer[int(P.x + P.y*width)] < P.z) { + ZBuffer[int(P.x + P.y*width)] = P.z; + frameBuffer.setpixel(P.x, P.y, color); + } + } + } +} + +void rasterizer::DrawShadingTrangile(Vec4f * pts) +{ + Vec2f bboxmin(std::numeric_limits::max(), std::numeric_limits::max()); + Vec2f bboxmax(-std::numeric_limits::max(), -std::numeric_limits::max()); + for (size_t i = 0; i < 3; i++) + { + for (size_t j = 0; j < 2; j++) + { + bboxmin[j] = std::min(bboxmin[j], pts[i][j] / pts[i][3]); + bboxmax[j] = std::max(bboxmax[j], pts[i][j] / pts[i][3]); + } + } + Vec2i P; + TGAColor color; + for (P.x=bboxmin.x;P.x<=bboxmax.x;++P.x) + { + for (P.y=bboxmin.y;P.y<=bboxmax.y;++P.y) + { + Vec3f c = barycentric(proj<2>(pts[0] / pts[0][3]), proj<2>(pts[1] / pts[1][3]), proj<2>(pts[2] / pts[2][3]), proj<2>(P)); + float z = pts[0][2] * c.x + pts[1][2] * c.y + pts[2][2] * c.z; + float w = pts[0][3] * c.x + pts[1][3] * c.y + pts[2][3] * c.z; + int frag_depth = std::max(0, std::min(255, int(z / w + .5))); + if (c.x < 0 || c.y < 0 || c.z<0 || DepthBuffer.getColor(P.x, P.y)[0]>frag_depth) continue; + bool discard = Shader->fragment(c, color); + if (!discard) { + DepthBuffer.setpixel(P.x, P.y, TGAColor(frag_depth)); + frameBuffer.setpixel(P.x, P.y, color); + } + } + } +} + + +void rasterizer::DrawGrayFrame(Model & model, Vec3f light_dir) +{ + DrawGrayFrame(model, width, height, light_dir); +} + +void rasterizer::DrawGrayFrame(Model & model, int width, int height, Vec3f light_dir) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + Vec3f screen_coords[3]; + Vec3f world_coords[3]; + for (int i = 0; i < 3; i++) screen_coords[i] = world2screen(model.vert(face[i])); + Triangle3f t(screen_coords); + for (int j = 0; j < 3; j++) { + Vec3f v = model.vert(face[j]); + world_coords[j] = v; + } + Vec3f n = cross((world_coords[2] - world_coords[0]), (world_coords[1] - world_coords[0])).normalize(); + float intensity = n * light_dir.normalize(); + if (0 < intensity) + { + DrawInterpolateTrangile(t, TGAColor(int(intensity * 255) % 255, int(intensity * 255) % 255, int(intensity * 255) % 255, 255)); + } + } +} + +void rasterizer::DrawColorfulFrame(Model & model) +{ + DrawColorfulFrame(model, width, height); +} + +void rasterizer::DrawColorfulFrame(Model & model, int width, int height) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + Vec3f pts[3]; + for (int i = 0; i < 3; i++) pts[i] = world2screen(model.vert(face[i])); + Triangle3f t(pts); + DrawInterpolateTrangile(t, TGAColor(rand() % 255, rand() % 255, rand() % 255, 255)); + } +} + +void rasterizer::DrawModelFrame(Model & model, Vec3f light_dir) +{ + DrawModelFrame(model, width, height, light_dir); +} + +void rasterizer::DrawModelFrame(Model & model, int width, int height, Vec3f light_dir) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + std::vector face = model.face(i); + Vec3f screen_coords[3]; + Vec3f world_coords[3]; + for (int j = 0; j < 3; j++) { + Vec3f v = model.vert(face[j]); + //viewport函数不如直接world2screen效果好 + //screen_coords[j]= m2v(Viewport*Projection*ModelView*v2m(v)); + screen_coords[j] = world2screen(m2v(Projection*ModelView*v2m(v))); + world_coords[j] = v; + } + Vec3f n = cross((world_coords[2] - world_coords[0]), (world_coords[1] - world_coords[0])); + n.normalize(); + float intensity = n * light_dir.normalize(); + if (intensity > 0) { + DrawInterpolateTrangile(screen_coords[0], screen_coords[1], screen_coords[2], TGAColor(int(intensity * 255) % 255, int(intensity * 255) % 255, int(intensity * 255) % 255, 255)); + } + } +} + +void rasterizer::DrawShadeFrame(Model & model) +{ + for (int i = 0; i < model.nfaces(); i++) { + Vec4f screen_coords[3]; + for (int j = 0; j < 3; j++) { + screen_coords[j] = Shader->vertex(i, j); + } + DrawShadingTrangile(screen_coords); + } +} + + +void rasterizer::lookat(Vec3f eye, Vec3f center, Vec3f up) +{ + Vec3f z = (eye - center).normalize(); + Vec3f x = cross(up, z).normalize(); + Vec3f y = cross(z, x).normalize(); + Matrix Minv = Matrix::identity(); + Matrix Tr = Matrix::identity(); + for (int i = 0; i < 3; i++) { + Minv[0][i] = x[i]; + Minv[1][i] = y[i]; + Minv[2][i] = z[i]; + Tr[i][3] = -center[i]; + } + ModelView = Minv * Tr; +} + +void rasterizer::lookatZ() +{ + ModelView = Matrix::identity(); +} + +void rasterizer::viewport(int x, int y, int w, int h) +{ + Viewport = Matrix::identity(); + Viewport[0][3] = x + w / 2.f; + Viewport[1][3] = y + h / 2.f; + Viewport[2][3] = 1.f; + Viewport[0][0] = w / 2.f; + Viewport[1][1] = h / 2.f; + Viewport[2][2] = 0; +} + +void rasterizer::viewport(int x, int y, int w, int h, int d) +{ + Viewport = Matrix::identity(); + Viewport[0][3] = x + w / 2.f; + Viewport[1][3] = y + h / 2.f; + Viewport[2][3] = d / 2.f; + Viewport[0][0] = w / 2.f; + Viewport[1][1] = h / 2.f; + Viewport[2][2] = d / 2.f; +} + +void rasterizer::Prespect_projection(float coeff) +{ + Projection = Matrix::identity(); + Projection[3][2] = coeff; +} + +void rasterizer::projection() +{ + Projection = Matrix::identity(); +} diff --git a/TinySoftRender/rasterizer.h b/TinySoftRender/rasterizer.h new file mode 100644 index 0000000..3262b1a --- /dev/null +++ b/TinySoftRender/rasterizer.h @@ -0,0 +1,100 @@ +#pragma once +#include"model.h" +#include"Value.h" +#include"geometry.h" +#include"TGAImage.h" +#include"Shader.h" + + + +class rasterizer +{ +private: + int width;//դ + int height;//դ + TGAImage frameBuffer;//֡ + TGAImage DepthBuffer;//Ȼ + float* ZBuffer;//ȼ + Matrix ModelView;//ģӽDZ任 + Matrix Projection;//͸ӱ任 + Matrix Viewport;//ӿڱ任 + IShader*Shader; +public: + //캯 + rasterizer() :width(0), height(0), Shader(nullptr) { frameBuffer.resize(width, height, TGAImage::RGB); }; + rasterizer(int _width, int _height):width(_width),height(_height), Shader(nullptr) { frameBuffer.resize(width, height, TGAImage::RGB); }; + + //ܺ + void GetShader(IShader*s) { Shader = s; }; + void Resize(int _width, int _height) { width = _width; height = _height; };//ضդС + void GetFrameBuffer(TGAImage&img) { frameBuffer = img; }; + TGAImage GiveBuffer() { return frameBuffer; }; + void WriteBuffer(const char* path) { frameBuffer.write_tga_file(path); }; + void ReadBuffer(const char* path) { frameBuffer.read_tga_file(path); }; + void ClearBuffer() { frameBuffer.clear(); }; + void InitZBuffer(); + void InitDepth(); + Vec3f world2screen(Vec3f v) {//תĻ + return Vec3f(int((v.x + 1.)*width / 2. + .5), int((v.y + 1.)*height / 2. + .5), v.z); + } + + //Bresenham + void lineBresenham(int x0, int y0, int x1, int y1,const TGAColor&color); + void lineBresenham(Vec2i p0, Vec2i p1,const TGAColor&color); + void DrawWireTrangile(Trianglei&t,const TGAColor&color); + void DrawWireTrangile(Vec2i p0, Vec2i p1, Vec2i p2,const TGAColor&color); + //2D + void Draw2DFillTrangile(Trianglei&t,const TGAColor&color); + void Draw2DFillTrangile(Vec2i p0, Vec2i p1, Vec2i p2,const TGAColor&color); + void Draw2DInterpolateTrangile(Trianglei&t, const TGAColor&color); + void Draw2DInterpolateTrangile(Vec2i p0, Vec2i p1, Vec2i p2, const TGAColor&color); + void Draw2DWireFrame(Model & model, int width, int height,const TGAColor&color); + void Draw2DWireFrame(Model & model, const TGAColor&color); + void Draw2DFlatFrame(Model & model); + void Draw2DFlatFrame(Model & model, int width, int height); + void DrawGray2DFrame(Model & model, Vec3f light_dir); + void DrawGray2DFrame(Model & model, int width, int height, Vec3f light_dir); + //3D + void DrawFillTrangile(Triangle3i&t, const TGAColor&color); + void DrawFillTrangile(Vec3i p0, Vec3i p1, Vec3i p2, const TGAColor&color); + void DrawFillTrangile(Triangle3f&t, const TGAColor&color); + void DrawFillTrangile(Vec3f p0, Vec3f p1, Vec3f p2, const TGAColor&color); + void DrawInterpolateTrangile(Triangle3i&t, const TGAColor&color); + void DrawInterpolateTrangile(Vec3i p0, Vec3i p1, Vec3i p2, const TGAColor&color); + void DrawInterpolateTrangile(Triangle3f&t, const TGAColor&color); + void DrawInterpolateTrangile(Vec3f p0, Vec3f p1, Vec3f p2, const TGAColor&color); + void DrawShadingTrangile(Vec4f *pts); + void DrawGrayFrame(Model & model, Vec3f light_dir); + void DrawGrayFrame(Model & model, int width, int height, Vec3f light_dir); + void DrawColorfulFrame(Model & model); + void DrawColorfulFrame(Model & model, int width, int height); + void DrawModelFrame(Model & model, Vec3f light_dir); + void DrawModelFrame(Model & model, int width, int height, Vec3f light_dir); + + void DrawShadeFrame(Model &model); + + + + //任 + void lookat(Vec3f eye, Vec3f center, Vec3f up);//ģͱ任͹۲任 + void lookatZ(); + void viewport(int x, int y, int w, int h);//ӿڱ任 + void viewport(int x, int y, int w, int h,int d);//ӿڱ任 + void Prespect_projection(float coeff = 0.f); // coeff = -1/c ͸ͶӰ + void projection();//ͶӰ + Matrix GetModelView() { return ModelView; } + Matrix GetProjection() { return Projection; } + Matrix GetViewPort() { return Viewport; } + Vec3f m2v(mat<4, 1, float> m) {// + return Vec3f(m[0][0] / m[3][0], m[1][0] / m[3][0], m[2][0] / m[3][0]); + } + mat<4, 1, float> v2m(Vec3f v) {// + mat<4, 1, float> m; + m[0][0] = v.x; + m[1][0] = v.y; + m[2][0] = v.z; + m[3][0] = 1.f; + return m; + } +}; + diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/AreaLight.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/AreaLight.hpp new file mode 100644 index 0000000..b6270a9 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/AreaLight.hpp @@ -0,0 +1,33 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include "Vector.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "global.hpp" + +class AreaLight : public Light +{ +public: + AreaLight(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : Light(p, i) + { + normal = Vector3f(0, -1, 0); + u = Vector3f(1, 0, 0); + v = Vector3f(0, 0, 1); + length = 100; + } + + Vector3f SamplePoint() const + { + auto random_u = get_random_float(); + auto random_v = get_random_float(); + return position + random_u * u + random_v * v; + } + + float length; + Vector3f normal; + Vector3f u; + Vector3f v; +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/BVH.cpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/BVH.cpp new file mode 100644 index 0000000..459e158 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/BVH.cpp @@ -0,0 +1,131 @@ +#include +#include +#include "BVH.hpp" + +BVHAccel::BVHAccel(std::vector p, int maxPrimsInNode, + SplitMethod splitMethod) + : maxPrimsInNode(std::min(255, maxPrimsInNode)), splitMethod(splitMethod), + primitives(std::move(p)) +{ + time_t start, stop; + time(&start); + if (primitives.empty()) + return; + + root = recursiveBuild(primitives); + + time(&stop); + double diff = difftime(stop, start); + int hrs = (int)diff / 3600; + int mins = ((int)diff / 60) - (hrs * 60); + int secs = (int)diff - (hrs * 3600) - (mins * 60); + + printf( + "\rBVH Generation complete: \nTime Taken: %i hrs, %i mins, %i secs\n\n", + hrs, mins, secs); +} + +BVHBuildNode* BVHAccel::recursiveBuild(std::vector objects) +{ + BVHBuildNode* node = new BVHBuildNode(); + + // Compute bounds of all primitives in BVH node + Bounds3 bounds; + for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) + bounds = Union(bounds, objects[i]->getBounds()); + if (objects.size() == 1) { + // Create leaf _BVHBuildNode_ + node->bounds = objects[0]->getBounds(); + node->object = objects[0]; + node->left = nullptr; + node->right = nullptr; + return node; + } + else if (objects.size() == 2) { + node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]}); + node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]}); + + node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); + return node; + } + else { + Bounds3 centroidBounds; + for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) + centroidBounds = + Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid()); + int dim = centroidBounds.maxExtent(); + switch (dim) { + case 0: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().x < + f2->getBounds().Centroid().x; + }); + break; + case 1: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().y < + f2->getBounds().Centroid().y; + }); + break; + case 2: + std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) { + return f1->getBounds().Centroid().z < + f2->getBounds().Centroid().z; + }); + break; + } + + auto beginning = objects.begin(); + auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2); + auto ending = objects.end(); + + auto leftshapes = std::vector(beginning, middling); + auto rightshapes = std::vector(middling, ending); + + assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size())); + + node->left = recursiveBuild(leftshapes); + node->right = recursiveBuild(rightshapes); + + node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); + } + + return node; +} + +Intersection BVHAccel::Intersect(const Ray& ray) const +{ + Intersection isect; + if (!root) + return isect; + isect = BVHAccel::getIntersection(root, ray); + return isect; +} + +Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const +{ + // TODO Traverse the BVH to find intersection + Intersection isect; + + std::array dirIsNeg; + dirIsNeg[0] = int(ray.direction.x >= 0); + dirIsNeg[1] = int(ray.direction.y >= 0); + dirIsNeg[2] = int(ray.direction.z >= 0); + + if (!node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, dirIsNeg)) + { + return isect; + } + + // 叶子节点 + if (node->left == nullptr && node->right == nullptr) + { + isect = node->object->getIntersection(ray); + return isect; + } + + auto hit1 = getIntersection(node->left, ray); + auto hit2 = getIntersection(node->right, ray); + + return hit1.distance < hit2.distance ? hit1 : hit2; +} \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/BVH.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/BVH.hpp new file mode 100644 index 0000000..fd84984 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/BVH.hpp @@ -0,0 +1,68 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_BVH_H +#define RAYTRACING_BVH_H + +#include +#include +#include +#include +#include "Object.hpp" +#include "Ray.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Intersection.hpp" +#include "Vector.hpp" + +struct BVHBuildNode; +// BVHAccel Forward Declarations +struct BVHPrimitiveInfo; + +// BVHAccel Declarations +inline int leafNodes, totalLeafNodes, totalPrimitives, interiorNodes; +class BVHAccel { + +public: + // BVHAccel Public Types + enum class SplitMethod { NAIVE, SAH }; + + // BVHAccel Public Methods + BVHAccel(std::vector p, int maxPrimsInNode = 1, SplitMethod splitMethod = SplitMethod::NAIVE); + Bounds3 WorldBound() const; + ~BVHAccel(); + + Intersection Intersect(const Ray &ray) const; + Intersection getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray)const; + bool IntersectP(const Ray &ray) const; + BVHBuildNode* root; + + // BVHAccel Private Methods + BVHBuildNode* recursiveBuild(std::vectorobjects); + + // BVHAccel Private Data + const int maxPrimsInNode; + const SplitMethod splitMethod; + std::vector primitives; +}; + +struct BVHBuildNode { + Bounds3 bounds; + BVHBuildNode *left; + BVHBuildNode *right; + Object* object; + +public: + int splitAxis=0, firstPrimOffset=0, nPrimitives=0; + // BVHBuildNode Public Methods + BVHBuildNode(){ + bounds = Bounds3(); + left = nullptr;right = nullptr; + object = nullptr; + } +}; + + + + +#endif //RAYTRACING_BVH_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Bounds3.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Bounds3.hpp new file mode 100644 index 0000000..3f679db --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Bounds3.hpp @@ -0,0 +1,134 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_BOUNDS3_H +#define RAYTRACING_BOUNDS3_H +#include "Ray.