Lite Spectral Renderer

Lite Spectral Renderer（以下简称LSR）是一个用于个人学习与研究的轻量化光线追踪渲染器。它由精简的核心代码库和一系列模块组成。这些模块独立实现了光传输过程中的各个部分，如材质、采样器、积分器、相机等。渲染器首先解析场景文件，动态加载所需的各个模块，然后使用 CPU 并行渲染得到结果图像。目前，LSR 搭建了求解光传输方程的基本框架，并实现所需的基本模块。随着后续研究的深入，还将增加更多模块与功能实现。

编译

LSR 依赖 CMake (3.1+)生成编译文件，并使用 GCC 12 编译器。在 Windows 平台上执行如下命令

cmake -G "MinGW Makefiles" -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DCMAKE_C_COMPILER=path/to/gcc.exe -DCMAKE_CXX_COMPILER=path/to/g++.exe

生成的 Makefile 文件位于 build/ 内。进入该目录执行 make，将生成核心库程序（lsr.exe），并编译各个模块为动态库，存放于 bin/ 目录。

cd build
make

LSR 理论支持在 Linux 编译，但尚未经过测试。

运行

渲染器程序通过命令行使用，其中第一个参数为场景文件路径；第二个为可选参数，指定渲染结果输出路径，未指定时将输出到场景文件相同文件夹下。

注：实际输出文件的后缀名，由场景文件中描述使用的相机底片模块决定。 例如，使用 hdr 模块时，默认输出 exr 格式的图片。

cd bin
lsr path/to/scene.xml path/to/output

场景文件格式详见最后一节。

样例

三个样例场景的描述文件位于 example 目录下。RGB 模式下，使用 path tracer 积分器，各采样数的渲染结果如下所示，渲染用时均在仅启用 8 个线程的 AMD R5 3600 上测得。

cornell-box, 1024*1024, 235K triangles

16 spp, 17.4s	256 spp, 273s	4096 spp, 4214s

为了验证 LSR path tracer 的无偏性，与 mitsuba3 的渲染结果进行了对比。误差集中于光源边缘采样部分，而性能差距主要在于 mitsuba3 使用了加速指令集。

mitsuba3, 4096 spp, 2187s (scalar mode)	difference image

绝对误差直方图分布如下，平均值为0.004。

veach-mis, 1280*720, 2332 triangles

16 spp, 4.53s	256 spp, 72.5s	4096 spp, 1154s

staircase, 1280*720, 31.4K triangles

16 spp, 17.2s	256 spp, 268s	4096 spp, 4165s

架构

LSR 在设计架构上等同于一个精简版的 mitsuba，主要实现了核心的模块化特性。每种模块负责渲染器中的一个特定部分，例如，采样器负责生成样本，相机模块负责生成光线，积分器模块负责在场景中生成完整的光路径，并计算其辐射度贡献。同类型的模块有统一的 API 接口，但实现各不相同，比如相机的实现就有透视相机和正交相机等。

场景描述文件指定了各模块使用何种具体实现，LSR 解析场景时，将动态加载所需的模块。这样做的好处是，后续研究新模块实现时，只需编译单个模块为动态库，无需重新编译整个渲染器。

LSR 已实现的模块有

• bsdf：散射模型
  • dielectric：电介质（如玻璃）反射模型
  • phong：Blinn-Phong 反射模型
• camera：相机
  • perspective：透视针孔相机
• emitter：光源
  • area：面光源
• film：相机底片
  • hdr：高动态范围底片
• filter：像素重建模块
  • box：盒滤波器
  • gaussian：高斯滤波器
• integrator：积分器
  • path：路径追踪
• sampler：采样器
  • independenet：独立随机采样器
  • lowdiscrep：低差异序列采样器
• shape：物体
  • obj：Wavefront Obj 物体
  • triangle：三角面片
• texture：纹理
  • bitmap：图像纹理
  • constant：常量纹理
  • scale：数值缩放纹理

LSR 运行的基本流程为

1. 读取场景描述文件（xml）并解析；
2. 根据解析结果，动态加载所需模块（包括 obj 文件、材质）；
3. 建立场景加速结构（BVH）；
4. 使用加载的积分器渲染场景：
   1. 将所需渲染图像划分为 16*16 的像素块，分别对应一个渲染线程；
   2. 每个线程中，由采样器生成像素块上的采样点，相机模块生成对应光线，随后积分器求得样本光线值；
   3. 相机底片模块计算样本光线对采样点周围像素的重建贡献。
5. 相机底片模块将重建像素值保存为对应格式的图片。

此外，LSR 在架构上支持 RGB 和光谱渲染。后者需要在编译时开启 SPECTRUM_RENDERING 选项。LSR 在底层实现了一个 Spectrum 类，用于控制选择 RGB 或光谱表示辐射度量与材质参数等信息，其内部的实现细节对于各个模块是透明的。

对于光谱渲染模式，作业提交的版本缺少从RGB到光谱的上采样实现，因此暂时无法使用RGB贴图。后续将进行完善。

场景描述

为了方便模块化系统处理，场景文件格式有所修改，与 mitsuba 类似，以下为例：

<integrator type="path">
  <sampler type="lowdiscrep" spp="256"/>
</integrator>
<camera type="perspective">
  <film type="hdr" width="512" height="512"/>
  <eye x="1" y="0" z="0"/>
  <lookat x="0" y="0" z="0"/>
</camera>
<scene>
  <shape type="obj" filepath="path/to/obj">
    <light mtlname="topLight" radiance="0.5,0.5,0.5"/>
    <light mtlname="bottomLight" radiance="0.5,0.5,0.5"/>
  </shape>
</scene>

每个模块由一个 xml 标签描述，标签名描述模块实现了渲染器中的哪一部分，如反射模型、光源、采样器等；type 属性表示要使用的具体实现类型，例如 phong 反射模型，dielectric 反射模型等。

模块之间存在相互嵌套关系，如采样器（sampler）在积分器（integrator）内描述，相机底片（film）在相机（camera）标签内描述。

在场景文件中，相机与底片必须指定，积分器无指定时默认使用路径追踪（path），采样器默认使用独立采样。最后，物体与光源必须在场景标签（scene）内描述。

对于面光源（area），LSR 的设计思路是是在光源模块内嵌套物体，以描述实际发光的几何形状，例如：

<emitter type="area" radiance="0.5,0.5,0.5">
  <shape type="triangle"/>
</emitter>

而作业给定的场景将多个光源放在同一个 obj 文件中，并利用 mtlname 属性指定光源所属 mesh。LSR 同样兼容这种物体内嵌光源的描述方式，但为了避免无穷嵌套，关闭了在光源模块内嵌套 obj 物体的功能，即

<emitter type="area" radiance="0.5,0.5,0.5">
  <shape type="obj" filepath="path/to/obj"/>
</emitter>

是不被允许的。后续，为了个人学研需要与维护代码简洁性，LSR 将不兼容物体内嵌光源的描述方式，并恢复光源内嵌 obj 物体的支持。