*English README is here

miniRT

概要

シンプルなRay TracerのC言語実装

デモ

scenes/texture.rt

scenes/bumpmap.rt

scenes_bonus/ch_multi.rt

環境構築の手順

必須

• GNU make (version 3.81)
• GCC (Apple clang version 13.0.0)

これらのバージョンを開発中に使用。

Mac/Linux

• 描画ライブラリ minilibx (詳しくはこちらをご覧ください！)

git clone https://github.com/moromin/miniRT --recursive
cd miniRT
make
./miniRT [RTFILE_PATH]

機能一覧

• rt ファイルから環境やオブジェクトの情報を読み込む
  • 詳しい記述方法については下に記載があります！
• 任意の位置に下記を配置可能
  • 幾何オブジェクト
  • 光源
  • 視点
• 対応した幾何オブジェクト
  • 球
  • 平面
  • 円柱
  • 円錐
• 対応した光源
  • 点光源
  • スポットライト（角度を指定可能）
• その他、考慮する要素
  • 環境光
  • 拡散反射
  • 鏡面反射
  • チェッカー柄（指定された場合）

注力した機能や工夫した点

単一継承を活用し、C言語でOOPを行った

classDiagram
class object {
	#object_vtbl vtbl
	#vector center
	#material	material;
	#obj_info	info;
	+object_ctor()
}

object <|-- sphere
class sphere {
	-double	radius
	+sphere_ctor()
}

object <|-- plane
class plane {
	-vector	normal
	-vector	normal;
	-vector	eu;
	-vector	ev;
	+plane_ctor()
}

object <|-- cylinder
class cylinder {
	-double	radius
	-double	height
	-vector	normal
	-vector	e1;
	-vector	e2;
	+cylinder_ctor()
}

object <|-- cone
class cone {
	-double	radius
	-double	height
	-vector	normal
	-vector	e1;
	-vector	e2;
	+cylinder_ctor()
}

Loading

classDiagram
class object_vtbl{
	<<interface>>
	solve_ray_equation()
	calc_normal()
	calc_bumpmap_normal()
	calc_color()
}

object_vtbl <|.. sphere
class sphere {
	solve_ray_equation()
	calc_normal()
	calc_bumpmap_normal()
	calc_color()
}

object_vtbl <|.. plane
class plane {
	solve_ray_equation()
	calc_normal()
	calc_bumpmap_normal()
	calc_color()
}
object_vtbl <|.. cylinder
class cylinder {
	solve_ray_equation()
	calc_normal()
	calc_bumpmap_normal()
	calc_color()
}
object_vtbl <|.. cone
class cone {
	solve_ray_equation()
	calc_normal()
	calc_bumpmap_normal()
	calc_color()
}

Loading

// include/object.h

typedef struct s_object_vtbl	t_object_vtbl;

typedef struct s_object {
	// 仮想関数テーブル
	t_object_vtbl	*vptr;
	t_vector		center;
	t_material		material;
	t_color			diffuse_reflection_coefficient;
	t_color			specular_reflection_coefficient;
}	t_object;

struct s_object_vtbl {
	double		(*solve_ray_equation)(t_object *const me, t_ray);
	t_color		(*calc_radiance)(t_object * const me, t_vector, t_light, t_vector);
	t_vector	(*calc_normal)(t_object * const me, t_vector　cross_point);
	t_color		(*calc_color)(t_object * const me, t_vector cross_point);
};

// include/object.h

typedef struct s_sphere {
	// t_objectを継承
	t_object	super;
	// t_sphereに固有のフィールド
	double		radius;
}	t_sphere;

Goを参考に可変長配列を実装し、シンプルな操作を可能にした

*s[1:2] のような機能は今回は必要無かった + メモリ管理が複雑になってしまったので、今回は未実装

// include/slice.h

// 前方宣言でカプセル化
typedef struct s_slice	t_slice;

t_slice	*make(size_t size, size_t len, size_t cap);
void	delete(t_slice *s);
void	append(t_slice *s, void *elem);
void	*get(t_slice *s, int index);
size_t	len(t_slice *s);

// src/slice.c

void	append(t_slice *s, void *elem)
{
	t_slice	*new;

	if (s->len < s->cap)
	{
		ft_memcpy(s->org_start + s->len * s->size, elem, s->size);
		s->len++;
	}
	else
	{
		new = x_malloc(s->size * s->cap * 2);
		ft_memcpy(new, s->cur_start, s->size * s->len);
		free(s->org_start);
		s->cap *= 2;
		s->org_start = new;
		s->cur_start = new;
		append(s, elem);
	}
}

rtファイルについて

このレイトレーシング・プログラムは、rtファイルに基づいてレンダリングする。rtファイルのフォーマットは以下のように定義されている。

{identifier} {param1} {param2} ...

