MPIL(3I008)
Année 2016/2017
Mini-projet : lancer
de rayons – partie 2
Objectifs
1. Chargement d’une scène
2. Plus d’objets
3. Parcours d’arbre
4. Plus de phénomènes physiques
Plusieurs questions ou exercices sont facultatifs mais per-
mettent d’obtenir un bonus de points.
Exercice 1 : Chargement d’une scène
Au lieu de décrire vos scènes en OCaml, et d’avoir à recom-
piler à chaque changement de scène, il est plus pratique de
définir ses scènes dans un fichier et de lancer le programme
dessus.
Nous allons utiliser le format (très simple) suivant :
— Chaque ligne correspond à un élément de la scène
— Les éléments peuvent être une caméra, un objet, un ma-
terial, une lumière.
— Chaque ligne commence par un mot clé qui indique l’élé-
ment, suivi de paramètres pour préciser cet élément.
Les éléments sont :
camera x0 y0 z0 xA yA zA alpha width height où (x0, y0, z0) est
l’origine de la caméra, x1, yA, zA est le point de visée,
alpha le champ de vision, width et height les dimensions de
la fenêtre de rendu.
material name r g b ka kd ks alpha où name est le nom du ma-
terial, (r, g, b) est sa couleur, (ka, kd, ks) les coefficients
pour l’illumination ambiante, diffuse, et spéculaire, et
alpha, l’exposant dans le modèle de Blinn-Phong.
sphere xC yC zC radius material où (xC, yC, zC) est le centre
de la sphère, radius le rayon, material le nom du material
à appliquer sur la sphère.
light x y z r g b i où (x, y, z) est la direction de la lumière
distante, (r, g, b) est la couleur de la lumière, et i est son
intensité.
Q.1.1 Un module OCaml vous est fourni pour parser de tels
fichiers de description de scène à l’adresse https://drive.
google.com/file/d/0BzuP8lg-Dqt6R1JTSndzbnNrelE.
Adaptez le module à vos propres types et fonction pour
manipuler les vecteurs et les éléments de la scène.
Faire en sorte que votre lanceur de rayon puisse être appelé
en ligne de commande avec un fichier de description de scène
en argument.
Q.1.2 Tester votre lanceur de rayon sur la description de
scène suivante :
camera 0. 0. 0. 0. 0. 5. 2.0943951 700 500
material sphereMat 255 0 0 1. 0.6 0.7 10.
sphere 1. 1. 5. 0.4 sphereMat
light -10. -30. 20. 255 255 255 0.1
Q.1.3 Facultatif Écrire une fonction pour sauvegarder une
scène dans un fichier dans le format décrit ci-dessus.
Exercice 2 : Plus d’objets
Q.2.1 Dans cette question, nous rajoutons les plans comme
objets possibles à afficher (on rappelle qu’on n’a que les
sphères pour l’instant). Un plan est défini par un point p0 sur
le plan et un vecteur normal 1 au plan ~p. Écrire le type plane.
Ainsi, tout point P sur le plan vérifie l’équation suivante :
−−→
p0P · ~p = 0
Intersection L’équation paramétrique d’un rayon (voir
partie 1) est :
P = O + t~v
d’où (O + t~v − p0) · ~p = 0 et donc :
t =
(p0 −O) · ~p
~v · ~p
Un rayon a donc une intersection avec le plan si le dénomina-
teur est non nul, c’est-à-dire si ~v · ~p 6= 0, en d’autres termes,
si le rayon et le plan sont parallèles. Par ailleurs, il faut aussi
vérifier que t ≥ 0. Dans le cas contraire, cela signifie que le
plan se trouve derrière la caméra.
Ajouter une fonction (ou une méthode) intersect pour le
plan.
Q.2.2 Rajouter le triangle comme objet représentable dans
notre lanceur de rayon. Le triangle est un objet qui est très
utile quand il est agrégé avec d’autres triangles pour former
des objets complexes. Un triangle est défini par trois points.
Écrire son type.
Intersection Pour vérifier l’intersection entre un rayon
et un triangle, nous allons utiliser l’algorithme de Möller-
Trumbore. On suppose que le triangle a pour sommets,
v0, v1, v2. Le rayon a pour direction ~d et comme origine O.
