Projet Raytracer C++ / OpenGL

Auteur : César Charbey

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1. Les Fondations du Lancer de Rayons

Principe de Base

Ce projet a pour but de développer un moteur de lancer de rayons (Raytracer) complet en C++ / OpenGL. Partant d'une structure minimale, j'ai implémenté progressivement les concepts fondamentaux pour aboutir à un moteur capable de simuler des phénomènes physiques complexes comme la réfraction, les caustiques et l'illumination globale approximée.

La première étape consistait à mettre en place le mécanisme fondamental du Raytracing. Contrairement à la lumière réelle, nous lançons les rayons depuis l'oeil (la caméra) à travers chaque pixel de l'écran virtuel pour déterminer ce qu'ils touchent.

Intersections Primitives

• Sphère : Résolution analytique d'une équation du second degré $|P(t) - C|^2 = R^2$.
• Carré : Intersection plan infini + vérification des bornes locales.

Sphère	Carré	Assemblage (Cornell Box)

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2. Éclairage et Ombres

Modèle d'Illumination de Phong

J'ai implémenté le modèle local de Phong qui décompose la lumière en trois composantes :

1. Ambiante ($I_a$) : Lumière constante.
2. Diffuse ($I_d$) : Proportionnelle à $\cos(\theta) = N \cdot L$.
3. Spéculaire ($I_s$) : Tache brillante proportionnelle à $(R \cdot V)^\alpha$.

Ombres Douces (Soft Shadows)

Pour pallier le manque de réalisme des ombres dures, j'ai implémenté des Area Lights. L'algorithme repose sur une méthode de Monte-Carlo : je lance $N$ rayons (ex: 32) vers des points aléatoires répartis sur la surface de la lumière. Cela crée naturellement une zone de pénombre réaliste.

Résultat : Sphères avec éclairage de Phong et ombres douces.

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3. Géométrie Complexe et Réflexion

Gestion des Maillages (.OFF)

Chargement de fichiers .OFF et stockage dans une classe Mesh. J'ai implémenté le Smooth Shading : lors du chargement, je pré-calcule la normale moyenne de chaque sommet. Lors du rendu, j'interpole la normale via les coordonnées barycentriques : $$N_{interpolée} = (1 - u - v) \cdot N_{v0} + u \cdot N_{v1} + v \cdot N_{v2}$$

Intersection Möller–Trumbore

Pour l'intersection Rayon-Triangle, j'utilise l'algorithme de Möller–Trumbore. Il est rapide, économe en mémoire (pas de stockage de plan) et fournit directement les coordonnées barycentriques $(u, v)$ nécessaires au lissage des normales.

Réflexion et Réfraction

J'ai introduit la récursivité pour gérer les matériaux complexes.

• Réflexion (Miroir) : Calcul du vecteur réfléchi $R = I - 2(N \cdot I)N$.
• Réfraction (Verre/Eau) : Utilisation de la loi de Snell-Descartes $n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)$.
  • Gestion entrée/sortie du milieu (inversion des normales et des indices).
  • Gestion de la réflexion totale interne.
• Fresnel (Schlick) : Approximation pour mixer réflexion et réfraction selon l'angle de vue (plus réflectif sur les bords).

Réfraction Standard	Effet Fresnel / Rasant
Le rayon traverse	Le rayon est réfléchi

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4. Structure d'Accélération (KdTree)

Pour optimiser le rendu des maillages complexes, j'ai implémenté un KdTree à deux niveaux (Architecture BVH).

Architecture

1. Niveau 1 (Global / TLAS) : Structure la scène. Il contient les Objets (Sphères, Meshs, Plans). Permet un Culling efficace.
2. Niveau 2 (Local / BLAS) : Interne au Mesh. Gère les milliers de triangles d'un objet. Utilise une traversée optimisée par pile itérative ($O(\log N)$).

Justification

Cette architecture sépare la logique de la scène de la géométrie pure. Elle correspond au standard industriel utilisé par les GPU modernes (RTX) sous les noms de TLAS (Top-Level Acceleration Structure) et BLAS (Bottom-Level Acceleration Structure).

KdTree Simple (1 niveau)	KdTree Complexe (2 niveaux)

Références : ARM Developer | Vulkan Tutorial

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5. Améliorations Visuelles

Blinn-Phong

Remplacement de Phong par Blinn-Phong (utilisation du Half-Vector $H$). La différence est subtile mais physiquement plus plausible sur les spéculaires.

Phong Classique	Blinn-Phong

Photon Mapping et Caustiques

Implémentation d'une passe de Lancer de Photons pour générer des caustiques (lumière focalisée par le verre).

1. Émission de millions de photons depuis la lumière.
2. Stockage dans une Photon Map (via un KdTree spécifique).
3. Estimation de densité lors du rendu final (k-NN).

Sans Photons	Avec 1M Photons	Debug PhotonMap
Ombres noires	Caustiques visibles	Nuage de points

Références : Alchetron | Wikipédia

Scène Sous-Marine

Création d'une eau procédurale (fonctions sinusoïdales) et simulation de l'absorption de la lumière (Brouillard/Beer-Lambert).

Tone Mapping ACES

Application d'une courbe de Tone Mapping pour gérer la plage dynamique (HDR) et éviter la saturation des blancs ("clamping") due aux caustiques intenses.

Sans Tone Mapping	Avec ACES
Saturation brutale	Détails préservés

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6. Interface Utilisateur (ImGui)

Intégration d'une interface graphique pour le contrôle temps réel :

• Choix de scène.
• Position de la lumière / Puissance.
• Paramètres de rendu (Samples, Nb Photons).
• Debug (Visualisation KdTree, Photons).

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7. Rendu "Artistique"

Fails & Bugs

Voici quelques "accidents" rencontrés durant le développement.

"Varicelle" (Photons trop gros)	Miroir infini	Création de l'eau

Rendus Finaux

Cornell Box (1M Photons)	Scène Sous-Marine (100M Photons)

Rendu Haute Qualité 10 millions de photons / 20 samples / HD / 389 secondes