第1章 光线跟踪器和程序设计.doc

第1章 光线跟踪器和程序设计 一款符合自然环境特征的光线跟踪器可视为一类庞大、复杂的软件系统，需要进行缜密地设计以及系统地开发。本章将简要地概述光线跟踪器的设计和程序设计。另外，读者也可从Glassner（1989），Wilt（1994），Shirley（2002），Shirley-Morley（2003）以及Pharr-Humphreys（2004）的著作中获取相关资料。 Clemson大学提供的骨骼模型（图像由Jimmy Nguyen提供） 1.1 通用解决方案 这里，建议采用面向对象（object-oriented，OO）技术开发光线跟踪器，原因包括：首先，需满足系统的规模和复杂度的要求。面向对象技术适用于庞大、复杂系统的设计与开发，而光线跟踪器恰好符合这一要求。例如，Kilauea光线可称得上是一类大型的光线跟踪器，它包含了约700000行C++代码（Kato等，2001；Kato，2002）。虽然这里所讨论的光线跟踪器不至于如此庞大，但其规模和复杂程度也应将OO技术列为首选方案。 其次是系统的扩展性能，同时，这一问题也与上述因素分不开，因为任何一个庞大、复杂的软件系统均由较为简单的系统扩充而来。光线跟踪器的扩展方式多种多样，例如，可通过添加新的几何对象类型加以实现。同时，应尽量完善光线跟踪器的设计以使这一添加操作尽可能简捷。因此，OO技术符合这一要求，即无需更改现有对象的渲染代码。另外，光线跟踪器应能够处理不同类型的相机、采样器、光照、BRDF、材质、映射操作、纹理、噪声纹理以及凹凸映射。基于光线跟踪器，添加上述任何内容都应实现操作的简捷性。 下面，将考察OO技术如何实现上述过程。例如，执行光线-对象碰撞检测的代码无需了解其所处理的对象类型。否则，需要显式地确认每一个对象的类型，并进行相交测试或在switch语句中加以判断。这极大地增加了程序编写的工作量，需要为每一种对象类型提供相应的标识符ID。更为糟糕的是，switch语句很可能在光线跟踪器代码中多次出现。因此，在光线跟踪器的相交测试部分，采用匿名对象可视为一类较好的选择。这就需要针对相交碰撞检测函数定义一个统一的公共接口，并对全部对象采用同一方式加以调用。随后，光线跟踪器可在运行期内获取相应的对象类型，并调用正确的碰撞检测函数。 这里，可采用同样的方式处理光照、材质、纹理等。此时，除了内建函数以及#include语句之外，光线跟踪器可弱化其处理的对象类型。从设计及开发的角度来看，这一点对光线跟踪器十分重要。 1.2 继承 实现上述内容的最佳方案是使用继承结构。如图1.1所示为几何对象间的继承关系图。倘若正确地实现了对象的编码，动态绑定可确保正确地调用相应的碰撞检测函数——这称为多态。 图1.1 对象间的继承关系图 另外，继承结构还有助于实现代码的复用。继承类可使用基类中的全部代码，这意味着，在添加新的继承类时，只需单独编写更新部分即可。例如，单独处理材质的代码只需在GeometricObject类中编写一次。 1.3 语言 本书中的示例代码均采用C++语言编写，同时，该语言也是设计更新跟踪器的主流程序语言，原因包括：C++语言对面向对象技术的强大支持、可在同一程序中实现C/C++代码的混合编程以及高效的计算性能。其中，较有代表性的几款光线跟踪器，例如Brazil、Mental Ray、finalRender以及Maxwell Render均采用了C++语言加以编写。同时，诸多采用C语言编写的商业级渲染和动画包也在20世纪90年代实现了C++改写。另外，RenderMan插件的编写也相应地支持C++语言。考虑到兼具C语言特征以及全编译特性，C++语言可实现高效的程序编码。因此，针对如何编写出高效的?C++代码，程序员需格外留意。关于C++语言的计算性能，Meyers（1996，2001，2005）、Lippman等（2005）以及Bulka-Mayhew（2000）的相关著作中均探讨了这一问题。这里，需要注意的是，与编写高效的代码相比，代码的易读性、可维护性以及可扩展性往往显得更加重要。换句话讲，良好的设计方案往往是我们追逐的首选目标，在这一点上，效率问题可以退而求其次。幸运的是，C++语言兼具上述两种特征。另外较为重要的一点是，为了减轻程序员的负担，可采用充分体现语言特征的某些机制进行编码。例如，考虑到虚函数调用导致的额外（间接）消耗，以及动态绑定将关闭虚函数的内联功能，过度使用C++语言中的继承机制将会产生所谓的“性能惩罚”，从而使计算效率得不偿失。 C++语言支持C标准库，另外，其自身也包含了不错的库工具，例如标准模板库（STL），具体内容可参见Lippman等（2005）、Meyers（2001）以及Ford-Topp（2001）的相关著作。同时