On calcule le produit mixte :
m = (~d ∧ −−→v0v2) · −−→v0v1
Si m = 0 alors il n’y a pas intersection.
Sinon, on calcule :
u =
−−→
v0O · (~d ∧ −−→v0v2)
m
Si u < 0 ou u > 1 alors il n’y a pas intersection.
Sinon on calcule :
v =
~d · (
−−→
v0O ∧ −−→v0v1)
m
Si v < 0 ou u+ v > 1, alors il n’y a pas intersection.
Sinon, il y a bien intersection et la distance à l’origine est :
t =
−−→v0v2 · (
−−→
v0O ∧ −−→v0v1)
m
Écrire intersect pour un triangle.
Q.2.3 Facultatif. Les objets disponibles pour l’instant
rendent difficile le rendu d’une scène complexe, avec des ob-
jets qui auraient des formes géométriques arbitraires, par
1. Perpendiculaire.
1
https://drive.google.com/file/d/0BzuP8lg-Dqt6R1JTSndzbnNrelE
https://drive.google.com/file/d/0BzuP8lg-Dqt6R1JTSndzbnNrelE
exemple issus d’un logiciel de modélisation 3D comme Blen-
der. Rajouter une gestion basique du format Wavefront Obj.
Une façon de faire est d’interfacer avec OCaml une biblio-
thèque C, tinyobjloader-c pour charger les .obj : https:
//github.com/syoyo/tinyobjloader-c
Une autre façon est de parser un sous-ensemble du format
.obj, par exemple, seulement la définition des sommets et des
faces. Le format .obj est un format textuel simple à parser,
où chaque élément est défini ligne par ligne. Les faces d’un
.obj sont triangulaires.
#Un commentaire
# Un sommet de cordonnées (2.3, 4.5, 10)
v 2.3 4.5 10
v 1.0 0.34 0.5
v 0.34 -0.3 -2.456
# Une face, composée des arêtes définies
# en premier, en deuxième, et en troisième
f 1 2 3
Vous devez pouvoir charger un sous-ensemble de ce format,
écrire un type ou une classe pour le représenter, et ajouter
une fonction (ou méthode) intersect qui vérifie l’intersection
entre un tel objet et un rayon.
Q.2.4 Facultatif. Ajouter la gestion des plans, des triangles,
et des Wavefront obj, dans notre format de description de
scène.
Exercice 3 : Parcours d’arbre
Parmi les nombreuses optimisations existantes d’un lanceur
de rayon, on trouve l’utilisation d’une structure visant à orga-
niser les objets de la scène à intersecter. Nous allons appliquer
pour cette question une version simple du kd-tree [2, 3, 4] pour
optimiser le rendu d’une scène lorsque le nombre d’objet pré-
sent devient conséquent.
L’idée simple est illustrée sur l’image 1 et consiste à séparer
l’espace d’une scène en k plans et ainsi entourer ses objets par
des boites représentant les bornes min/max des coordonnées
d’un objet. Ainsi, si un rayon n’intersecte pas cette boite alors
le ou les objets contenus dans cette boite ne sont pas intersec-
tés. Cette structure ajoute également une notion de distance
et le premier objet ayant été intersecté est le plus proche de
l’origine du rayon (les autres objets pouvant être intersectés
après ne seront donc pas calculés).
Q.3.1 Avant de commencer, il faut définir quelques types
et interfaces (.mli) pour pouvoir manipuler notre kd-tree sans
contraindre les objets déjà définis dans votre projet. Remar-
quer qu’un kd−tree est un objet (ou forme)comme une sphère
et doit donc présenter la même interface objet. L’écrire ou
la compléter avec les fonctions :
— intersect, étant la fonction d’intersection codée dans
la phase 1 du projet,
— min, retournant la valeur du point minimal de la forme
— max, retournant la valeur du point maximal de la forme
Ainsi, nous avons le point minimum et maximum d’une
forme.
