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Welcome to convert the following code to GLSL, i.e. to implement “sampled lights”, including “sampled spheres by solid angle” and “shadow rays.”

• 实现光线跟踪算法；
• 通过底层算法实现计算光线交点来绘制场景；
• 场景中图元数量不少于 5 个：共 9 个，分别为左墙、右墙、天花板、地板、不锈钢球、玻璃球、顶灯；
• 能够实现自然软阴影效果；
• 能够实现一个不锈钢表面材质物体反射周围环境的基本效果。

• 不依赖除 OpenGL 外的任何第三方库，调用操作系统 API 创建窗口实时预览渲染过程；
• 使用 OpenGL 4.5 的新版特性，包括计算着色器、可编程流水线，并默认使用独立显卡进行加速，充分利用显卡性能，占用率可接近 100%，AMD Radeon RX 6600 XT 可达 72 FPS；
• 光追计算着色器代码中逐行撰写了注释，在保证可读性的情况下精简代码，力争用最短的代码（C 程序 + 着色器程序）实现能力范围内最好的效果。

• 运行 ./main，如果控制台输入类似以下信息，并弹出窗口可看到渲染内容，则运行成功。

  GL_VERSION: 4.6.0 NVIDIA 526.98
  GL_VENDOR: NVIDIA Corporation
  GL_SHADING_LANGUAGE_VERSION: 4.60 NVIDIA

• 由于使用 Win32 API 创建窗口，故只能在 Windows 上运行。开发环境为 Windows 10 21H2 19044.2364。

• OpenGL 版本必须不低于 4.5。

• 编译代码有两种方式：

  1. 安装了 Visual Studio：“开始”菜单中打开“Developer PowerShell for VS 2022”或“Developer Command Prompt for VS 2022”，cd 到代码当前目录，然后输入./build 即可编译运行。
  2. 安装了 CMake 和兼容的编译器（MSVC 或 MinGW）：按照使用 CMake 的习惯编译，或使用支持 CMake 的 IDE（如 Visual Studio 或 CLion）作为项目打开文件夹。

1. 模拟光照

渲染方程

其中使用蒙特卡洛法 + “帐篷滤波器”，可以得到更平滑的图片。

2. 算法伪代码

实现过程中，将所有图元均用球体表示，墙作为半径巨大的球，可以统一光线求交的代码。

使用了俄罗斯轮盘赌，随机停止继续追踪光线。

vec3 random = rand(uvec3(coord, frameIndex * 64 + depth));
float p = max(max(nearestObject.color.x, nearestObject.color.y), nearestObject.color.z);  // max reflectance color
if (depth > RUSSIAN_ROULETTE_THRESH) {
    if (random.z >= p) {
    	break;
    } else {
    	accmat /= p;  // scale accumulated material by reflectance
    }
}

分反射、散射、折射生成不同光线，并考虑全反射。

3. 主程序：main.c，负责创建窗口、准备场景、准备缓冲区、编译链接着色器代码、切换缓冲区显示每一帧。

4. 计算着色器：compute.glsl，负责实现算法流程，以 $16 \times 16$ 为单位分批计算，将颜色保存在纹理缓冲区。

5. 顶点着色器：vertex.glsl ，实际上就是屏幕的矩形，用来显示渲染的图像。

6. 片元着色器：fragment.glsl，负责将生成的图像作为纹理映射到屏幕矩形上，对图像应用了伽玛矫正，让颜色看起来更自然。

7. 其余文件：加载 OpenGL 函数指针的必要库文件。

通过本次实验，学习了光线追踪算法，熟悉了 OpenGL 的使用，真正感受到了 GPU 加速的特点。该算法有纯 CPU 实现的版本，但即使使用 OpenMP 多核并行加速，相比这个用着色器实现的版本，还是要慢很多。通过对比，我也更深刻地理解了 CPU 程序和着色器程序之间的关系。但着色器代码不能像 CPU 代码那样打断点调试，且 OpenGL 准备过程复杂，如必须按顺序绑定各种缓冲区，否则只有一片黑，让我倍受折磨。这也让我感受到了抽象封装成通用框架的重要性，如把编译链接着色器代码、按顺序绑定各种缓冲区的流程都抽象封装成通用框架，这样后续使用时能方便许多。总之，图形学真的很有意思！

Kevin Beason, smallpt - A Monte Carlo Path Tracer.

imgeself/raytracer: Ray tracer for my own learning purposes (github.com)