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include +#include + +class Bounds3 +{ + public: + Vector3f pMin, pMax; // two points to specify the bounding box + Bounds3() + { + double minNum = std::numeric_limits::lowest(); + double maxNum = std::numeric_limits::max(); + pMax = Vector3f(minNum, minNum, minNum); + pMin = Vector3f(maxNum, maxNum, maxNum); + } + Bounds3(const Vector3f p) : pMin(p), pMax(p) {} + Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2) + { + pMin = Vector3f(fmin(p1.x, p2.x), fmin(p1.y, p2.y), fmin(p1.z, p2.z)); + pMax = Vector3f(fmax(p1.x, p2.x), fmax(p1.y, p2.y), fmax(p1.z, p2.z)); + } + + Vector3f Diagonal() const { return pMax - pMin; } + int maxExtent() const + { + Vector3f d = Diagonal(); + if (d.x > d.y && d.x > d.z) + return 0; + else if (d.y > d.z) + return 1; + else + return 2; + } + + double SurfaceArea() const + { + Vector3f d = Diagonal(); + return 2 * (d.x * d.y + d.x * d.z + d.y * d.z); + } + + Vector3f Centroid() { return 0.5 * pMin + 0.5 * pMax; } + Bounds3 Intersect(const Bounds3& b) + { + return Bounds3(Vector3f(fmax(pMin.x, b.pMin.x), fmax(pMin.y, b.pMin.y), + fmax(pMin.z, b.pMin.z)), + Vector3f(fmin(pMax.x, b.pMax.x), fmin(pMax.y, b.pMax.y), + fmin(pMax.z, b.pMax.z))); + } + + Vector3f Offset(const Vector3f& p) const + { + Vector3f o = p - pMin; + if (pMax.x > pMin.x) + o.x /= pMax.x - pMin.x; + if (pMax.y > pMin.y) + o.y /= pMax.y - pMin.y; + if (pMax.z > pMin.z) + o.z /= pMax.z - pMin.z; + return o; + } + + bool Overlaps(const Bounds3& b1, const Bounds3& b2) + { + bool x = (b1.pMax.x >= b2.pMin.x) && (b1.pMin.x <= b2.pMax.x); + bool y = (b1.pMax.y >= b2.pMin.y) && (b1.pMin.y <= b2.pMax.y); + bool z = (b1.pMax.z >= b2.pMin.z) && (b1.pMin.z <= b2.pMax.z); + return (x && y && z); + } + + bool Inside(const Vector3f& p, const Bounds3& b) + { + return (p.x >= b.pMin.x && p.x <= b.pMax.x && p.y >= b.pMin.y && + p.y <= b.pMax.y && p.z >= b.pMin.z && p.z <= b.pMax.z); + } + inline const Vector3f& operator[](int i) const + { + return (i == 0) ? pMin : pMax; + } + + inline bool IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirisNeg) const; +}; + + + +inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirIsNeg) const +{ + // invDir: ray direction(x,y,z), invDir=(1.0/x,1.0/y,1.0/z), use this because Multiply is faster that Division + // dirIsNeg: ray direction(x,y,z), dirIsNeg=[int(x>0),int(y>0),int(z>0)], use this to simplify your logic + // TODO test if ray bound intersects + + const auto& origin = ray.origin; + float tEnter = -std::numeric_limits::infinity(); + float tExit = std::numeric_limits::infinity(); + for (int i = 0; i < 3; i++) + { + float min = (pMin[i] - origin[i]) * invDir[i]; + float max = (pMax[i] - origin[i]) * invDir[i]; + if (!dirIsNeg[i]) + { + std::swap(min, max); + } + tEnter = std::max(min, tEnter); + tExit = std::min(max, tExit); + } + return tEnter < tExit && tExit >= 0; + +} + +inline Bounds3 Union(const Bounds3& b1, const Bounds3& b2) +{ + Bounds3 ret; + ret.pMin = Vector3f::Min(b1.pMin, b2.pMin); + ret.pMax = Vector3f::Max(b1.pMax, b2.pMax); + return ret; +} + +inline Bounds3 Union(const Bounds3& b, const Vector3f& p) +{ + Bounds3 ret; + ret.pMin = Vector3f::Min(b.pMin, p); + ret.pMax = Vector3f::Max(b.pMax, p); + return ret; +} + +#endif // RAYTRACING_BOUNDS3_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Intersection.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Intersection.hpp new file mode 100644 index 0000000..8262fdc --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Intersection.hpp @@ -0,0 +1,29 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_INTERSECTION_H +#define RAYTRACING_INTERSECTION_H +#include "Vector.hpp" +#include "Material.hpp" +class Object; +class Sphere; + +struct Intersection +{ + Intersection(){ + happened=false; + coords=Vector3f(); + normal=Vector3f(); + distance= std::numeric_limits::max(); + obj =nullptr; + m=nullptr; + } + bool happened; + Vector3f coords; + Vector3f normal; + double distance; + Object* obj; + Material* m; +}; +#endif //RAYTRACING_INTERSECTION_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Light.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Light.hpp new file mode 100644 index 0000000..b3610c8 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Light.hpp @@ -0,0 +1,16 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include "Vector.hpp" + +class Light +{ +public: + Light(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : position(p), intensity(i) {} + virtual ~Light() = default; + Vector3f position; + Vector3f intensity; +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Material.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Material.hpp new file mode 100644 index 0000000..be77239 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Material.hpp @@ -0,0 +1,44 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_MATERIAL_H +#define RAYTRACING_MATERIAL_H + +#include "Vector.hpp" + +enum MaterialType { DIFFUSE_AND_GLOSSY, REFLECTION_AND_REFRACTION, REFLECTION }; + +class Material{ +public: + MaterialType m_type; + Vector3f m_color; + Vector3f m_emission; + float ior; + float Kd, Ks; + float specularExponent; + //Texture tex; + + inline Material(MaterialType t=DIFFUSE_AND_GLOSSY, Vector3f c=Vector3f(1,1,1), Vector3f e=Vector3f(0,0,0)); + inline MaterialType getType(); + inline Vector3f getColor(); + inline Vector3f getColorAt(double u, double v); + inline Vector3f getEmission(); + + +}; + +Material::Material(MaterialType t, Vector3f c, Vector3f e){ + m_type = t; + m_color = c; + m_emission = e; +} + +MaterialType Material::getType(){return m_type;} +Vector3f Material::getColor(){return m_color;} +Vector3f Material::getEmission() {return m_emission;} + +Vector3f Material::getColorAt(double u, double v) { + return Vector3f(); +} +#endif //RAYTRACING_MATERIAL_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/OBJ_Loader.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/OBJ_Loader.hpp new file mode 100644 index 0000000..68401ad --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/OBJ_Loader.hpp @@ -0,0 +1,1163 @@ +// OBJ_Loader.h - A Single Header OBJ Model Loader +// This loader is created by Robert Smith. +// https://github.com/Bly7/OBJ-Loader +// Use the MIT license. + +#pragma once + +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +// Print progress to console while loading (large models) +//#define OBJL_CONSOLE_OUTPUT + +// Namespace: OBJL +// +// Description: The namespace that holds eveyrthing that +// is needed and used for the OBJ Model Loader +namespace objl +{ + // Structure: Vector2 + // + // Description: A 2D Vector that Holds Positional Data + struct Vector2 + { + // Default Constructor + Vector2() + { + X = 0.0f; + Y = 0.0f; + } + // Variable Set Constructor + Vector2(float X_, float Y_) + { + X = X_; + Y = Y_; + } + // Bool Equals Operator Overload + bool operator==(const Vector2& other) const + { + return (this->X == other.X && this->Y == other.Y); + } + // Bool Not Equals Operator Overload + bool operator!=(const Vector2& other) const + { + return !(this->X == other.X && this->Y == other.Y); + } + // Addition Operator Overload + Vector2 operator+(const Vector2& right) const + { + return Vector2(this->X + right.X, this->Y + right.Y); + } + // Subtraction Operator Overload + Vector2 operator-(const Vector2& right) const + { + return Vector2(this->X - right.X, this->Y - right.Y); + } + // Float Multiplication Operator Overload + Vector2 operator*(const float& other) const + { + return Vector2(this->X *other, this->Y * other); + } + + // Positional Variables + float X; + float Y; + }; + + // Structure: Vector3 + // + // Description: A 3D Vector that Holds Positional Data + struct Vector3 + { + // Default Constructor + Vector3() + { + X = 0.0f; + Y = 0.0f; + Z = 0.0f; + } + // Variable Set Constructor + Vector3(float X_, float Y_, float Z_) + { + X = X_; + Y = Y_; + Z = Z_; + } + // Bool Equals Operator Overload + bool operator==(const Vector3& other) const + { + return (this->X == other.X && this->Y == other.Y && this->Z == other.Z); + } + // Bool Not Equals Operator Overload + bool operator!=(const Vector3& other) const + { + return !(this->X == other.X && this->Y == other.Y && this->Z == other.Z); + } + // Addition Operator Overload + Vector3 operator+(const Vector3& right) const + { + return Vector3(this->X + right.X, this->Y + right.Y, this->Z + right.Z); + } + // Subtraction Operator Overload + Vector3 operator-(const Vector3& right) const + { + return Vector3(this->X - right.X, this->Y - right.Y, this->Z - right.Z); + } + // Float Multiplication Operator Overload + Vector3 operator*(const float& other) const + { + return Vector3(this->X * other, this->Y * other, this->Z * other); + } + // Float Division Operator Overload + Vector3 operator/(const float& other) const + { + return Vector3(this->X / other, this->Y / other, this->Z / other); + } + + // Positional Variables + float X; + float Y; + float Z; + }; + + // Structure: Vertex + // + // Description: Model Vertex object that holds + // a Position, Normal, and Texture Coordinate + struct Vertex + { + // Position Vector + Vector3 Position; + + // Normal Vector + Vector3 Normal; + + // Texture Coordinate Vector + Vector2 TextureCoordinate; + }; + + struct Material + { + Material() + { + name = ""; + Ns = 0.0f; + Ni = 0.0f; + d = 0.0f; + illum = 0; + } + + // Material Name + std::string name; + // Ambient Color + Vector3 Ka; + // Diffuse Color + Vector3 Kd; + // Specular Color + Vector3 Ks; + // Specular Exponent + float Ns; + // Optical Density + float Ni; + // Dissolve + float d; + // Illumination + int illum; + // Ambient Texture Map + std::string map_Ka; + // Diffuse Texture Map + std::string map_Kd; + // Specular Texture Map + std::string map_Ks; + // Specular Hightlight Map + std::string map_Ns; + // Alpha Texture Map + std::string map_d; + // Bump Map + std::string map_bump; + }; + + // Structure: Mesh + // + // Description: A Simple Mesh Object that holds + // a name, a vertex list, and an index list + struct Mesh + { + // Default Constructor + Mesh() + { + + } + // Variable Set Constructor + Mesh(std::vector& _Vertices, std::vector& _Indices) + { + Vertices = _Vertices; + Indices = _Indices; + MeshMaterial = std::nullopt; + } + // Mesh Name + std::string MeshName; + // Vertex List + std::vector Vertices; + // Index List + std::vector Indices; + + // Material + std::optional MeshMaterial; + }; + + // Namespace: Math + // + // Description: The namespace that holds all of the math + // functions need for OBJL + namespace math + { + // Vector3 Cross Product + Vector3 CrossV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + return Vector3(a.Y * b.Z - a.Z * b.Y, + a.Z * b.X - a.X * b.Z, + a.X * b.Y - a.Y * b.X); + } + + // Vector3 Magnitude Calculation + float MagnitudeV3(const Vector3 in) + { + return (sqrtf(powf(in.X, 2) + powf(in.Y, 2) + powf(in.Z, 2))); + } + + // Vector3 DotProduct + float DotV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + return (a.X * b.X) + (a.Y * b.Y) + (a.Z * b.Z); + } + + // Angle between 2 Vector3 Objects + float AngleBetweenV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + float angle = DotV3(a, b); + angle /= (MagnitudeV3(a) * MagnitudeV3(b)); + return angle = acosf(angle); + } + + // Projection Calculation of a onto b + Vector3 ProjV3(const Vector3 a, const Vector3 b) + { + Vector3 bn = b / MagnitudeV3(b); + return bn * DotV3(a, bn); + } + } + + // Namespace: Algorithm + // + // Description: The namespace that holds all of the + // Algorithms needed for OBJL + namespace algorithm + { + // Vector3 Multiplication Opertor Overload + Vector3 operator*(const float& left, const Vector3& right) + { + return Vector3(right.X * left, right.Y * left, right.Z * left); + } + + // A test to see if P1 is on the same side as P2 of a line segment ab + bool SameSide(Vector3 p1, Vector3 p2, Vector3 a, Vector3 b) + { + Vector3 cp1 = math::CrossV3(b - a, p1 - a); + Vector3 cp2 = math::CrossV3(b - a, p2 - a); + + if (math::DotV3(cp1, cp2) >= 0) + return true; + else + return false; + } + + // Generate a cross produect normal for a triangle + Vector3 GenTriNormal(Vector3 t1, Vector3 t2, Vector3 t3) + { + Vector3 u = t2 - t1; + Vector3 v = t3 - t1; + + Vector3 normal = math::CrossV3(u,v); + + return normal; + } + + // Check to see if a Vector3 Point is within a 3 Vector3 Triangle + bool inTriangle(Vector3 point, Vector3 tri1, Vector3 tri2, Vector3 tri3) + { + // Test to see if it is within an infinite prism that the triangle outlines. + bool within_tri_prisim = SameSide(point, tri1, tri2, tri3) && SameSide(point, tri2, tri1, tri3) + && SameSide(point, tri3, tri1, tri2); + + // If it isn't it will never be on the triangle + if (!within_tri_prisim) + return false; + + // Calulate Triangle's Normal + Vector3 n = GenTriNormal(tri1, tri2, tri3); + + // Project the point onto this normal + Vector3 proj = math::ProjV3(point, n); + + // If the distance from the triangle to the point is 0 + // it lies on the triangle + if (math::MagnitudeV3(proj) == 0) + return true; + else + return false; + } + + // Split a String into a string array at a given token + inline void split(const std::string &in, + std::vector &out, + std::string token) + { + out.clear(); + + std::string temp; + + for (int i = 0; i < int(in.size()); i++) + { + std::string test = in.substr(i, token.size()); + + if (test == token) + { + if (!temp.empty()) + { + out.push_back(temp); + temp.clear(); + i += (int)token.size() - 1; + } + else + { + out.push_back(""); + } + } + else if (i + token.size() >= in.size()) + { + temp += in.substr(i, token.size()); + out.push_back(temp); + break; + } + else + { + temp += in[i]; + } + } + } + + // Get tail of string after first token and possibly following spaces + inline std::string tail(const std::string &in) + { + size_t token_start = in.find_first_not_of(" \t"); + size_t space_start = in.find_first_of(" \t", token_start); + size_t tail_start = in.find_first_not_of(" \t", space_start); + size_t tail_end = in.find_last_not_of(" \t"); + if (tail_start != std::string::npos && tail_end != std::string::npos) + { + return in.substr(tail_start, tail_end - tail_start + 1); + } + else if (tail_start != std::string::npos) + { + return in.substr(tail_start); + } + return ""; + } + + // Get first token of string + inline std::string firstToken(const std::string &in) + { + if (!in.empty()) + { + size_t token_start = in.find_first_not_of(" \t"); + size_t token_end = in.find_first_of(" \t", token_start); + if (token_start != std::string::npos && token_end != std::string::npos) + { + return in.substr(token_start, token_end - token_start); + } + else if (token_start != std::string::npos) + { + return in.substr(token_start); + } + } + return ""; + } + + // Get element at given index position + template + inline const T & getElement(const std::vector &elements, std::string &index) + { + int idx = std::stoi(index); + if (idx < 0) + idx = int(elements.size()) + idx; + else + idx--; + return elements[idx]; + } + } + + // Class: Loader + // + // Description: The OBJ Model Loader + class Loader + { + public: + // Default Constructor + Loader() + { + + } + ~Loader() + { + LoadedMeshes.clear(); + } + + // Load a file into the loader + // + // If file is loaded return true + // + // If the file is unable to be found + // or unable to be loaded return false + bool LoadFile(std::string Path) + { + // If the file is not an .obj file return false + if (Path.substr(Path.size() - 4, 4) != ".obj") + return false; + + + std::ifstream file(Path); + + if (!file.is_open()) + return false; + + LoadedMeshes.clear(); + LoadedVertices.clear(); + LoadedIndices.clear(); + + std::vector Positions; + std::vector TCoords; + std::vector Normals; + + std::vector Vertices; + std::vector Indices; + + std::vector MeshMatNames; + + bool listening = false; + std::string meshname; + + Mesh tempMesh; + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + const unsigned int outputEveryNth = 1000; + unsigned int outputIndicator = outputEveryNth; +#endif + + std::string curline; + while (std::getline(file, curline)) + { +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + if ((outputIndicator = ((outputIndicator + 1) % outputEveryNth)) == 1) + { + if (!meshname.empty()) + { + std::cout + << "\r- " << meshname + << "\t| vertices > " << Positions.size() + << "\t| texcoords > " << TCoords.size() + << "\t| normals > " << Normals.size() + << "\t| triangles > " << (Vertices.size() / 3) + << (!MeshMatNames.empty() ? "\t| material: " + MeshMatNames.back() : ""); + } + } +#endif + + // Generate a Mesh Object or Prepare for an object to be created + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g" || curline[0] == 'g') + { + if (!listening) + { + listening = true; + + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g") + { + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + meshname = "unnamed"; + } + } + else + { + // Generate the mesh to put into the array + + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + + // Cleanup + Vertices.clear(); + Indices.clear(); + meshname.clear(); + + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + if (algorithm::firstToken(curline) == "o" || algorithm::firstToken(curline) == "g") + { + meshname = algorithm::tail(curline); + } + else + { + meshname = "unnamed"; + } + } + } +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl; + outputIndicator = 0; +#endif + } + // Generate a Vertex Position + if (algorithm::firstToken(curline) == "v") + { + std::vector spos; + Vector3 vpos; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), spos, " "); + + vpos.X = std::stof(spos[0]); + vpos.Y = std::stof(spos[1]); + vpos.Z = std::stof(spos[2]); + + Positions.push_back(vpos); + } + // Generate a Vertex Texture Coordinate + if (algorithm::firstToken(curline) == "vt") + { + std::vector stex; + Vector2 vtex; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), stex, " "); + + vtex.X = std::stof(stex[0]); + vtex.Y = std::stof(stex[1]); + + TCoords.push_back(vtex); + } + // Generate a Vertex Normal; + if (algorithm::firstToken(curline) == "vn") + { + std::vector snor; + Vector3 vnor; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), snor, " "); + + vnor.X = std::stof(snor[0]); + vnor.Y = std::stof(snor[1]); + vnor.Z = std::stof(snor[2]); + + Normals.push_back(vnor); + } + // Generate a Face (vertices & indices) + if (algorithm::firstToken(curline) == "f") + { + // Generate the vertices + std::vector vVerts; + GenVerticesFromRawOBJ(vVerts, Positions, TCoords, Normals, curline); + + // Add Vertices + for (int i = 0; i < int(vVerts.size()); i++) + { + Vertices.push_back(vVerts[i]); + + LoadedVertices.push_back(vVerts[i]); + } + + std::vector iIndices; + + VertexTriangluation(iIndices, vVerts); + + // Add Indices + for (int i = 0; i < int(iIndices.size()); i++) + { + unsigned int indnum = (unsigned int)((Vertices.size()) - vVerts.size()) + iIndices[i]; + Indices.push_back(indnum); + + indnum = (unsigned int)((LoadedVertices.size()) - vVerts.size()) + iIndices[i]; + LoadedIndices.push_back(indnum); + + } + } + // Get Mesh Material Name + if (algorithm::firstToken(curline) == "usemtl") + { + MeshMatNames.push_back(algorithm::tail(curline)); + + // Create new Mesh, if Material changes within a group + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + int i = 2; + while(1) { + tempMesh.MeshName = meshname + "_" + std::to_string(i); + + for (auto &m : LoadedMeshes) + if (m.MeshName == tempMesh.MeshName) + continue; + break; + } + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + + // Cleanup + Vertices.clear(); + Indices.clear(); + } + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + outputIndicator = 0; +#endif + } + // Load Materials + if (algorithm::firstToken(curline) == "mtllib") + { + // Generate LoadedMaterial + + // Generate a path to the material file + std::vector temp; + algorithm::split(Path, temp, "/"); + + std::string pathtomat = ""; + + if (temp.size() != 1) + { + for (int i = 0; i < temp.size() - 1; i++) + { + pathtomat += temp[i] + "/"; + } + } + + + pathtomat += algorithm::tail(curline); + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl << "- find materials in: " << pathtomat << std::endl; +#endif + + // Load Materials + LoadMaterials(pathtomat); + } + } + +#ifdef OBJL_CONSOLE_OUTPUT + std::cout << std::endl; +#endif + + // Deal with last mesh + + if (!Indices.empty() && !Vertices.empty()) + { + // Create Mesh + tempMesh = Mesh(Vertices, Indices); + tempMesh.MeshName = meshname; + + // Insert Mesh + LoadedMeshes.push_back(tempMesh); + } + + file.close(); + + // Set Materials for each Mesh + for (int i = 0; i < MeshMatNames.size(); i++) + { + std::string matname = MeshMatNames[i]; + + // Find corresponding material name in loaded materials + // when found copy material variables into mesh material + for (int j = 0; j < LoadedMaterials.size(); j++) + { + if (LoadedMaterials[j].name == matname) + { + LoadedMeshes[i].MeshMaterial = LoadedMaterials[j]; + break; + } + } + } + + if (LoadedMeshes.empty() && LoadedVertices.empty() && LoadedIndices.empty()) + { + return false; + } + else + { + return true; + } + } + + // Loaded Mesh Objects + std::vector LoadedMeshes; + // Loaded Vertex Objects + std::vector LoadedVertices; + // Loaded Index Positions + std::vector LoadedIndices; + // Loaded Material Objects + std::vector LoadedMaterials; + + private: + // Generate vertices from a list of positions, + // tcoords, normals and a face line + void GenVerticesFromRawOBJ(std::vector& oVerts, + const std::vector& iPositions, + const std::vector& iTCoords, + const std::vector& iNormals, + std::string icurline) + { + std::vector sface, svert; + Vertex vVert; + algorithm::split(algorithm::tail(icurline), sface, " "); + + bool noNormal = false; + + // For every given vertex do this + for (int i = 0; i < int(sface.size()); i++) + { + // See What type the vertex is. + int vtype; + + algorithm::split(sface[i], svert, "/"); + + // Check for just position - v1 + if (svert.size() == 1) + { + // Only position + vtype = 1; + } + + // Check for position & texture - v1/vt1 + if (svert.size() == 2) + { + // Position & Texture + vtype = 2; + } + + // Check for Position, Texture and Normal - v1/vt1/vn1 + // or if Position and Normal - v1//vn1 + if (svert.size() == 3) + { + if (svert[1] != "") + { + // Position, Texture, and Normal + vtype = 4; + } + else + { + // Position & Normal + vtype = 3; + } + } + + // Calculate and store the vertex + switch (vtype) + { + case 1: // P + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = Vector2(0, 0); + noNormal = true; + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 2: // P/T + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = algorithm::getElement(iTCoords, svert[1]); + noNormal = true; + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 3: // P//N + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = Vector2(0, 0); + vVert.Normal = algorithm::getElement(iNormals, svert[2]); + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + case 4: // P/T/N + { + vVert.Position = algorithm::getElement(iPositions, svert[0]); + vVert.TextureCoordinate = algorithm::getElement(iTCoords, svert[1]); + vVert.Normal = algorithm::getElement(iNormals, svert[2]); + oVerts.push_back(vVert); + break; + } + default: + { + break; + } + } + } + + // take care of missing normals + // these may not be truly acurate but it is the + // best they get for not compiling a mesh with normals + if (noNormal) + { + Vector3 A = oVerts[0].Position - oVerts[1].Position; + Vector3 B = oVerts[2].Position - oVerts[1].Position; + + Vector3 normal = math::CrossV3(A, B); + + for (int i = 0; i < int(oVerts.size()); i++) + { + oVerts[i].Normal = normal; + } + } + } + + // Triangulate a list of vertices into a face by printing + // inducies corresponding with triangles within it + void VertexTriangluation(std::vector& oIndices, + const std::vector& iVerts) + { + // If there are 2 or less verts, + // no triangle can be created, + // so exit + if (iVerts.size() < 3) + { + return; + } + // If it is a triangle no need to calculate it + if (iVerts.size() == 3) + { + oIndices.push_back(0); + oIndices.push_back(1); + oIndices.push_back(2); + return; + } + + // Create a list of vertices + std::vector tVerts = iVerts; + + while (true) + { + // For every vertex + for (int i = 0; i < int(tVerts.size()); i++) + { + // pPrev = the previous vertex in the list + Vertex pPrev; + if (i == 0) + { + pPrev = tVerts[tVerts.size() - 1]; + } + else + { + pPrev = tVerts[i - 1]; + } + + // pCur = the current vertex; + Vertex pCur = tVerts[i]; + + // pNext = the next vertex in the list + Vertex pNext; + if (i == tVerts.size() - 1) + { + pNext = tVerts[0]; + } + else + { + pNext = tVerts[i + 1]; + } + + // Check to see if there are only 3 verts left + // if so this is the last triangle + if (tVerts.size() == 3) + { + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + tVerts.clear(); + break; + } + if (tVerts.size() == 4) + { + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + Vector3 tempVec; + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (tVerts[j].Position != pCur.Position + && tVerts[j].Position != pPrev.Position + && tVerts[j].Position != pNext.Position) + { + tempVec = tVerts[j].Position; + break; + } + } + + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == tempVec) + oIndices.push_back(j); + } + + tVerts.clear(); + break; + } + + // If Vertex is not an interior vertex + float angle = math::AngleBetweenV3(pPrev.Position - pCur.Position, pNext.Position - pCur.Position) * (180 / 3.14159265359); + if (angle <= 0 && angle >= 180) + continue; + + // If any vertices are within this triangle + bool inTri = false; + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (algorithm::inTriangle(iVerts[j].Position, pPrev.Position, pCur.Position, pNext.Position) + && iVerts[j].Position != pPrev.Position + && iVerts[j].Position != pCur.Position + && iVerts[j].Position != pNext.Position) + { + inTri = true; + break; + } + } + if (inTri) + continue; + + // Create a triangle from pCur, pPrev, pNext + for (int j = 0; j < int(iVerts.size()); j++) + { + if (iVerts[j].Position == pCur.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pPrev.Position) + oIndices.push_back(j); + if (iVerts[j].Position == pNext.Position) + oIndices.push_back(j); + } + + // Delete pCur from the list + for (int j = 0; j < int(tVerts.size()); j++) + { + if (tVerts[j].Position == pCur.Position) + { + tVerts.erase(tVerts.begin() + j); + break; + } + } + + // reset i to the start + // -1 since loop will add 1 to it + i = -1; + } + + // if no triangles were created + if (oIndices.size() == 0) + break; + + // if no more vertices + if (tVerts.size() == 0) + break; + } + } + + // Load Materials from .mtl file + bool LoadMaterials(std::string path) + { + // If the file is not a material file return false + if (path.substr(path.size() - 4, path.size()) != ".mtl") + return false; + + std::ifstream file(path); + + // If the file is not found return false + if (!file.is_open()) + return false; + + Material tempMaterial; + + bool listening = false; + + // Go through each line looking for material variables + std::string curline; + while (std::getline(file, curline)) + { + // new material and material name + if (algorithm::firstToken(curline) == "newmtl") + { + if (!listening) + { + listening = true; + + if (curline.size() > 7) + { + tempMaterial.name = algorithm::tail(curline); + } + else + { + tempMaterial.name = "none"; + } + } + else + { + // Generate the material + + // Push Back loaded Material + LoadedMaterials.push_back(tempMaterial); + + // Clear Loaded Material + tempMaterial = Material(); + + if (curline.size() > 7) + { + tempMaterial.name = algorithm::tail(curline); + } + else + { + tempMaterial.name = "none"; + } + } + } + // Ambient Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ka") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Ka.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Ka.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Ka.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Diffuse Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Kd") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Kd.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Kd.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Kd.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Specular Color + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ks") + { + std::vector temp; + algorithm::split(algorithm::tail(curline), temp, " "); + + if (temp.size() != 3) + continue; + + tempMaterial.Ks.X = std::stof(temp[0]); + tempMaterial.Ks.Y = std::stof(temp[1]); + tempMaterial.Ks.Z = std::stof(temp[2]); + } + // Specular Exponent + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ns") + { + tempMaterial.Ns = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Optical Density + if (algorithm::firstToken(curline) == "Ni") + { + tempMaterial.Ni = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Dissolve + if (algorithm::firstToken(curline) == "d") + { + tempMaterial.d = std::stof(algorithm::tail(curline)); + } + // Illumination + if (algorithm::firstToken(curline) == "illum") + { + tempMaterial.illum = std::stoi(algorithm::tail(curline)); + } + // Ambient Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ka") + { + tempMaterial.map_Ka = algorithm::tail(curline); + } + // Diffuse Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Kd") + { + tempMaterial.map_Kd = algorithm::tail(curline); + } + // Specular Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ks") + { + tempMaterial.map_Ks = algorithm::tail(curline); + } + // Specular Hightlight Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Ns") + { + tempMaterial.map_Ns = algorithm::tail(curline); + } + // Alpha Texture Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_d") + { + tempMaterial.map_d = algorithm::tail(curline); + } + // Bump Map + if (algorithm::firstToken(curline) == "map_Bump" || algorithm::firstToken(curline) == "map_bump" || algorithm::firstToken(curline) == "bump") + { + tempMaterial.map_bump = algorithm::tail(curline); + } + } + + // Deal with last material + + // Push Back loaded Material + LoadedMaterials.push_back(tempMaterial); + + // Test to see if anything was loaded + // If not return false + if (LoadedMaterials.empty()) + return false; + // If so return true + else + return true; + } + }; +} diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Object.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Object.hpp new file mode 100644 index 0000000..da7ce54 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Object.hpp @@ -0,0 +1,29 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// +#pragma once +#ifndef RAYTRACING_OBJECT_H +#define RAYTRACING_OBJECT_H + +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Ray.hpp" +#include "Intersection.hpp" + +class Object +{ +public: + Object() {} + virtual ~Object() {} + virtual bool intersect(const Ray& ray) = 0; + virtual bool intersect(const Ray& ray, float &, uint32_t &) const = 0; + virtual Intersection getIntersection(Ray _ray) = 0; + virtual void getSurfaceProperties(const Vector3f &, const Vector3f &, const uint32_t &, const Vector2f &, Vector3f &, Vector2f &) const = 0; + virtual Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f &) const =0; + virtual Bounds3 getBounds()=0; +}; + + + +#endif //RAYTRACING_OBJECT_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/README.md b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/README.md new file mode 100644 index 0000000..abdcb2b --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/README.md @@ -0,0 +1,106 @@ +# GAMES101->assignment6 + +项目地址：[GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/Whitted Style Ray Tracing Accelerate at 作业1 · logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph (github.com)](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/作业1/Whitted Style Ray Tracing Accelerate) + +## 包围盒求交 + +```C++ +inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir, + const std::array& dirIsNeg) const +{ + // invDir: ray direction(x,y,z), invDir=(1.0/x,1.0/y,1.0/z), use this because Multiply is faster that Division + // dirIsNeg: ray direction(x,y,z), dirIsNeg=[int(x>0),int(y>0),int(z>0)], use this to simplify your logic + // TODO test if ray bound intersects + + const auto& origin = ray.origin; + float tEnter = -std::numeric_limits::infinity(); + float tExit = std::numeric_limits::infinity(); + for (int i = 0; i < 3; i++) + { + float min = (pMin[i] - origin[i]) * invDir[i]; + float max = (pMax[i] - origin[i]) * invDir[i]; + if (!dirIsNeg[i]) + { + std::swap(min, max); + } + tEnter = std::max(min, tEnter); + tExit = std::min(max, tExit); + } + return tEnter < tExit && tExit >= 0; + +} +``` + +## BVH加速光线与场景求交 + +```C++ +Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const +{ + // TODO Traverse the BVH to find intersection + Intersection isect; + + std::array dirIsNeg; + dirIsNeg[0] = int(ray.direction.x >= 0); + dirIsNeg[1] = int(ray.direction.y >= 0); + dirIsNeg[2] = int(ray.direction.z >= 0); + + if (!node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, dirIsNeg)) + { + return isect; + } + + // 叶子节点 + if (node->left == nullptr && node->right == nullptr) + { + isect = node->object->getIntersection(ray); + return isect; + } + + auto hit1 = getIntersection(node->left, ray); + auto hit2 = getIntersection(node->right, ray); + + return hit1.distance < hit2.distance ? hit1 : hit2; +} +``` + +```C++ +inline Intersection Triangle::getIntersection(Ray ray) +{ + // TODO find ray triangle intersection + Intersection inter; + + Vector3f e1 = v1 - v0; + Vector3f e2 = v2 - v0; + Vector3f s0 = ray.origin - v0; + Vector3f s1 = crossProduct(ray.direction, e2); + Vector3f s2 = crossProduct(s0, e1); + + Vector3f s = Vector3f(dotProduct(s2, e2), dotProduct(s1, s0), dotProduct(s2, ray.direction)) / dotProduct(s1, e1); + float tnear = s.x; + float u = s.y; + float v = s.z; + + if (tnear >= 0 && u >= 0 && v >= 0 && (u + v) <= 1) + { + + inter.happened = true; + inter.coords = Vector3f(tnear, u, v); + inter.normal = normal; + inter.m = m; + inter.obj = this; + inter.distance = tnear; + return inter; + } + return inter; +} +``` + + + +## 结果图 + +![image-20210803124001019](https://i.loli.net/2021/08/03/qlGxRXJtf6yiLAu.png) + +![image-20210803124014305](https://i.loli.net/2021/08/03/tMxp7jXZIo19UAS.png) + +![image-20210803124032622](https://i.loli.net/2021/08/03/18VP3oIncfpRA5H.png) \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Ray.