Q.3.2 Un kd-tree est un simple arbre binaire, son type est
un objet et ses nœuds sont soit une feuille (une liste de ob-
jets), soit un nœud intermédiaire représenté par une boite
limitant la zone contenue par ses deux sous arbres. Pour
cela notre boite limitante doit avoir deux points (ses deux
points extrêmes c1 et c2). Définissez les types kd-tree et
cut c2c1
y
x mdmg
cut’
Figure 1 – Phase de construction d’un kd-tree (représentée
par le premier point de découpe cut et les bornes du plan c1−
c2 projetées sur l’axe des x). La phase suivante est représentée
uniquement par son point de découpe cut’ et son médian.
boitelimite.
Q.3.3 (construction) Pour construire un kd-tree à partir
d’une scène (une liste de formes pour être précis), il faut consi-
dérer la notion de projection. En effet, chaque découpage est
calculé sur un certain axe et changé pour l’étape suivante, ceci
permet d’obtenir des plans alignés simplifiant les calculs et la
structure de l’arbre. Pour ce projet nous allons projeter nos
calculs sur la suite d’axes x, y, z, x, y, z . . . qui est la stratégie
généralement utilisée. La construction d’un arbre ce fait donc
suivant ces étapes :
— decoupe, pour un plan courant (c1-c2) le point médian
est calculé selon l’axe courant (le point cut sur l’image 1)
— répartition, la liste des objets restants à trier est sé-
parée en deux listes :
— lgauche, la liste où le point minimum d’un objet est
plus petit que le médian (i.e. les objets se trouvant
à gauche du milieu du plan)
— ldroit, la liste où le point maximum d’un objet est
plus grand que le médian (i.e. les objets se trouvant
à droite du milieu du plan)
Il peut y avoir bien évidemment le même objet dans les
deux listes si le médian coupe cet objet en deux, notez
que cette étape calcule également maxgauche (mg) et
mindroit (md) le point maximum des objets de gauche
(sans que ce soit plus grand que le médian) et inverse-
ment le point minimum des objets de droite
— boucle, finalement la fonction se rappelle pour chaque
côté si la profondeur k n’est pas atteinte et si la taille
de la sous-liste de objets est supérieure à 1. L’appel
incrémente la profondeur k, change l’axe de projection
et s’applique sur une des sous listes avec la nouvelle
boite limitante construit ainsi :
— (c1, maxgauche) pour celle de gauche et
— (mindroit, c2) pour celle de droite.
Q.3.4 (parcours) Pendant le lancement de rayon, le kd-tree
va devoir être traversé selon l’origine du rayon et jusqu’à ce
qu’une feuille de l’arbre soit rencontrée ou que la boite limite
soit traversée. L’image 2 résume les différentes possibilités.
Cette traversée à deux initialisions distinctes selon si l’origine
2
https://github.com/syoyo/tinyobjloader-c
https://github.com/syoyo/tinyobjloader-c
Figure 2 – Un rayon au travers d’une boite limitante.
du rayon est dans ou hors du plan. Les étapes d’une traversée
sont les suivantes :
— le point d’entrée (A) est calculé et est soit l’origine (si
le rayon part dans le plan) ou l’intersection du rayon et
de la boite racine.
— selon si ce point d’entrée est plus petit ou plus grand que
le médian d’une boite, le parcours entre dans les noeuds
gauche ou droite du kd-tree. Ceci jusqu’à atteindre une
feuille.
— Si cette feuille contient des objets alors l’intersection est
calculée avec toutes ses objets.
— Si il y a une intersection (dans le plan courant) alors le
parcours termine pour ce rayon et le reste de la fonction
peut s’appliquer (illumination)
— Si il n’y a pas de objets, pas d’intersection ou que cette
intersection n’est pas dans le plan courant, alors le point
de sortie (B) est calculé.
— Le parcours continue avec comme point d’entrée le nou-
veau point B.
— Finalement si le point de point de sortie est calculé pour
le plan racine alors le rayon n’intersecte aucun objet.
Q.3.5 Comparer le temp de rendu avec kd-tree et sans kd-tree
pour la scène de la fin de la partie 1.
Exercice 4 : Plus de phénomènes physiques
Cette partie est facultative. Nous allons ajouter deux phé-
nomènes physiques courants : la réflexion (miroir) et la ré-
fraction (comme pour de l’eau).