例

A 0.2 255,255,255

C -50,0,20 0,0,0 70
L -40,0,30 0.7 255,255,255

pl 0,0,0 0,1.0 255,0,225
SP 0,0,20 20 255,0,0
cy 50.0,0.0,20.6 0,0,1.0 14.2 21.42 10,0,255

各識別子のパラメータは以下のように設定されている。

A：自然光 (Ambient)

A {ratio} {color}

• ratio : 自然光の光の強さの比率 [0.0, 1.0]
• color : 自然光の色 R,G,B, [0.0, 255.0]

C：カメラ (Camera)

C {view_point} {orientation_vector} {FOV}

• view_point : 視点座標 x,y,z
• orientation_vector : 正規化された方向ベクトル x,y,z, [-1, 1]
• FOV : 水平方向の視野角 [0, 180]

L：光 (Light)

L {point} {ratio} {color}

• point : 光源の座標 x,y,z
• ratio : 光源の光の強さの比率 [0.0, 1.0]
• color : 光源の色 (mandatoryでは未使用) R,G,B, [0.0, 255.0]

sp：球 (Sphere)

sp {center} {diameter} {color}.

• center : 中心座標 x,y,z
• diameter : 球の直径
• color : 色 R,G,B, [0.0, 255.0]

pl：平面 (Plane)

pl {center} {orientation_vector} {color}

• center : 中心座標 x,y,z
• orientation_vector : 正規化された方向ベクトル x,y,z, [-1, 1]
• color : 色 R,G,B, [0.0, 255.0]

cy：円柱 (Cylinder)

cy {center} {orientation_vector} {diameter} {height} {color}

• center : 中心座標 x,y,z
• orientation_vector : 正規化された方向ベクトル x,y,z, [-1, 1]
• diameter : 円柱の直径
• height : 円柱の高さ
• color : 色 R,G,B, [0.0, 255.0]

co：円錐 (Cone)

co {center} {direction} {aperture} {color}

• center : 頂点座標 x,y,z
• orientation_vector : 正規化された方向ベクトル x,y,z, [-1, 1]
• aperture : 円錐の開き角
• color : 色 R,G,B, [0.0, 255.0]

sl：スポットライト

sl {point} {orientation_vector} {FOV} {ratio} {color}

• point : 光源の座標 x,y,z
• orientation_vector : 正規化された方向ベクトル x,y,z, [-1, 1]
• FOV : 水平方向の視野角 [0, 360]
• ratio : 光源の光の強さの比率 [0.0, 1.0]
• color : 光源の色 R,G,B, [0.0, 255.0]

bm：バンプマップ (Bump map)

bm {file_path} {vertical_repetition} {horizontal_repetition}

• file_path : バンプマップ(法線マップ)ファイルパス
• horizontal_repetition : 横方向繰り返し数
• vertical_repetition : 縦方向繰り返し数

tx：テクスチャ (Texture)

tx {file_path} {vertical_repetition} {horizontal_repetition}

• file_path : テクスチャファイルパス
• horizontal_repetition : 横方向繰り返し数
• vertical_repetition : 縦方向繰り返し数

ch：チェッカーボード

ch {freq u} {freq v} {color1} {color2}

• freq u : 横方向への色の数 [1, INF]
• freq v : 縦方向への色の数 [1, INF]
• color1 : チェッカー柄1色目 R,G,B, [0.0, 255.0]
• color2 : チェッカー柄2色目 R,G,B, [0.0, 255.0]

著者

• moromin
• tacomeet

参考サイト

• C言語でレイトレーシングプログラムを作った
• レイトレーシングの教科書@TDU
• Application Note Object-Oriented Programming in C
• Texture Mapping (from The Ray Tracer Challenge)
• kohkubo/minirt_sample
• yokawada氏notion