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Ray.hpp new file mode 100644 index 0000000..b6139b5 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Ray.hpp @@ -0,0 +1,29 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/16/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_RAY_H +#define RAYTRACING_RAY_H +#include "Vector.hpp" +struct Ray{ + //Destination = origin + t*direction + Vector3f origin; + Vector3f direction, direction_inv; + double t;//transportation time, + double t_min, t_max; + + Ray(const Vector3f& ori, const Vector3f& dir, const double _t = 0.0): origin(ori), direction(dir),t(_t) { + direction_inv = Vector3f(1./direction.x, 1./direction.y, 1./direction.z); + t_min = 0.0; + t_max = std::numeric_limits::max(); + + } + + Vector3f operator()(double t) const{return origin+direction*t;} + + friend std::ostream &operator<<(std::ostream& os, const Ray& r){ + os<<"[origin:="< +#include "Scene.hpp" +#include "Renderer.hpp" + + +inline float deg2rad(const float& deg) { return deg * M_PI / 180.0; } + +const float EPSILON = 0.00001; + +// The main render function. This where we iterate over all pixels in the image, +// generate primary rays and cast these rays into the scene. The content of the +// framebuffer is saved to a file. +void Renderer::Render(const Scene& scene) +{ + std::vector framebuffer(scene.width * scene.height); + + float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5)); + float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height; + Vector3f eye_pos(-1, 5, 10); + int m = 0; + for (uint32_t j = 0; j < scene.height; ++j) { + for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) { + // generate primary ray direction + // Screen space to NDC space + float nx = (i + 0.5f) * 2 / scene.width - 1.0f; + float ny = (j + 0.5f) * 2 / scene.height - 1.0f; + + // NDC space to world space + + // Project matrix + /* + * [ n/r ,0 ,0 ,0 ] + * [ 0 ,n/t ,0 ,0 ] + * [ 0 ,0 ,n+f/n-f ,2nf/f-n] + * [ 0 ,0 ,1 ,0 ] + */ + + // + // ͶӰ x ϵΪ n/r + // ͶӰ y ϵΪ n/t + // Ҫһ NDCռֱͶӰеϵ + // x = nx / n / r + // y = ny / n / t + // n(ͶӰΪ ĬΪ1 + // => + // x = nx * r + // y = ny * t + // r = tan(fov/2)*aspect * |n| t=tan(fov/2) * |n| , |n| = 1 + // Կɵ,ռΪ + // x = nx * tan(fov/2)*aspect + // y = ny * tan(fov/2)*aspect + + float x = nx * scale * imageAspectRatio; + float y = -ny * scale; + + + Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // Don't forget to normalize this direction! + dir = normalize(dir); + Ray ray(eye_pos, dir); + framebuffer[m++] = scene.castRay(ray, 0); + + } + UpdateProgress(j / (float)scene.height); + } + UpdateProgress(1.f); + + // save framebuffer to file + FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb"); + (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height); + for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) { + static unsigned char color[3]; + color[0] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x)); + color[1] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y)); + color[2] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z)); + fwrite(color, 1, 3, fp); + } + fclose(fp); +} diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Renderer.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Renderer.hpp new file mode 100644 index 0000000..4fefd05 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Renderer.hpp @@ -0,0 +1,21 @@ +// +// Created by goksu on 2/25/20. +// +#include "Scene.hpp" + +#pragma once +struct hit_payload +{ + float tNear; + uint32_t index; + Vector2f uv; + Object* hit_obj; +}; + +class Renderer +{ +public: + void Render(const Scene& scene); + +private: +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Scene.cpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Scene.cpp new file mode 100644 index 0000000..26bfe61 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Scene.cpp @@ -0,0 +1,146 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#include "Scene.hpp" + + +void Scene::buildBVH() { + printf(" - Generating BVH...\n\n"); + this->bvh = new BVHAccel(objects, 1, BVHAccel::SplitMethod::NAIVE); +} + +Intersection Scene::intersect(const Ray &ray) const +{ + return this->bvh->Intersect(ray); +} + +bool Scene::trace( + const Ray &ray, + const std::vector &objects, + float &tNear, uint32_t &index, Object **hitObject) +{ + *hitObject = nullptr; + for (uint32_t k = 0; k < objects.size(); ++k) { + float tNearK = kInfinity; + uint32_t indexK; + Vector2f uvK; + if (objects[k]->intersect(ray, tNearK, indexK) && tNearK < tNear) { + *hitObject = objects[k]; + tNear = tNearK; + index = indexK; + } + } + + + return (*hitObject != nullptr); +} + +// Implementation of the Whitted-syle light transport algorithm (E [S*] (D|G) L) +// +// This function is the function that compute the color at the intersection point +// of a ray defined by a position and a direction. Note that thus function is recursive (it calls itself). +// +// If the material of the intersected object is either reflective or reflective and refractive, +// then we compute the reflection/refracton direction and cast two new rays into the scene +// by calling the castRay() function recursively. When the surface is transparent, we mix +// the reflection and refraction color using the result of the fresnel equations (it computes +// the amount of reflection and refractin depending on the surface normal, incident view direction +// and surface refractive index). +// +// If the surface is duffuse/glossy we use the Phong illumation model to compute the color +// at the intersection point. +Vector3f Scene::castRay(const Ray &ray, int depth) const +{ + if (depth > this->maxDepth) { + return Vector3f(0.0,0.0,0.0); + } + Intersection intersection = Scene::intersect(ray); + Material *m = intersection.m; + Object *hitObject = intersection.obj; + Vector3f hitColor = this->backgroundColor; +// float tnear = kInfinity; + Vector2f uv; + uint32_t index = 0; + if(intersection.happened) { + + Vector3f hitPoint = intersection.coords; + Vector3f N = intersection.normal; // normal + Vector2f st; // st coordinates + hitObject->getSurfaceProperties(hitPoint, ray.direction, index, uv, N, st); +// Vector3f tmp = hitPoint; + switch (m->getType()) { + case REFLECTION_AND_REFRACTION: + { + Vector3f reflectionDirection = normalize(reflect(ray.direction, N)); + Vector3f refractionDirection = normalize(refract(ray.direction, N, m->ior)); + Vector3f reflectionRayOrig = (dotProduct(reflectionDirection, N) < 0) ? + hitPoint - N * EPSILON : + hitPoint + N * EPSILON; + Vector3f refractionRayOrig = (dotProduct(refractionDirection, N) < 0) ? + hitPoint - N * EPSILON : + hitPoint + N * EPSILON; + Vector3f reflectionColor = castRay(Ray(reflectionRayOrig, reflectionDirection), depth + 1); + Vector3f refractionColor = castRay(Ray(refractionRayOrig, refractionDirection), depth + 1); + float kr; + fresnel(ray.direction, N, m->ior, kr); + hitColor = reflectionColor * kr + refractionColor * (1 - kr); + break; + } + case REFLECTION: + { + float kr; + fresnel(ray.direction, N, m->ior, kr); + Vector3f reflectionDirection = reflect(ray.direction, N); + Vector3f reflectionRayOrig = (dotProduct(reflectionDirection, N) < 0) ? + hitPoint + N * EPSILON : + hitPoint - N * EPSILON; + hitColor = castRay(Ray(reflectionRayOrig, reflectionDirection),depth + 1) * kr; + break; + } + default: + { + // [comment] + // We use the Phong illumation model int the default case. The phong model + // is composed of a diffuse and a specular reflection component. + // [/comment] + Vector3f lightAmt = 0, specularColor = 0; + Vector3f shadowPointOrig = (dotProduct(ray.direction, N) < 0) ? + hitPoint + N * EPSILON : + hitPoint - N * EPSILON; + // [comment] + // Loop over all lights in the scene and sum their contribution up + // We also apply the lambert cosine law + // [/comment] + for (uint32_t i = 0; i < get_lights().size(); ++i) + { + auto area_ptr = dynamic_cast(this->get_lights()[i].get()); + if (area_ptr) + { + // Do nothing for this assignment + } + else + { + Vector3f lightDir = get_lights()[i]->position - hitPoint; + // square of the distance between hitPoint and the light + float lightDistance2 = dotProduct(lightDir, lightDir); + lightDir = normalize(lightDir); + float LdotN = std::max(0.f, dotProduct(lightDir, N)); + Object *shadowHitObject = nullptr; + float tNearShadow = kInfinity; + // is the point in shadow, and is the nearest occluding object closer to the object than the light itself? + bool inShadow = bvh->Intersect(Ray(shadowPointOrig, lightDir)).happened; + lightAmt += (1 - inShadow) * get_lights()[i]->intensity * LdotN; + Vector3f reflectionDirection = reflect(-lightDir, N); + specularColor += powf(std::max(0.f, -dotProduct(reflectionDirection, ray.direction)), + m->specularExponent) * get_lights()[i]->intensity; + } + } + hitColor = lightAmt * (hitObject->evalDiffuseColor(st) * m->Kd + specularColor * m->Ks); + break; + } + } + } + + return hitColor; +} \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Scene.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Scene.hpp new file mode 100644 index 0000000..3eb2f40 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Scene.hpp @@ -0,0 +1,110 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#pragma once + +#include +#include "Vector.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "AreaLight.hpp" +#include "BVH.hpp" +#include "Ray.hpp" + + +class Scene +{ +public: + // setting up options + int width = 1280; + int height = 960; + double fov = 90; + Vector3f backgroundColor = Vector3f(0.235294, 0.67451, 0.843137); + int maxDepth = 5; + + Scene(int w, int h) : width(w), height(h) + {} + + void Add(Object *object) { objects.push_back(object); } + void Add(std::unique_ptr light) { lights.push_back(std::move(light)); } + + const std::vector& get_objects() const { return objects; } + const std::vector >& get_lights() const { return lights; } + Intersection intersect(const Ray& ray) const; + BVHAccel *bvh; + void buildBVH(); + Vector3f castRay(const Ray &ray, int depth) const; + bool trace(const Ray &ray, const std::vector &objects, float &tNear, uint32_t &index, Object **hitObject); + std::tuple HandleAreaLight(const AreaLight &light, const Vector3f &hitPoint, const Vector3f &N, + const Vector3f &shadowPointOrig, + const std::vector &objects, uint32_t &index, + const Vector3f &dir, float specularExponent); + + // creating the scene (adding objects and lights) + std::vector objects; + std::vector > lights; + + // Compute reflection direction + Vector3f reflect(const Vector3f &I, const Vector3f &N) const + { + return I - 2 * dotProduct(I, N) * N; + } + + + +// Compute refraction direction using Snell's law +// +// We need to handle with care the two possible situations: +// +// - When the ray is inside the object +// +// - When the ray is outside. +// +// If the ray is outside, you need to make cosi positive cosi = -N.I +// +// If the ray is inside, you need to invert the refractive indices and negate the normal N + Vector3f refract(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + Vector3f n = N; + if (cosi < 0) { cosi = -cosi; } else { std::swap(etai, etat); n= -N; } + float eta = etai / etat; + float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi); + return k < 0 ? 0 : eta * I + (eta * cosi - sqrtf(k)) * n; + } + + + + // Compute Fresnel equation +// +// \param I is the incident view direction +// +// \param N is the normal at the intersection point +// +// \param ior is the material refractive index +// +// \param[out] kr is the amount of light reflected + void fresnel(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior, float &kr) const + { + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + if (cosi > 0) { std::swap(etai, etat); } + // Compute sini using Snell's law + float sint = etai / etat * sqrtf(std::max(0.f, 1 - cosi * cosi)); + // Total internal reflection + if (sint >= 1) { + kr = 1; + } + else { + float cost = sqrtf(std::max(0.f, 1 - sint * sint)); + cosi = fabsf(cosi); + float Rs = ((etat * cosi) - (etai * cost)) / ((etat * cosi) + (etai * cost)); + float Rp = ((etai * cosi) - (etat * cost)) / ((etai * cosi) + (etat * cost)); + kr = (Rs * Rs + Rp * Rp) / 2; + } + // As a consequence of the conservation of energy, transmittance is given by: + // kt = 1 - kr; + } +}; \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Sphere.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Sphere.hpp new file mode 100644 index 0000000..bc6d650 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Sphere.hpp @@ -0,0 +1,83 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// + +#ifndef RAYTRACING_SPHERE_H +#define RAYTRACING_SPHERE_H + +#include "Object.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "Bounds3.hpp" +#include "Material.hpp" + +class Sphere : public Object{ +public: + Vector3f center; + float radius, radius2; + Material *m; + Sphere(const Vector3f &c, const float &r) : center(c), radius(r), radius2(r * r), m(new Material()) {} + bool intersect(const Ray& ray) { + // analytic solution + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return false; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return false; + return true; + } + bool intersect(const Ray& ray, float &tnear, uint32_t &index) const + { + // analytic solution + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (! + solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return false; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return false; + tnear = t0; + + return true; + } + Intersection getIntersection(Ray ray){ + Intersection result; + result.happened = false; + Vector3f L = ray.origin - center; + float a = dotProduct(ray.direction, ray.direction); + float b = 2 * dotProduct(ray.direction, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) return result; + if (t0 < 0) t0 = t1; + if (t0 < 0) return result; + result.happened=true; + + result.coords = Vector3f(ray.origin + ray.direction * t0); + result.normal = normalize(Vector3f(result.coords - center)); + result.m = this->m; + result.obj = this; + result.distance = t0; + return result; + + } + void getSurfaceProperties(const Vector3f &P, const Vector3f &I, const uint32_t &index, const Vector2f &uv, Vector3f &N, Vector2f &st) const + { N = normalize(P - center); } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f &st)const { + return m->getColor(); + } + Bounds3 getBounds(){ + return Bounds3(Vector3f(center.x-radius, center.y-radius, center.z-radius), + Vector3f(center.x+radius, center.y+radius, center.z+radius)); + } +}; + + + + +#endif //RAYTRACING_SPHERE_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Triangle.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Triangle.hpp new file mode 100644 index 0000000..66b5bec --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Triangle.hpp @@ -0,0 +1,273 @@ +#pragma once + +#include "BVH.hpp" +#include "Intersection.hpp" +#include "Material.hpp" +#include "OBJ_Loader.