2016年3月20日 星期日

用Rust 重寫 Raytracer From Scratch

最近看到傳說中的jserv 大神所開的2016系統軟體課程,用C寫了一個Raytracing 的程式,就想我也用rust 也一遍,原本的作者是用C++(註1)寫的,相關資源如下:

Youtube channel:
https://www.youtube.com/playlist?list=PLHm_I0tE5kKPPWXkTTtOn8fkcwEGZNETh
C++ source code:
https://sourceforge.net/projects/rasterrain/
Rewritten in C:
https://github.com/purpon/raytracing_c

這次決定全用cargo 的方式來維護我的project,第一步當然是先用cargo 產生project
Cargo new raytracing-rust –bin

它會建好一個Hello world 的小程式,我們就從這個小程式一步一步往上加。
用了cargo 的好處就是想要什麼,crates.io(https://crates.io/) 上可能都有,例如我們要測量程式執行時間,只要在Cargo.toml 裡加上
[dependencies]
time = “0.1”

主程式就可以加上:
extern crate time;
use time::precise_time_ns;

let t1 = precise_time_ns;
let t2 = precise_time_ns;
即可使用相關的function ,跟C裡面include<time.h>是類似的,只是cargo 會幫你管好相依的套件,執行cargo build 就行了。

要寫入bmp 檔也是,完全不用手爆savebmp function,一樣加上
[dependencies]
bmp = “0.1.4”

extern crate bmp;
use bmp::{Image, Pixel};
相當方便,最大的麻煩其實是crates 上面的文件有時候很少…根本是幾乎看不懂的地步,另外crates的碎片化也有點嚴重,有些常用的模組有複數個可以選擇時,很可能根本不知道要選哪一個比較好。
同樣道理,影片的4/9 有很大一塊被 nalgebra的Vec3 做掉,根本不用手爆Vect.h跟那一大串線性Vect 運算;顏色也是直接用crates.io palette 的Rgba,不造輪子了直接造車子去。

寫的時候深覺Rust 的型別系統真的是嚴僅過剩,看看這段:
let fx = x as f64;
let fy = y as f64;
if ASPECT > 1.0 {
  xamnt = ((fx+0.5)/FWIDTH)*ASPECT - ((FWIDTH-FHEIGHT) / FHEIGHT / 2f64);
  yamnt = ((FHEIGHT - fy) + 0.5)/FHEIGHT;
} else if ASPECT < 1.0 {
  xamnt = (fx+0.5)/FWIDTH;
  yamnt = (((FHEIGHT - fy)+0.5)/ FHEIGHT)/ASPECT - ((FHEIGHT-FWIDTH)/ FWIDTH/2.0);
} else {
  xamnt = (fx+0.5)/FWIDTH;
  yamnt = ((FHEIGHT - fy) + 0.5)/FHEIGHT;
}
FWIDTH跟FHEIGHT都是已經轉成f64 的width, height,Rust 在四則運算上,就限制了float 不能跟int, unsigned int 之類的運算,你一定要自己轉型不然它就跟你該該叫。

Rust 也能用一些相當高階的寫法,很多C/C++裡的index based for loop 在這裡都可以簡化(當然這樣寫是不是比較快?有沒有必要這樣寫倒不一定),例如要求某個陣列中的最大值,如果是for loop 寫法會是這樣:
let mut max = 0.0f64;
for intersect in intersections.iter() {
    if *intersect > max {
        max = *intersect
    }
}
但我們可以改成一行文:
let mut max = intersections.iter().fold(0.0f64, |max, &x| x.max(max));

又或者,下面是對所有物件呼叫它的findIntersection() 函數,並尋找其中是否有物件有交點,與交點的距離又要小於和光源的距離,正規方式先建Vec,再去Vec中尋找:
let mut second_intersect :Vec = Vec::new();
for obj in scene_obj.iter() {
    second_intersect.push(obj.findIntersection(&shadow_ray));
}
for d in second_intersect {
    if d > ACCURACY && d <= light_dis {
        // object between light and intersect point
        shadowed = true;
        break;
    }
}
但我們可以省下建Vec的步驟,直接用迭代的方式:
let shadowed = scene_obj
  .iter()
  .map(|x| x.findIntersection(&shadow_ray))
  .any(|x| x>ACCURACY && x< light_dis);

當然我得承認我功力不到家,這份main.rs裡面有很多地方混合了迭代器的寫法跟index based 的寫法,看起來整個很怪。

不過會動啦,以下是輸出的圖:

整體的code 323行,和C version 1500行比起來短小精悍得多(當然我有很多功能還沒有實作就是了);執行時間的話,我用rust time 去算執行時間是 0.08,雖然C version 是1.53s,但考量它有開AA,可能讓運算量倍數成長,就先不去考慮效率不效率了

結語:
其實某種程度上這也是興趣使然而寫的,也算當做練習Rust,我覺得寫Rust 有個要點要把握,能找到crates 就用,不要沒事就鑽下去認真打造基礎零件,在這個上面認真你就輸了。

其實我這個也可以算重造輪子,拔拔你看人家造的車子都已經上太空啦~~
https://github.com/gyng/rust-raytracer

原始碼都放在這裡,歡迎大家來fork:
https://github.com/yodalee/Raytracing-rust

後記:
* 寫這個就會覺得我當初3DMM 沒學好,對不起簡教授QAQ
* 算是小小吐槽一下好了,原本的那部影片用的根本是用了Class 跟Vector 的C,我邊看邊Murmur: 你這樣寫你到底會不會寫C++ 呀幹 然後有些地方的寫法,例如它Sphere 的findIntersection(),把各個vector 翻出來開腸剖肚的寫法,你真的有想過這些東西都是向量運算,之前你就實作過了,你寫了20 行的東西我兩行就寫完了耶XD
Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...