Q.4.1 Chaque matériau possède un coefficient de réflexion
ρr, qui est la quantité de lumière qu’il va renvoyer. Un ma-
tériau non réfléchissant a donc un coefficient valant 0. Aug-
menter le type material avec ρr.
Le rayon réfléchi ~R est renvoyé par rapport à la normale ~N
au point incident, avec le même angle θ que le rayon incident
~I, comme montré sur la Fig. 3.
Le rayon réfléchi ~R est donc donné par l’équation suivante :
~R = ~I − 2( ~N · ~I) ~N
A
~N
~I~R
θ
θ
Figure 3 – Le rayon incident de direction ~I est réfléchi par
rapport à la normale ~N . Le rayon réfléchi est ~R. Les angles
incidents et réfléchis sont égaux.
Ce que l’on voit dans la surface réfléchissante dépend du
point de vue : déplacez-vous devant un miroir ; vous ne verrez
pas la même chose. On va donc envoyer un nouveau rayon
récursivement ayant pour direction le rayon réfléchi ~R, appelé
aussi rayon spéculaire. La couleur du point incident est alors
la couleur obtenue à partir de ce rayon réfléchi, multiplié par
ρr ≤ 1. En cas de deux miroirs face à face, le nombre d’appels
récursifs est potentiellement infini.
A chaque réflexion, l’intensité de lumière réfléchie diminue,
si ρr < 1. Dans ce cas, on peut stopper les appels récursifs
quand la quantité est sous un certain �. On peut aussi limi-
ter à un nombre donné, 15 par exemple, le nombre d’appels
récursifs. Il faut se rendre compte que plus on autorise des
appels récursifs, plus le temps de rendu sera long.
Ajouter la réflexion à votre lanceur de rayons.
Q.4.2 Quand un rayon passe d’un milieu transparent à un
autre, le rayon est dévié, comme montré sur la Fig. 4. La
déviation dépend de l’indice de réfraction du milieu, ηr. Le
verre a typiquement un indice de 1.5, l’air, de 1, et l’eau, de
1.3. Ajouter dans le type material l’indice de réfraction.
~N
~I~R
~T
θ
θ
θ′
Figure 4 – Le rayon incident de direction ~I est réfléchi par
rapport à la normale ~N . Le rayon réfléchi est ~R. Le rayon
réfracté est ~T . Les angles incidents et réfléchis sont égaux,
alors que l’angle réfracté est θ′ et suit les lois de Descartes.
Les angles incident et réfracté suivent la loi de Descartes :
ηi sin θ = ηr sin θ′
On en déduit ~T . On pose c1 = ~N · ~I et
c1 =
√
1− (
ηi
ηr
)2 sin2(θ)
et on a :
~T =
ηi
ηr
~I − (
ηi
ηr
c1 − c2) ~N
3
Si le terme sous la racine dans c2 est négatif, on a une
réflexion totale, et pas de réfraction.
Ajouter la réfraction au lanceur de rayons.
*
Références
[1] Pharr, Matt and Jakob, Wenzel and Humphreys, Greg,
Physically based rendering : From theory to implementa-
tion. Morgan Kaufmann, 3rd Edition, 2016
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/K-d_tree
[3] https://www.scratchapixel.com/
lessons/advanced-rendering/
introduction-acceleration-structure/
bounding-volume-hierarchy-BVH-part1
[4] https://www.cs.unc.edu/~rademach/xroads-RT/
RTarticle.html
4
https://en.wikipedia.org/wiki/K-d_tree
https://www.scratchapixel.com/lessons/advanced-rendering/introduction-acceleration-structure/bounding-volume-hierarchy-BVH-part1
https://www.scratchapixel.com/lessons/advanced-rendering/introduction-acceleration-structure/bounding-volume-hierarchy-BVH-part1
https://www.scratchapixel.com/lessons/advanced-rendering/introduction-acceleration-structure/bounding-volume-hierarchy-BVH-part1
https://www.scratchapixel.com/lessons/advanced-rendering/introduction-acceleration-structure/bounding-volume-hierarchy-BVH-part1
https://www.cs.unc.edu/~rademach/xroads-RT/RTarticle.html
https://www.cs.unc.edu/~rademach/xroads-RT/RTarticle.html