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include +#include + +bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, + const Vector3f& v2, const Vector3f& orig, + const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v) +{ + Vector3f edge1 = v1 - v0; + Vector3f edge2 = v2 - v0; + Vector3f pvec = crossProduct(dir, edge2); + float det = dotProduct(edge1, pvec); + if (det == 0 || det < 0) + return false; + + Vector3f tvec = orig - v0; + u = dotProduct(tvec, pvec); + if (u < 0 || u > det) + return false; + + Vector3f qvec = crossProduct(tvec, edge1); + v = dotProduct(dir, qvec); + if (v < 0 || u + v > det) + return false; + + float invDet = 1 / det; + + tnear = dotProduct(edge2, qvec) * invDet; + u *= invDet; + v *= invDet; + + return true; +} + +class Triangle : public Object +{ +public: + Vector3f v0, v1, v2; // vertices A, B ,C , counter-clockwise order + Vector3f e1, e2; // 2 edges v1-v0, v2-v0; + Vector3f t0, t1, t2; // texture coords + Vector3f normal; + Material* m; + + Triangle(Vector3f _v0, Vector3f _v1, Vector3f _v2, Material* _m = nullptr) + : v0(_v0), v1(_v1), v2(_v2), m(_m) + { + e1 = v1 - v0; + e2 = v2 - v0; + normal = normalize(crossProduct(e1, e2)); + } + + bool intersect(const Ray& ray) override; + bool intersect(const Ray& ray, float& tnear, + uint32_t& index) const override; + Intersection getIntersection(Ray ray) override; + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f& I, + const uint32_t& index, const Vector2f& uv, + Vector3f& N, Vector2f& st) const override + { + N = normal; + // throw std::runtime_error("triangle::getSurfaceProperties not + // implemented."); + } + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f&) const override; + Bounds3 getBounds() override; +}; + +class MeshTriangle : public Object +{ +public: + MeshTriangle(const std::string& filename) + { + objl::Loader loader; + loader.LoadFile(filename); + + assert(loader.LoadedMeshes.size() == 1); + auto mesh = loader.LoadedMeshes[0]; + + Vector3f min_vert = Vector3f{std::numeric_limits::infinity(), + std::numeric_limits::infinity(), + std::numeric_limits::infinity()}; + Vector3f max_vert = Vector3f{-std::numeric_limits::infinity(), + -std::numeric_limits::infinity(), + -std::numeric_limits::infinity()}; + for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) { + std::array face_vertices; + for (int j = 0; j < 3; j++) { + auto vert = Vector3f(mesh.Vertices[i + j].Position.X, + mesh.Vertices[i + j].Position.Y, + mesh.Vertices[i + j].Position.Z) * + 60.f; + face_vertices[j] = vert; + + min_vert = Vector3f(std::min(min_vert.x, vert.x), + std::min(min_vert.y, vert.y), + std::min(min_vert.z, vert.z)); + max_vert = Vector3f(std::max(max_vert.x, vert.x), + std::max(max_vert.y, vert.y), + std::max(max_vert.z, vert.z)); + } + + auto new_mat = + new Material(MaterialType::DIFFUSE_AND_GLOSSY, + Vector3f(0.5, 0.5, 0.5), Vector3f(0, 0, 0)); + new_mat->Kd = 0.6; + new_mat->Ks = 0.0; + new_mat->specularExponent = 0; + + triangles.emplace_back(face_vertices[0], face_vertices[1], + face_vertices[2], new_mat); + } + + bounding_box = Bounds3(min_vert, max_vert); + + std::vector ptrs; + for (auto& tri : triangles) + ptrs.push_back(&tri); + + bvh = new BVHAccel(ptrs); + } + + bool intersect(const Ray& ray) { return true; } + + bool intersect(const Ray& ray, float& tnear, uint32_t& index) const + { + bool intersect = false; + for (uint32_t k = 0; k < numTriangles; ++k) { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[k * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 2]]; + float t, u, v; + if (rayTriangleIntersect(v0, v1, v2, ray.origin, ray.direction, t, + u, v) && + t < tnear) { + tnear = t; + index = k; + intersect |= true; + } + } + + return intersect; + } + + Bounds3 getBounds() { return bounding_box; } + + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f& I, + const uint32_t& index, const Vector2f& uv, + Vector3f& N, Vector2f& st) const + { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + Vector3f e0 = normalize(v1 - v0); + Vector3f e1 = normalize(v2 - v1); + N = normalize(crossProduct(e0, e1)); + const Vector2f& st0 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector2f& st1 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector2f& st2 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + st = st0 * (1 - uv.x - uv.y) + st1 * uv.x + st2 * uv.y; + } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f& st) const + { + float scale = 5; + float pattern = + (fmodf(st.x * scale, 1) > 0.5) ^ (fmodf(st.y * scale, 1) > 0.5); + return lerp(Vector3f(0.815, 0.235, 0.031), + Vector3f(0.937, 0.937, 0.231), pattern); + } + + Intersection getIntersection(Ray ray) + { + Intersection intersec; + + if (bvh) { + intersec = bvh->Intersect(ray); + } + + return intersec; + } + + Bounds3 bounding_box; + std::unique_ptr vertices; + uint32_t numTriangles; + std::unique_ptr vertexIndex; + std::unique_ptr stCoordinates; + + std::vector triangles; + + BVHAccel* bvh; + + Material* m; +}; + +inline bool Triangle::intersect(const Ray& ray) { return true; } +inline bool Triangle::intersect(const Ray& ray, float& tnear, + uint32_t& index) const +{ + return false; +} + +inline Bounds3 Triangle::getBounds() { return Union(Bounds3(v0, v1), v2); } + +inline Intersection Triangle::getIntersection(Ray ray) +{ + /* + + Intersection inter; + + if (dotProduct(ray.direction, normal) > 0) + return inter; + double u, v, t_tmp = 0; + Vector3f pvec = crossProduct(ray.direction, e2); + double det = dotProduct(e1, pvec); + if (fabs(det) < EPSILON) + return inter; + + double det_inv = 1. / det; + Vector3f tvec = ray.origin - v0; + u = dotProduct(tvec, pvec) * det_inv; + if (u < 0 || u > 1) + return inter; + Vector3f qvec = crossProduct(tvec, e1); + v = dotProduct(ray.direction, qvec) * det_inv; + if (v < 0 || u + v > 1) + return inter; + t_tmp = dotProduct(e2, qvec) * det_inv; + + */ + + + // TODO find ray triangle intersection + Intersection inter; + + Vector3f e1 = v1 - v0; + Vector3f e2 = v2 - v0; + Vector3f s0 = ray.origin - v0; + Vector3f s1 = crossProduct(ray.direction, e2); + Vector3f s2 = crossProduct(s0, e1); + + Vector3f s = Vector3f(dotProduct(s2, e2), dotProduct(s1, s0), dotProduct(s2, ray.direction)) / dotProduct(s1, e1); + float tnear = s.x; + float u = s.y; + float v = s.z; + + if (tnear >= 0 && u >= 0 && v >= 0 && (u + v) <= 1) + { + + inter.happened = true; + inter.coords = Vector3f(tnear, u, v); + inter.normal = normal; + inter.m = m; + inter.obj = this; + inter.distance = tnear; + return inter; + } + + + + return inter; +} + +inline Vector3f Triangle::evalDiffuseColor(const Vector2f&) const +{ + return Vector3f(0.5, 0.5, 0.5); +} diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Vector.cpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Vector.cpp new file mode 100644 index 0000000..8f18a8e --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Vector.cpp @@ -0,0 +1,5 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// + +#include "Vector.hpp" diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Vector.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Vector.hpp new file mode 100644 index 0000000..549e7d1 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/Vector.hpp @@ -0,0 +1,88 @@ +// +// Created by LEI XU on 5/13/19. +// +#pragma once +#ifndef RAYTRACING_VECTOR_H +#define RAYTRACING_VECTOR_H + +#include +#include +#include + +class Vector3f { +public: + float x, y, z; + Vector3f() : x(0), y(0), z(0) {} + Vector3f(float xx) : x(xx), y(xx), z(xx) {} + Vector3f(float xx, float yy, float zz) : x(xx), y(yy), z(zz) {} + Vector3f operator * (const float &r) const { return Vector3f(x * r, y * r, z * r); } + Vector3f operator / (const float &r) const { return Vector3f(x / r, y / r, z / r); } + + Vector3f operator * (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x * v.x, y * v.y, z * v.z); } + Vector3f operator - (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x - v.x, y - v.y, z - v.z); } + Vector3f operator + (const Vector3f &v) const { return Vector3f(x + v.x, y + v.y, z + v.z); } + Vector3f operator - () const { return Vector3f(-x, -y, -z); } + Vector3f& operator += (const Vector3f &v) { x += v.x, y += v.y, z += v.z; return *this; } + friend Vector3f operator * (const float &r, const Vector3f &v) + { return Vector3f(v.x * r, v.y * r, v.z * r); } + friend std::ostream & operator << (std::ostream &os, const Vector3f &v) + { return os << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z; } + double operator[](int index) const; + double& operator[](int index); + + + static Vector3f Min(const Vector3f &p1, const Vector3f &p2) { + return Vector3f(std::min(p1.x, p2.x), std::min(p1.y, p2.y), + std::min(p1.z, p2.z)); + } + + static Vector3f Max(const Vector3f &p1, const Vector3f &p2) { + return Vector3f(std::max(p1.x, p2.x), std::max(p1.y, p2.y), + std::max(p1.z, p2.z)); + } +}; +inline double Vector3f::operator[](int index) const { + return (&x)[index]; +} + + +class Vector2f +{ +public: + Vector2f() : x(0), y(0) {} + Vector2f(float xx) : x(xx), y(xx) {} + Vector2f(float xx, float yy) : x(xx), y(yy) {} + Vector2f operator * (const float &r) const { return Vector2f(x * r, y * r); } + Vector2f operator + (const Vector2f &v) const { return Vector2f(x + v.x, y + v.y); } + float x, y; +}; + +inline Vector3f lerp(const Vector3f &a, const Vector3f& b, const float &t) +{ return a * (1 - t) + b * t; } + +inline Vector3f normalize(const Vector3f &v) +{ + float mag2 = v.x * v.x + v.y * v.y + v.z * v.z; + if (mag2 > 0) { + float invMag = 1 / sqrtf(mag2); + return Vector3f(v.x * invMag, v.y * invMag, v.z * invMag); + } + + return v; +} + +inline float dotProduct(const Vector3f &a, const Vector3f &b) +{ return a.x * b.x + a.y * b.y + a.z * b.z; } + +inline Vector3f crossProduct(const Vector3f &a, const Vector3f &b) +{ + return Vector3f( + a.y * b.z - a.z * b.y, + a.z * b.x - a.x * b.z, + a.x * b.y - a.y * b.x + ); +} + + + +#endif //RAYTRACING_VECTOR_H diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/dragon.ppm b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/dragon.ppm new file mode 100644 index 0000000..25bbf05 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/dragon.ppm @@ -0,0 +1,4510 @@ +P6 +1280 960 +255 +;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;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!!!''''''444333:::CCC@@@>>>AAA;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;[[[444((( 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\ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/global.hpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/global.hpp new file mode 100644 index 0000000..4eb494d --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/global.hpp @@ -0,0 +1,53 @@ +#pragma once +#include +#include +#include + +#undef M_PI +#define M_PI 3.141592653589793f + +extern const float EPSILON; +const float kInfinity = std::numeric_limits::max(); + +inline float clamp(const float &lo, const float &hi, const float &v) +{ return std::max(lo, std::min(hi, v)); } + +inline bool solveQuadratic(const float &a, const float &b, const float &c, float &x0, float &x1) +{ + float discr = b * b - 4 * a * c; + if (discr < 0) return false; + else if (discr == 0) x0 = x1 = - 0.5 * b / a; + else { + float q = (b > 0) ? + -0.5 * (b + sqrt(discr)) : + -0.5 * (b - sqrt(discr)); + x0 = q / a; + x1 = c / q; + } + if (x0 > x1) std::swap(x0, x1); + return true; +} + +inline float get_random_float() +{ + std::random_device dev; + std::mt19937 rng(dev()); + std::uniform_real_distribution dist(0.f, 1.f); // distribution in range [1, 6] + + return dist(rng); +} + +inline void UpdateProgress(float progress) +{ + int barWidth = 70; + + std::cout << "["; + int pos = barWidth * progress; + for (int i = 0; i < barWidth; ++i) { + if (i < pos) std::cout << "="; + else if (i == pos) std::cout << ">"; + else std::cout << " "; + } + std::cout << "] " << int(progress * 100.0) << " %\r"; + std::cout.flush(); +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/main.cpp b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..1abc7af --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/main.cpp @@ -0,0 +1,40 @@ +#include "Renderer.hpp" +#include "Scene.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" +#include + +// In the main function of the program, we create the scene (create objects and +// lights) as well as set the options for the render (image width and height, +// maximum recursion depth, field-of-view, etc.). We then call the render +// function(). +int main(int argc, char** argv) +{ + const size_t height = 1280; + const size_t width = 960; + Scene scene(height, width); + auto s1="models/bunny/bunny.obj"; + auto s2 = "models/bunny/dragon.obj"; + auto s3 = "models/bunny/spot_triangulated_good.obj"; + auto s4 = "models/bunny/spot.obj"; + MeshTriangle bunny(s1); + + scene.Add(&bunny); + scene.Add(std::make_unique(Vector3f(-20, 70, 20), 1)); + scene.Add(std::make_unique(Vector3f(20, 70, 20), 1)); + scene.buildBVH();//accelerate structure + + Renderer r; + + auto start = std::chrono::system_clock::now(); + r.Render(scene); + auto stop = std::chrono::system_clock::now(); + + std::cout << "Render complete: \n"; + std::cout << "Time taken: " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " hours\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " minutes\n"; + std::cout << " : " << std::chrono::duration_cast(stop - start).count() << " seconds\n"; + + return 0; +} \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/models/bunny/spot.blend b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/models/bunny/spot.blend new file mode 100644 index 0000000..b3aaedc Binary files /dev/null and b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/models/bunny/spot.blend differ diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/models/bunny/spot.blend1 b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/models/bunny/spot.blend1 new file mode 100644 index 0000000..77455b4 Binary files /dev/null and b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/models/bunny/spot.blend1 differ diff --git a/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/spot.ppm b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/spot.ppm new file mode 100644 index 0000000..c29e826 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing Accelerate/spot.ppm @@ -0,0 +1,6082 @@ +P6 +1280 960 +255 +;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;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;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;555555555555555555AAAAAAAAAAAAAAA]]]]]]]]]dddddddddddddddddddddddd;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;555555555555555AAAAAAAAAAAA]]]]]]]]]]]]ddddddddddddddddddddddddkkkoooooooooooooooooo;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;555555555555AAAAAAAAA^^^^^^^^^^^^]]]dddddddddddddddddddddkkkkkkoooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooovvvyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxxxxxxxxx;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;555555555AAAAAA^^^^^^^^^^^^^^^^^^ddddddddddddddddddkkkkkkkkkooooooooooooooooooooooooooooooooooooooovvvvvvvvvyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxxx}}};;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;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""""""""""""""""""AAAAAAAAAAAAEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeedddddddddddddddjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiihhhhhhhhhhhhkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkllllllllldddddddddccc``````_________``````____________ZZZZZZZZZZZZZZZ[[[[[[[[[[[[[[[UUUUUUTTTUUUUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPYYYXXXXXXXXXXXXXXXSSSSSSSSSSSS___ZZZZZZ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 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""""""""""""AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\eeeeeeeeeeeeeeeddddddjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiggggggggggggggggggkkkkkkkkklllllllllddddddddddddddddddddd``````````````````````````````______[[[[[[[[[[[[ZZZZZZZZZZZZZZZUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPOOOOOOOOOOOOXXXXXXSSSSSSSSSSSSXXXXXXTTT___ZZZZZZ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; """""""""BBBAAAAAAAAAAAAAAAAAAEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\eeeeeeeeedddjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjhhhhhhhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiggggggggggggggggggggggggllllllllldddddddddddddddddddddddd````````````^^^]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ZZZZZZUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPPPPOOOOOOOOOOOOOOOSSSXXXXXXXXXXXXXXXXXXTTT_________;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; """""""""BBBBBBBBBBBBBBBAAAAAAAAADDDDDDDDDDDDEEEEEEEEE]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\eeejjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjhhhhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiigggggggggggggggggggggggggggeeeddddddddddddddddddddddddddd`````````\\\\\\]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]WWWXXXXXXXXXXXX[[[[[[[[[[[[ZZZUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPPPPOOOOOOOOOOOOTTTUUUOOOXXXXXXXXXXXXXXXTTTTTT______^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; """BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBAAADDDDDDDDDDDDDDDDDD]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fffjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiggggggggggggggggggggggggdddcccccceeeddddddddddddddddddddd___```]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]WWWXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPPPPOOOOOOOOOTTTTTTUUUOOONNNXXXXXXXXXXXXXXXTTTSSSSSS___^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; !!!BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBDDDDDDDDDDDDDDDDDD]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fffeeeffffffjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiggggggggggggggggggggggggdddccccccccceeeeeeeeedddddddddddd______]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]WWWWWWWWWXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXRRRTTTTTTUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPPPPOOOTTTTTTTTTUUUOOONNNNNNXXXXXXXXXXXXTTTTTTSSSSSS___^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBDDDDDDDDDDDDDDD]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ffffffeeeeeeeeeeeeeeejjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiigggggggggggggggggggggdddddddddcccccccccccceeeeeeeeedddddd___]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]WWWWWWWWWWWWXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSSSTTTTTTTTTTTTUUUUUUUUUUUUUUUPPPPPPPPPTTTTTTTTTTTTUUUOOOOOONNNNNNNNNXXXXXXXXXTTTSSSSSSSSS___^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; + + + + + + + + + + + + + + + + + +777BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBDDDDDDDDDDDDDDD]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fffffffffeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeekkkjjjjjjjjjjjjhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiggggggggggggggggggddddddddddddccccccccccccccceeeeeeeeeeee___]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]WWWWWWWWWWWWXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSUUUUUUPPPTTTTTTTTTTTTTTTTTTUUUUUUOOONNNNNNNNNNNNXXXXXXTTTTTTSSSSSSSSS^^^^^^^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +777777777777BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBDDDDDDDDDDDD]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ffffffffffffeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeekkkkkkkkkhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiigggggggggggggggdddddddddddddddccccccccccccccccccccceee___]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]WWWWWWWWWWWWWWWXXXXXXXXXXXXXXXXXXSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTUUUUUUOOOOOONNNNNNNNNNNNNNNXXXTTTTTTSSSSSSZZZddd^^^^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 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+777777777777777666666666666666666BBBBBBBBBBBBBBBDDDDDD^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^\\\\\\\\\\\\\\\\\\fffffffffffffffffffffeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeegggggggggggggggjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjfffgggggggggdddddddddddddddddddddbbbbbbbbbbbbbbbbbbccc\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\^^^^^^^^^^^^\\\\\\XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXWWWWWWWWWWWWSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSQQQQQQRRRRRRRRRRRRTTTUUUUUUUUUOOOOOONNNNNNUUUUUUUUUUUUQQQQQQZZZZZZZZZZZZYYYYYYddddddhhh;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 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+777777777777/////////000000000000000000000000000000111111111WWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV^^^^^^^^^^^^[[[[[[ggggggggggggggggggggggggggggggggggggddddddddddddeeehhhggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggdddddddddddddddddddddddddddeeeeeeeeeeeeeeebbbbbb]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTSSSSSSSSSRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRUUUUUUQQQQQQQQQXXXXXXXXXXXXVVVVVVVVV`````````eeeeeeffffffmmmvvvvvvwwwwwwwww}}};;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 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+/////////////////////000000000000000000000000000000111111111WWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV^^^^^^[[[gggggggggggggggggggggggggggggggggggggggddddddddddddhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhffffffggggggggggggggggggddddddddddddddddddddddddddddddddddddeeeeeeeeebbbbbb]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTSSSRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXVVVVVVVVV`````````eeeeeeffffffmmmwwwvvvvvvwwwwwwwww|||||||||;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;+++++++++//////////////////000000000000000000000000000000111111111WWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggdddddddddhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhffffffffffffffffffgggddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddeee]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXVVVVVVVVVVVVVVV``````eeeeeefffffffffwwwwwwvvvvvvwwwwww|||||||||||||||||||||;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;+++++++++++++++///////////////000000000000000000000000000000111111111WWWWWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVaaacccccccccgggggggggggggggggggggggggggggggggddddddhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhfffffffffffffffffffffdddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd\\\]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWSSSSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQRRRQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRSSSTTTXXXXXXXXXXXXXXXXXXVVVVVVVVVVVVVVV```eeeeeeeeeeeeffffffooopppwwwvvvvvvwww||||||||||||||||||||||||}}}}}}}}};;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;+++++++++++++++++++++////////////000000000000000000000000000000111111111WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVaaaaaacccccccccccccccggggggggggggggggggggggggddddddhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhffffffffffffffffffddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd\\\]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWSSSSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQRRRRRRQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRSSSTTTTTTTTTXXXXXXXXXXXXVVVVVVVVVVVVVVVUUUUUUeeeeeeeeeeeeffffffooopppppppppvvvv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+******))))))000111XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUUUUUUUUUbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeffffffffffffffffffffffffffffffbbbbbbbbbbbbdddddddddddddddddddddddddddeeeeeeeeeeeeccc]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\WWWWWWVVVVVVVVVVVVVVVWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWRRRRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTSSSRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRPPPPPPPPPPPPPPPQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRTTTTTTTTTTTTTTTTTTXXXWWWWWWWWWXXXXXXXXXXXX\\\\\\^^^^^^^^^aaaaaaaaaiiiiiiiiiiiiiiijjjjjjjjjjjjmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnllllllllllllttttttsssnnnnnnnnnnnnggg;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 111XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUUUUUUUUUbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeefffffffffffffffffffffffffffcccccccccccccccdddddddddddddddddddddddddddddddddddddddeee]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWRRRRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSTTTTTTTTTRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQPPPPPPPPPQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRTTTTTTTTTTTTXXXXXXXXXWWWWWWXXXXXXXXXXXX]]]\\\^^^^^^^^^^^^aaaaaaiiiiiiiiiiiiiiiiiijjjjjjmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnllllllllllllllllllllllllnnnnnnnnnnnnggglll;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;  >>>>>>EEEPPPPPPPPPXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUUUUUUbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeffffffffffffffffffffffffcccccccccccccccccccccddddddddddddddddddddddddddddddddddddZZZ]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWRRRRRRRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQQQQPPPPPPQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRTTTTTTTTTXXXXXXXXXWWWWWWXXXXXXXXX]]]]]]]]]^^^^^^^^^^^^^^^dddiiiiiiiiiiiiiiiiiijjjjjjmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnlllllllllllllllllllllgggggggggnnnnnngggggg;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;  >>>>>>>>>>>>>>>EEEPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXUUUUUUbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeffffffffffffffffffffffffcccccccccccccccccccccdddddddddddddddddddddddddddddddddZZZZZZZZZ\\\\\\\\\]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWRRRRRRRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSOOOQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQPPPQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRTTTXXXXXXXXXXXXXXXWWWXXXXXXXXX]]]]]]]]]^^^^^^^^^^^^^^^cccdddddddddiiiiiiiiiiiiiiimmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnlllllllllllllllllllllggggggggggggnnngggggg;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;  >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>EEEEEEPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPYYYYYYYYYYYYYYYUUUbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeffffffffffffffffffccccccccccccccccccccccccdddddddddddddddddddddddddddddddddZZZZZZZZZ\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWRRRRRRRRRRRRRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSOOOOOOQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRRRRSSSXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX]]]]]]]]]]]]^^^^^^^^^^^^ccccccdddddddddddddddddddddmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnlllllllllllllllllllllggggggggggggggggggggg;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 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 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>FFFFFFFFFFFFPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPWWW]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]cccccccccccccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeecccccccccccccccccccccccccccccccccdddddddddddddddddddddddd[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\SSSVVVWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVVVVSSSSSSSSSSSSSSSSSSRRRRRRSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSOOOOOOOOOOOOQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRRRRSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTXXX]]]]]]]]]]]]]]]]]]^^^^^^^^^ccccccccccccdddddddddddddddfffffffffggggggffffffffffffffffffgggggggggggggggggggggeeeeeeeeeeeelllllllllgggggggggggggggaaaaaabbb;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;  ???>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>FFFFFFFFFFFFPPPPPPPPPPPPPPPPPPOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOWWWWWWWWW]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]ccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeecccccccccccccccccccccccccccccccccccccccddddddddddddddddddddd[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\SSSSSSVVVVVVVVVWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVVVVSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSOOOOOOOOOOOOPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPLLLNNNNNNQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQRRRQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]^^^ccccccccccccccccccddddddddddddfffffffffffffffffffffffffffffffffggggggggggggggggggddddddeeeeeeeeeeeeeeeeeeaaaggggggggggggaaaaaabbb;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;  ++++++***>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>FFFFFFFFFFFFFFFFFFOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOWWWWWWWWW]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]ccccccccccccffffffffffffffffffffffffffffffffffffeeeeeecccccccccccccccccccccccccccccccccccccccdddddddddddddddddd[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\SSSSSSSSSVVVVVVVVVVVVVVVVVVWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWVVVVVVSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSPPPOOOOOOOOOOOOPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPMMMMMMNNNNNNNNNNNNQQQQQQQQQQQQPPPPPPRRRQQQQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRRRRSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTTTTVVVXXXXXX]]]]]]]]]]]]]]]]]]ccccccccccccccccccdddddddddfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffgggggggggggggggddddddeeeeeeeeeeeeeee```aaaaaaaaaggggggaaaaaaaaa^^^;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;  ++++++++++++++++++***>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>===FFFFFFFFFFFFFFFFFFOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOWWWWWWWWWWWW]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]cccccccccccccccccccccccccccffffffffffffffffffeeecccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccdddddddddddd[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\TTTTTTTTTTTTVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVWWWWWWWWWWWWWWWVVVSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSPPPPPPPPPOOOOOOOOOPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPMMMMMMNNNNNNNNNNNNNNNNNNQQQQQQQQQPPPRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQRRRRRRRRRSSSSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTTTTWWWVVVXXXXXXXXXXXX]]]]]]]]]cccccccccccccccccccccdddccccccfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffggggggfffffffffeeeddddddeeeeeeeeeeee```aaaaaaaaaaaaaaabbbaaaaaaZZZ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 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++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++***++++++>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>=========FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOXXXXXXXXXXXXXXXXXX]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]cccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc\\\\\\aaaaaaaaaddddddddddddddddddddddddddddddddddddccccccccc[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\TTTTTTTTTTTTTTTTTTUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUVVVPPPSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPMMMMMMMMMMMMNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNLLLRRRRRRRRRRRRRRRRRRQQQQQQQQQQQQTTTTTTSSSSSSSSSTTTTTTTTTTTTWWWWWWWWWXXXXXXXXXXXXXXXXXX[[[\\\\\\\\\ccccccccccccccccccfffffffffffffffffffffffffffgggggggggggggggffffffffffffeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee`````````aaaaaa```[[[[[[[[[aaaZZZ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 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+++************************++++++++++++++++++++++++========================FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFGGGGGGGGGOOOOOOOOOOOOOOOXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX\\\\\\\\\\\\\\\^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]`````````````````````````````````TTTTTTTTTTTTWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\[[[[[[UUUUUUTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUOOOOOONNNNNNNNNNNNPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPJJJLLLLLLLLLPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMNNNNNNNNNNNNLLLLLLLLLLLLLLLMMMMMMMMMMMMMMMMMMLLLLLLMMMMMMMMMMMMMMMTTTTTTTTTWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW[[[[[[[[[[[[[[[\\\\\\\\\[[[[[[]]]]]]]]]]]]^^^]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]^^^^^^^^^]]]]]][[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\WWWXXXXXXXXXXXXXXX[[[\\\\\\\\\TTTTTT;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;************************++++++++++++++++++++++++,,,=====================FFFFFFFFFFFFFFFGGGGGGGGGGGGGGGGGGOOOOOOOOOOOONNNXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX\\\\\\\\\\\\\\\^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^bbbbbbbbbbbbbbbbbb]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]``````````````````````````````TTTTTTTTTTTTTTTTTTWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW\\\\\\\\\[[[UUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTUUUUUUUUUUUUUUUUUUOOOOOOOOOOOOOOOOOONNNPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPJJJJJJKKKKKKKKKKKKKKKPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPNNNMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMLLLLLLLLLLLLLLLMMMMMMMMMMMMMMMMMMLLLLLLLLLMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[\\\\\\\\\\\\\\\WWWXXXXXXXXXXXXXXXSSSSSS\\\\\\TTT;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*********************++++++++++++++++++,,,,,,,,,,,,===============FFFFFFFFFGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGNNNNNNNNNXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX\\\\\\\\\\\\^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^bbbbbbbbbbbbbbb]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]````````````````````````TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTVVVVVVVVVWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUTTTTTTTTTUUUUUUUUUUUUUUUOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPJJJJJJJJJKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKPPPPPPPPPPPPPPPNNNNNNNNNNNNMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMLLLLLLLLLLLLLLLLLLMMMMMMMMMMMMMMMLLLLLLLLLMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMOOOOOOOOOWWWWWWWWWWWWWWWWWW\\\\\\[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]\\\\\\[[[[[[\\\\\\\\\\\\XXXWWWXXXXXXXXXXXXRRRSSSSSSRRRTTTTTT;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;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222///000000000000000000000000000000---------------------------***))))))))))))))))))))))))&&&##################!!!;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;&&&&&&&&&%%%&&&&&&&&&&&&&&&&&&'''111111111333333333333333333333333333444((((((&&&&&&555555555555555555555555555444444444444444333333333333444444444444444444444444444444????????????>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>FFFFFFEEEEEEEEEBBBBBBBBB????????????????????????????????????????????????>>>>>>>>>>>>777777777777777777777777777777777777111111111111111111111222222222222,,,,,,,,,,,,,,,++++++)))))))))***************************************%%%%%%%%%%%%$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$#########/////////******))))))))))))))))))))))))))))))************&&&&&&&&&&&&%%%%%%%%%&&&&&&&&&&&&&&&&&&$$$$$$$$$$$$$$$$$$##################$$$##################"""""""""!!!""""""!!!!!!!!!!!! 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###"""""""""""""""""""""""""""""""""################################################$$$$$$666:::::::::::::::666666666555555555555555555555555555555555AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@BBBBBBBBBBBBBBBCCCCCCCCCCCC<<<<<<<<<444444444444444444444444444444444444555555555555555555555555000000000000000000000000000//////////////////////////////$$$$$$$$$ 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!!!!!!!!!############111111111111111111111111111111111111111111666666666666666666666666666666555555555555555@@@@@@AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@AAAAAAAAAAAAAAA;;;;;;;;;:::::::::::::::::::::::::::::::::444444555555555555555555555000000000000000000000000%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%&&&&&&&&&###"""""""""""""""""""""""";;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 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\ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Light.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Light.hpp new file mode 100644 index 0000000..86fefab --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Light.hpp @@ -0,0 +1,15 @@ +#pragma once + +#include "Vector.hpp" + +class Light +{ +public: + Light(const Vector3f& p, const Vector3f& i) + : position(p) + , intensity(i) + {} + virtual ~Light() = default; + Vector3f position; + Vector3f intensity; +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Object.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Object.hpp new file mode 100644 index 0000000..ceb2b3c --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Object.hpp @@ -0,0 +1,36 @@ +#pragma once + +#include "Vector.hpp" +#include "global.hpp" + +class Object +{ +public: + Object() + : materialType(DIFFUSE_AND_GLOSSY) + , ior(1.3) + , Kd(0.8) + , Ks(0.2) + , diffuseColor(0.2) + , specularExponent(25) + {} + + virtual ~Object() = default; + + virtual bool intersect(const Vector3f&, const Vector3f&, float&, uint32_t&, Vector2f&) const = 0; + + virtual void getSurfaceProperties(const Vector3f&, const Vector3f&, const uint32_t&, const Vector2f&, Vector3f&, + Vector2f&) const = 0; + + virtual Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f&) const + { + return diffuseColor; + } + + // material properties + MaterialType materialType; + float ior; + float Kd, Ks; + Vector3f diffuseColor; + float specularExponent; +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Renderer.cpp b/Whitted Style Ray Tracing/Renderer.cpp new file mode 100644 index 0000000..f2a25ce --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Renderer.cpp @@ -0,0 +1,278 @@ +#include +#include "Vector.hpp" +#include "Renderer.hpp" +#include "Scene.hpp" +#include + +inline float deg2rad(const float °) +{ return deg * M_PI/180.0; } + +// Compute reflection direction +Vector3f reflect(const Vector3f &I, const Vector3f &N) +{ + return I - 2 * dotProduct(I, N) * N; +} + +// [comment] +// Compute refraction direction using Snell's law +// +// We need to handle with care the two possible situations: +// +// - When the ray is inside the object +// +// - When the ray is outside. +// +// If the ray is outside, you need to make cosi positive cosi = -N.I +// +// If the ray is inside, you need to invert the refractive indices and negate the normal N +// [/comment] +Vector3f refract(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) +{ + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + Vector3f n = N; + if (cosi < 0) { cosi = -cosi; } else { std::swap(etai, etat); n= -N; } + float eta = etai / etat; + float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi); + return k < 0 ? 0 : eta * I + (eta * cosi - sqrtf(k)) * n; +} + +// [comment] +// Compute Fresnel equation +// +// \param I is the incident view direction +// +// \param N is the normal at the intersection point +// +// \param ior is the material refractive index +// [/comment] +float fresnel(const Vector3f &I, const Vector3f &N, const float &ior) +{ + float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N)); + float etai = 1, etat = ior; + if (cosi > 0) { std::swap(etai, etat); } + // Compute sini using Snell's law + float sint = etai / etat * sqrtf(std::max(0.f, 1 - cosi * cosi)); + // Total internal reflection + if (sint >= 1) { + return 1; + } + else { + float cost = sqrtf(std::max(0.f, 1 - sint * sint)); + cosi = fabsf(cosi); + float Rs = ((etat * cosi) - (etai * cost)) / ((etat * cosi) + (etai * cost)); + float Rp = ((etai * cosi) - (etat * cost)) / ((etai * cosi) + (etat * cost)); + return (Rs * Rs + Rp * Rp) / 2; + } + // As a consequence of the conservation of energy, transmittance is given by: + // kt = 1 - kr; +} + +// [comment] +// Returns true if the ray intersects an object, false otherwise. +// +// \param orig is the ray origin +// \param dir is the ray direction +// \param objects is the list of objects the scene contains +// \param[out] tNear contains the distance to the cloesest intersected object. +// \param[out] index stores the index of the intersect triangle if the interesected object is a mesh. +// \param[out] uv stores the u and v barycentric coordinates of the intersected point +// \param[out] *hitObject stores the pointer to the intersected object (used to retrieve material information, etc.) +// \param isShadowRay is it a shadow ray. We can return from the function sooner as soon as we have found a hit. +// [/comment] +std::optional trace( + const Vector3f &orig, const Vector3f &dir, + const std::vector > &objects) +{ + float tNear = kInfinity; + std::optional payload; + for (const auto & object : objects) + { + float tNearK = kInfinity; + uint32_t indexK; + Vector2f uvK; + if (object->intersect(orig, dir, tNearK, indexK, uvK) && tNearK < tNear) + { + payload.emplace(); + payload->hit_obj = object.get(); + payload->tNear = tNearK; + payload->index = indexK; + payload->uv = uvK; + tNear = tNearK; + } + } + + return payload; +} + +// [comment] +// Implementation of the Whitted-style light transport algorithm (E [S*] (D|G) L) +// +// This function is the function that compute the color at the intersection point +// of a ray defined by a position and a direction. Note that thus function is recursive (it calls itself). +// +// If the material of the intersected object is either reflective or reflective and refractive, +// then we compute the reflection/refraction direction and cast two new rays into the scene +// by calling the castRay() function recursively. When the surface is transparent, we mix +// the reflection and refraction color using the result of the fresnel equations (it computes +// the amount of reflection and refraction depending on the surface normal, incident view direction +// and surface refractive index). +// +// If the surface is diffuse/glossy we use the Phong illumation model to compute the color +// at the intersection point. +// [/comment] +Vector3f castRay( + const Vector3f &orig, const Vector3f &dir, const Scene& scene, + int depth) +{ + if (depth > scene.maxDepth) { + return Vector3f(0.0,0.0,0.0); + } + + Vector3f hitColor = scene.backgroundColor; + if (auto payload = trace(orig, dir, scene.get_objects()); payload) + { + Vector3f hitPoint = orig + dir * payload->tNear; + Vector3f N; // normal + Vector2f st; // st coordinates + payload->hit_obj->getSurfaceProperties(hitPoint, dir, payload->index, payload->uv, N, st); + switch (payload->hit_obj->materialType) { + case REFLECTION_AND_REFRACTION: + { + Vector3f reflectionDirection = normalize(reflect(dir, N)); + Vector3f refractionDirection = normalize(refract(dir, N, payload->hit_obj->ior)); + Vector3f reflectionRayOrig = (dotProduct(reflectionDirection, N) < 0) ? + hitPoint - N * scene.epsilon : + hitPoint + N * scene.epsilon; + Vector3f refractionRayOrig = (dotProduct(refractionDirection, N) < 0) ? + hitPoint - N * scene.epsilon : + hitPoint + N * scene.epsilon; + Vector3f reflectionColor = castRay(reflectionRayOrig, reflectionDirection, scene, depth + 1); + Vector3f refractionColor = castRay(refractionRayOrig, refractionDirection, scene, depth + 1); + float kr = fresnel(dir, N, payload->hit_obj->ior); + hitColor = reflectionColor * kr + refractionColor * (1 - kr); + break; + } + case REFLECTION: + { + float kr = fresnel(dir, N, payload->hit_obj->ior); + Vector3f reflectionDirection = reflect(dir, N); + Vector3f reflectionRayOrig = (dotProduct(reflectionDirection, N) < 0) ? + hitPoint + N * scene.epsilon : + hitPoint - N * scene.epsilon; + hitColor = castRay(reflectionRayOrig, reflectionDirection, scene, depth + 1) * kr; + break; + } + default: + { + // [comment] + // We use the Phong illumation model int the default case. The phong model + // is composed of a diffuse and a specular reflection component. + // [/comment] + Vector3f lightAmt = 0, specularColor = 0; + Vector3f shadowPointOrig = (dotProduct(dir, N) < 0) ? + hitPoint + N * scene.epsilon : + hitPoint - N * scene.epsilon; + // [comment] + // Loop over all lights in the scene and sum their contribution up + // We also apply the lambert cosine law + // [/comment] + for (auto& light : scene.get_lights()) { + Vector3f lightDir = light->position - hitPoint; + // square of the distance between hitPoint and the light + float lightDistance2 = dotProduct(lightDir, lightDir); + lightDir = normalize(lightDir); + float LdotN = std::max(0.f, dotProduct(lightDir, N)); + // is the point in shadow, and is the nearest occluding object closer to the object than the light itself? + auto shadow_res = trace(shadowPointOrig, lightDir, scene.get_objects()); + bool inShadow = shadow_res && (shadow_res->tNear * shadow_res->tNear < lightDistance2); + + lightAmt += inShadow ? 0 : light->intensity * LdotN; + Vector3f reflectionDirection = reflect(-lightDir, N); + + specularColor += powf(std::max(0.f, -dotProduct(reflectionDirection, dir)), + payload->hit_obj->specularExponent) * light->intensity; + } + + hitColor = lightAmt * payload->hit_obj->evalDiffuseColor(st) * payload->hit_obj->Kd + specularColor * payload->hit_obj->Ks; + break; + } + } + } + + return hitColor; +} + +// [comment] +// The main render function. This where we iterate over all pixels in the image, generate +// primary rays and cast these rays into the scene. The content of the framebuffer is +// saved to a file. +// [/comment] +void Renderer::Render(const Scene& scene) +{ + std::vector framebuffer(scene.width * scene.height); + + float scale = std::tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f)); + float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height; + + // Use this variable as the eye position to start your rays. + Vector3f eye_pos(0); + int m = 0; + for (int j = 0; j < scene.height; ++j) + { + for (int i = 0; i < scene.width; ++i) + { + // generate primary ray direction + + // Screen space to NDC space + float nx = (i + 0.5f) * 2 / scene.width - 1.0f; + float ny = (j + 0.5f) * 2 / scene.height - 1.0f; + // NDC space to world space + + // Project matrix + /* + * [ n/r ,0 ,0 ,0 ] + * [ 0 ,n/t ,0 ,0 ] + * [ 0 ,0 ,n+f/n-f ,2nf/f-n] + * [ 0 ,0 ,1 ,0 ] + */ + // +// ͶӰ x ϵΪ n/r +// ͶӰ y ϵΪ n/t +// Ҫһ NDCռֱͶӰеϵ +// x = nx / n / r +// y = ny / n / t +// n(ͶӰΪ ĬΪ1 +// => +// x = nx * r +// y = ny * t +// r = tan(fov/2)*aspect * |n| t=tan(fov/2) * |n| , |n| = 1 +// Կɵ,ռΪ +// x = nx * tan(fov/2)*aspect +// y = ny * tan(fov/2)*aspect + float x = nx * scale * imageAspectRatio; + float y = -ny * scale; + // TODO: Find the x and y positions of the current pixel to get the direction + // vector that passes through it. + // Also, don't forget to multiply both of them with the variable *scale*, and + // x (horizontal) variable with the *imageAspectRatio* + + Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // Don't forget to normalize this direction! + dir = normalize(dir);//normalize this direction! + framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0); + } + UpdateProgress(j / (float)scene.height); + } + + // save framebuffer to file + FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb"); + (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height); + for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) { + static unsigned char color[3]; + color[0] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x)); + color[1] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y)); + color[2] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z)); + fwrite(color, 1, 3, fp); + } + fclose(fp); +} diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Renderer.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Renderer.hpp new file mode 100644 index 0000000..0e7c538 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Renderer.hpp @@ -0,0 +1,18 @@ +#pragma once +#include "Scene.hpp" + +struct hit_payload +{ + float tNear; + uint32_t index; + Vector2f uv; + Object* hit_obj; +}; + +class Renderer +{ +public: + void Render(const Scene& scene); + +private: +}; \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Scene.cpp b/Whitted Style Ray Tracing/Scene.cpp new file mode 100644 index 0000000..eac7af3 --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Scene.cpp @@ -0,0 +1,5 @@ +// +// Created by Göksu Güvendiren on 2019-05-14. +// + +#include "Scene.hpp" diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Scene.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Scene.hpp new file mode 100644 index 0000000..8c6462f --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Scene.hpp @@ -0,0 +1,33 @@ +#pragma once + +#include +#include +#include "Vector.hpp" +#include "Object.hpp" +#include "Light.hpp" + +class Scene +{ +public: + // setting up options + int width = 1280; + int height = 960; + double fov = 90; + Vector3f backgroundColor = Vector3f(0.235294, 0.67451, 0.843137); + int maxDepth = 5; + float epsilon = 0.00001; + + Scene(int w, int h) : width(w), height(h) + {} + + void Add(std::unique_ptr object) { objects.push_back(std::move(object)); } + void Add(std::unique_ptr light) { lights.push_back(std::move(light)); } + + [[nodiscard]] const std::vector >& get_objects() const { return objects; } + [[nodiscard]] const std::vector >& get_lights() const { return lights; } + +private: + // creating the scene (adding objects and lights) + std::vector > objects; + std::vector > lights; +}; \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Sphere.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Sphere.hpp new file mode 100644 index 0000000..4650fba --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Sphere.hpp @@ -0,0 +1,42 @@ +#pragma once + +#include "Object.hpp" +#include "Vector.hpp" + +class Sphere : public Object +{ +public: + Sphere(const Vector3f& c, const float& r) + : center(c) + , radius(r) + , radius2(r * r) + {} + + bool intersect(const Vector3f& orig, const Vector3f& dir, float& tnear, uint32_t&, Vector2f&) const override + { + // analytic solution + Vector3f L = orig - center; + float a = dotProduct(dir, dir); + float b = 2 * dotProduct(dir, L); + float c = dotProduct(L, L) - radius2; + float t0, t1; + if (!solveQuadratic(a, b, c, t0, t1)) + return false; + if (t0 < 0) + t0 = t1; + if (t0 < 0) + return false; + tnear = t0; + + return true; + } + + void getSurfaceProperties(const Vector3f& P, const Vector3f&, const uint32_t&, const Vector2f&, + Vector3f& N, Vector2f&) const override + { + N = normalize(P - center); + } + + Vector3f center; + float radius, radius2; +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Triangle.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Triangle.hpp new file mode 100644 index 0000000..029555e --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Triangle.hpp @@ -0,0 +1,102 @@ +#pragma once + +#include "Object.hpp" + +#include + +bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, const Vector3f& v2, const Vector3f& orig, + const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v) +{ + // TODO: Implement this function that tests whether the triangle + // that's specified bt v0, v1 and v2 intersects with the ray (whose + // origin is *orig* and direction is *dir*) + // Also don't forget to update tnear, u and v. + + Vector3f e1 = v1 - v0; + Vector3f e2 = v2 - v0; + Vector3f s0 = orig - v0; + Vector3f s1 = crossProduct(dir, e2); + Vector3f s2 = crossProduct(s0, e1); + + Vector3f s = Vector3f(dotProduct(s2, e2), dotProduct(s1, s0), dotProduct(s2, dir)) / dotProduct(s1, e1); + tnear = s.x; + u = s.y; + v = s.z; + + if (tnear >= 0 && u >= 0 && v >= 0 && (u + v) <= 1) + { + return true; + } + + return false; +} + +class MeshTriangle : public Object +{ +public: + MeshTriangle(const Vector3f* verts, const uint32_t* vertsIndex, const uint32_t& numTris, const Vector2f* st) + { + uint32_t maxIndex = 0; + for (uint32_t i = 0; i < numTris * 3; ++i) + if (vertsIndex[i] > maxIndex) + maxIndex = vertsIndex[i]; + maxIndex += 1; + vertices = std::unique_ptr(new Vector3f[maxIndex]); + memcpy(vertices.get(), verts, sizeof(Vector3f) * maxIndex); + vertexIndex = std::unique_ptr(new uint32_t[numTris * 3]); + memcpy(vertexIndex.get(), vertsIndex, sizeof(uint32_t) * numTris * 3); + numTriangles = numTris; + stCoordinates = std::unique_ptr(new Vector2f[maxIndex]); + memcpy(stCoordinates.get(), st, sizeof(Vector2f) * maxIndex); + } + + bool intersect(const Vector3f& orig, const Vector3f& dir, float& tnear, uint32_t& index, + Vector2f& uv) const override + { + bool intersect = false; + for (uint32_t k = 0; k < numTriangles; ++k) + { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[k * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[k * 3 + 2]]; + float t, u, v; + if (rayTriangleIntersect(v0, v1, v2, orig, dir, t, u, v) && t < tnear) + { + tnear = t; + uv.x = u; + uv.y = v; + index = k; + intersect |= true; + } + } + + return intersect; + } + + void getSurfaceProperties(const Vector3f&, const Vector3f&, const uint32_t& index, const Vector2f& uv, Vector3f& N, + Vector2f& st) const override + { + const Vector3f& v0 = vertices[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector3f& v1 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector3f& v2 = vertices[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + Vector3f e0 = normalize(v1 - v0); + Vector3f e1 = normalize(v2 - v1); + N = normalize(crossProduct(e0, e1)); + const Vector2f& st0 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3]]; + const Vector2f& st1 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 1]]; + const Vector2f& st2 = stCoordinates[vertexIndex[index * 3 + 2]]; + st = st0 * (1 - uv.x - uv.y) + st1 * uv.x + st2 * uv.y; + } + + Vector3f evalDiffuseColor(const Vector2f& st) const override + { + float scale = 5; + float pattern = (fmodf(st.x * scale, 1) > 0.5) ^ (fmodf(st.y * scale, 1) > 0.5); + return lerp(Vector3f(0.815, 0.235, 0.031), Vector3f(0.937, 0.937, 0.231), pattern); + } + + std::unique_ptr vertices; + uint32_t numTriangles; + std::unique_ptr vertexIndex; + std::unique_ptr stCoordinates; +}; diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/Vector.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/Vector.hpp new file mode 100644 index 0000000..a664d2b --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/Vector.hpp @@ -0,0 +1,116 @@ +#pragma once + +#include +#include + +class Vector3f +{ +public: + Vector3f() + : x(0) + , y(0) + , z(0) + {} + Vector3f(float xx) + : x(xx) + , y(xx) + , z(xx) + {} + Vector3f(float xx, float yy, float zz) + : x(xx) + , y(yy) + , z(zz) + {} + Vector3f operator*(const float& r) const + { + return Vector3f(x * r, y * r, z * r); + } + Vector3f operator/(const float& r) const + { + return Vector3f(x / r, y / r, z / r); + } + + Vector3f operator*(const Vector3f& v) const + { + return Vector3f(x * v.x, y * v.y, z * v.z); + } + Vector3f operator-(const Vector3f& v) const + { + return Vector3f(x - v.x, y - v.y, z - v.z); + } + Vector3f operator+(const Vector3f& v) const + { + return Vector3f(x + v.x, y + v.y, z + v.z); + } + Vector3f operator-() const + { + return Vector3f(-x, -y, -z); + } + Vector3f& operator+=(const Vector3f& v) + { + x += v.x, y += v.y, z += v.z; + return *this; + } + friend Vector3f operator*(const float& r, const Vector3f& v) + { + return Vector3f(v.x * r, v.y * r, v.z * r); + } + friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vector3f& v) + { + return os << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z; + } + float x, y, z; +}; + +class Vector2f +{ +public: + Vector2f() + : x(0) + , y(0) + {} + Vector2f(float xx) + : x(xx) + , y(xx) + {} + Vector2f(float xx, float yy) + : x(xx) + , y(yy) + {} + Vector2f operator*(const float& r) const + { + return Vector2f(x * r, y * r); + } + Vector2f operator+(const Vector2f& v) const + { + return Vector2f(x + v.x, y + v.y); + } + float x, y; +}; + +inline Vector3f lerp(const Vector3f& a, const Vector3f& b, const float& t) +{ + return a * (1 - t) + b * t; +} + +inline Vector3f normalize(const Vector3f& v) +{ + float mag2 = v.x * v.x + v.y * v.y + v.z * v.z; + if (mag2 > 0) + { + float invMag = 1 / sqrtf(mag2); + return Vector3f(v.x * invMag, v.y * invMag, v.z * invMag); + } + + return v; +} + +inline float dotProduct(const Vector3f& a, const Vector3f& b) +{ + return a.x * b.x + a.y * b.y + a.z * b.z; +} + +inline Vector3f crossProduct(const Vector3f& a, const Vector3f& b) +{ + return Vector3f(a.y * b.z - a.z * b.y, a.z * b.x - a.x * b.z, a.x * b.y - a.y * b.x); +} \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/global.hpp b/Whitted Style Ray Tracing/global.hpp new file mode 100644 index 0000000..eadde0d --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/global.hpp @@ -0,0 +1,67 @@ +#pragma once + +#include +#include +#include + +#define M_PI 3.14159265358979323846 + +constexpr float kInfinity = std::numeric_limits::max(); + +inline float clamp(const float& lo, const float& hi, const float& v) +{ + return std::max(lo, std::min(hi, v)); +} + +inline bool solveQuadratic(const float& a, const float& b, const float& c, float& x0, float& x1) +{ + float discr = b * b - 4 * a * c; + if (discr < 0) + return false; + else if (discr == 0) + x0 = x1 = -0.5 * b / a; + else + { + float q = (b > 0) ? -0.5 * (b + sqrt(discr)) : -0.5 * (b - sqrt(discr)); + x0 = q / a; + x1 = c / q; + } + if (x0 > x1) + std::swap(x0, x1); + return true; +} + +enum MaterialType +{ + DIFFUSE_AND_GLOSSY, + REFLECTION_AND_REFRACTION, + REFLECTION +}; + +inline float get_random_float() +{ + std::random_device dev; + std::mt19937 rng(dev()); + std::uniform_real_distribution dist(0.f, 1.f); // distribution in range [1, 6] + + return dist(rng); +} + +inline void UpdateProgress(float progress) +{ + int barWidth = 70; + + std::cout << "["; + int pos = barWidth * progress; + for (int i = 0; i < barWidth; ++i) + { + if (i < pos) + std::cout << "="; + else if (i == pos) + std::cout << ">"; + else + std::cout << " "; + } + std::cout << "] " << int(progress * 100.0) << " %\r"; + std::cout.flush(); +} diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/main.cpp b/Whitted Style Ray Tracing/main.cpp new file mode 100644 index 0000000..6f4857d --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/main.cpp @@ -0,0 +1,39 @@ +#include "Scene.hpp" +#include "Sphere.hpp" +#include "Triangle.hpp" +#include "Light.hpp" +#include "Renderer.hpp" + +// In the main function of the program, we create the scene (create objects and lights) +// as well as set the options for the render (image width and height, maximum recursion +// depth, field-of-view, etc.). We then call the render function(). +int main() +{ + Scene scene(1280, 960); + + auto sph1 = std::make_unique(Vector3f(-1, 0, -12), 2); + sph1->materialType = DIFFUSE_AND_GLOSSY; + sph1->diffuseColor = Vector3f(0.6, 0.7, 0.8); + + auto sph2 = std::make_unique(Vector3f(0.5, -0.5, -8), 1.5); + sph2->ior = 1.5; + sph2->materialType = REFLECTION_AND_REFRACTION; + + scene.Add(std::move(sph1)); + scene.Add(std::move(sph2)); + + Vector3f verts[4] = {{-5,-3,-6}, {5,-3,-6}, {5,-3,-16}, {-5,-3,-16}};//add floor + uint32_t vertIndex[6] = {0, 1, 3, 1, 2, 3}; + Vector2f st[4] = {{0, 0}, {1, 0}, {1, 1}, {0, 1}}; + auto mesh = std::make_unique(verts, vertIndex, 2, st); + mesh->materialType = DIFFUSE_AND_GLOSSY; + + scene.Add(std::move(mesh)); + scene.Add(std::make_unique(Vector3f(-20, 70, 20), 0.5)); + scene.Add(std::make_unique(Vector3f(30, 50, -12), 0.5)); + + Renderer r; + r.Render(scene); + + return 0; +} \ No newline at end of file diff --git a/Whitted Style Ray Tracing/readme.md b/Whitted Style Ray Tracing/readme.md new file mode 100644 index 0000000..2143d0c --- /dev/null +++ b/Whitted Style Ray Tracing/readme.md @@ -0,0 +1,120 @@ +# GAMES101->assignment5 光线与三角形相交 + +项目地址：[here](https://github.com/logic-three-body/GameS101_IntroductionTOcomputerGraph/tree/%E4%BD%9C%E4%B8%9A1/Whitted%20Style%20Ray%20Tracing) + +## 实现 + +### 生成光线： + +```c++ +// [comment] +// The main render function. This where we iterate over all pixels in the image, generate +// primary rays and cast these rays into the scene. The content of the framebuffer is +// saved to a file. +// [/comment] +void Renderer::Render(const Scene& scene) +{ + std::vector framebuffer(scene.width * scene.height); + + float scale = std::tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f)); + float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height; + + // Use this variable as the eye position to start your rays. + Vector3f eye_pos(0); + int m = 0; + for (int j = 0; j < scene.height; ++j) + { + for (int i = 0; i < scene.width; ++i) + { + // generate primary ray direction + + // Screen space to NDC space + float nx = (i + 0.5f) * 2 / scene.width - 1.0f; + float ny = (j + 0.5f) * 2 / scene.height - 1.0f; + // NDC space to world space + + // Project matrix + /* + * [ n/r ,0 ,0 ,0 ] + * [ 0 ,n/t ,0 ,0 ] + * [ 0 ,0 ,n+f/n-f ,2nf/f-n] + * [ 0 ,0 ,1 ,0 ] + */ + // +// 在投影矩阵中 x 的系数为 n/r +// 在投影矩阵中 y 的系数为 n/t +// 现在要做一个逆操作，所以我们用 NDC空间的坐标分别除以投影矩阵中的系数 +// x = nx / n / r +// y = ny / n / t +// 其中 n(相机到近投影面距离为 默认情况下为1） +// => +// x = nx * r +// y = ny * t +// 其中 r = tan(fov/2)*aspect * |n|， t=tan(fov/2) * |n| , |n| = 1 +// 所以可得,世界空间中坐标为 +// x = nx * tan(fov/2)*aspect +// y = ny * tan(fov/2)*aspect + float x = nx * scale * imageAspectRatio; + float y = -ny * scale; + // TODO: Find the x and y positions of the current pixel to get the direction + // vector that passes through it. + // Also, don't forget to multiply both of them with the variable *scale*, and + // x (horizontal) variable with the *imageAspectRatio* + + Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // Don't forget to normalize this direction! + dir = normalize(dir);//normalize this direction! + framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0); + } + UpdateProgress(j / (float)scene.height); + } + + // save framebuffer to file + FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb"); + (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height); + for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) { + static unsigned char color[3]; + color[0] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x)); + color[1] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y)); + color[2] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z)); + fwrite(color, 1, 3, fp); + } + fclose(fp); +} +``` + + + +### 光线与三角形求交： + +```C++ +bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, const Vector3f& v2, const Vector3f& orig, + const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v) +{ + // TODO: Implement this function that tests whether the triangle + // that's specified bt v0, v1 and v2 intersects with the ray (whose + // origin is *orig* and direction is *dir*) + // Also don't forget to update tnear, u and v. + + Vector3f e1 = v1 - v0; + Vector3f e2 = v2 - v0; + Vector3f s0 = orig - v0; + Vector3f s1 = crossProduct(dir, e2); + Vector3f s2 = crossProduct(s0, e1); + + Vector3f s = Vector3f(dotProduct(s2, e2), dotProduct(s1, s0), dotProduct(s2, dir)) / dotProduct(s1, e1); + tnear = s.x; + u = s.y; + v = s.z; + + if (tnear >= 0 && u >= 0 && v >= 0 && (u + v) <= 1) + { + return true; + } + + return false; +} +``` + +## 结果 + +![image-20210726124752051](https://i.loli.net/2021/07/26/KyHpxYeNL86nGMk.png) \ No newline at end of file diff --git a/binaryMutiThreadSSP200.ppm b/binaryMutiThreadSSP200.ppm new file mode 100644 index 0000000..2b9f2b4 Binary files /dev/null and b/binaryMutiThreadSSP200.ppm differ diff --git a/binaryMutiThreadSSP400.ppm b/binaryMutiThreadSSP400.ppm new file mode 100644 index 0000000..e260be4 Binary files /dev/null and b/binaryMutiThreadSSP400.ppm differ diff --git a/binaryMutiThreadSSP50.ppm b/binaryMutiThreadSSP50.ppm new file mode 100644 index 0000000..968e54e Binary files /dev/null and b/binaryMutiThreadSSP50.ppm differ diff --git a/binary_SingleThread_SSP16.ppm b/binary_SingleThread_SSP16.ppm new file mode 100644 index 0000000..e4e643c Binary files /dev/null and b/binary_SingleThread_SSP16.ppm differ diff --git a/opencv.props b/opencv.props new file mode 100644 index 0000000..c091745 --- /dev/null +++ b/opencv.props @@ -0,0 +1,20 @@ + + + + + + $(VC_IncludePath);$(WindowsSDK_IncludePath);;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\include;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\include\opencv2 + $(VC_LibraryPath_x64);$(WindowsSDK_LibraryPath_x64);$(NETFXKitsDir)Lib\um\x64;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib + + + + E:\college class\package\eigen-3.3.9;%(AdditionalIncludeDirectories) + _DEBUG;_CONSOLE;_CRT_SECURE_NO_WARNINGS;%(PreprocessorDefinitions) + stdcpp17 + + + E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib\opencv_world451d.lib;E:\college class\package\opencv4.5.1\opencv\build\x64\vc15\lib\opencv_world451.lib;%(AdditionalDependencies) + + + + \ No newline at end of file