Texture Mapping (텍스처 매핑)

#pragma once #ifndef TEXTURE_H #define TEXTURE_H #include"Vec3.h" #include"Interval.h" // 텍스처 인터페이스: (u,v) 좌표와 점 p를 받아 그 위치의 색을 반환. class Texture { public: __device__ virtual ~Texture() {} __device__ virtual Color Value(double u, double v, const Point3& p) const = 0; }; // 단색 텍스처: (u,v)와 무관하게 항상 같은 색. "모든 색은 텍스처"의 출발점. class SolidColor : public Texture { public: __device__ SolidColor(const Color& albedo) : mAlbedo(albedo) {} __device__ SolidColor(double r, double g, double b) : mAlbedo(Color(r, g, b)) {} __device__ Color Value(double u, double v, const Point3& p) const override { return mAlbedo; } private: Color mAlbedo; };

struct HitRecord { Point3 P; Vector3 Normal; double T; // 표면 텍스처 좌표 (u, v) — [0,1] x [0,1]. 각 Hittable의 Hit()이 채운다. double U; double V; bool bFrontFace; Material* MaterialPtr; __device__ void SetFaceNormal(const Ray& ray, const Vector3& outwardNormal) { /* 기존과 동일 */ } };

// 공간 체커 텍스처: 점 p의 위치만으로 3D 체커 무늬를 만든다(u,v는 무시). class CheckerTexture : public Texture { public: __device__ CheckerTexture(double scale, Texture* even, Texture* odd) : mInvScale(1.0 / scale), mEven(even), mOdd(odd) {} __device__ Color Value(double u, double v, const Point3& p) const override { int xInteger = int(floor(mInvScale * p.X())); int yInteger = int(floor(mInvScale * p.Y())); int zInteger = int(floor(mInvScale * p.Z())); bool isEven = ((xInteger + yInteger + zInteger) % 2) == 0; return isEven ? mEven->Value(u, v, p) : mOdd->Value(u, v, p); } private: double mInvScale; Texture* mEven; Texture* mOdd; };

#include"Texture.h" #include"Hittable.h"// rec.U/V/P 접근을 위해 완전한 HitRecord 정의 필요 class Lambertian : public Material { public: // 단색 → SolidColor 텍스처로 감싼다. __device__ Lambertian(const Color& albedo) : mTexture(new SolidColor(albedo)) {} // 임의 텍스처(체커/이미지)를 직접 받는 생성자. __device__ Lambertian(Texture* texture) : mTexture(texture) {} __device__ bool Scatter( const Ray& rayIn, const HitRecord& rec, Color& attenuation, Ray& scattered, curandState* randState) const override { Vector3 scatterDirection = rec.Normal + RandomInUnitSphere(randState); if (scatterDirection.NearZero()) scatterDirection = rec.Normal; scattered = Ray(rec.P, scatterDirection, rayIn.Time()); // 히트 지점의 텍스처 좌표로 색을 조회한다(단색이면 항상 같은 값). attenuation = mTexture->Value(rec.U, rec.V, rec.P); return true; } private: Texture* mTexture; };

// 기존: list[0] = new Sphere(..., new Lambertian(Color(0.5, 0.5, 0.5))); // 변경: 바닥을 체커 텍스처로 Texture* checker = new CheckerTexture( 0.32, new SolidColor(Color(0.2, 0.3, 0.1)), // even (어두운 초록) new SolidColor(Color(0.9, 0.9, 0.9))); // odd (밝은 회색) list[i++] = new Sphere( Vector3(0.0, -1000.0, -1.0), 1000.0, new Lambertian(checker));

// CreateWorld 시그니처: sceneId + (이미지 텍스처용) 디바이스 버퍼/크기 추가 __global__ void CreateWorld( Hittable** list, Hittable** world, Camera** camera, int imageWidth, int imageHeight, curandState* randState, int* outCount, Hittable** bvhNodes, int* outNodeCount, int sceneId, const unsigned char* earthData, int earthW, int earthH) { if (threadIdx.x == 0 && blockIdx.x == 0) { curandState localRandState = *randState; int i = 0; // 장면별 카메라 파라미터(아래 분기에서 채움) Vector3 lookfrom(13, 2, 3), lookat(0, 0, 0); double vfov = 20.0, aperture = 0.0, distToFocus = 10.0; double shutterOpen = 0.0, shutterClose = 0.0; if (sceneId == 0) { // bouncing_spheres: 바닥을 체커로 (Listing 26) + 488개 랜덤 구 + 모션 블러 // ... (기존 최종 장면, 바닥만 CheckerTexture로 교체) ... lookfrom = Vector3(13, 2, 3); vfov = 30.0; aperture = 0.1; shutterOpen = 0.0; shutterClose = 1.0; } else if (sceneId == 1) { // checkered_spheres: 체커 구 2개 (Listing 28) Texture* checker = new CheckerTexture(0.32, new SolidColor(Color(0.2, 0.3, 0.1)), new SolidColor(Color(0.9, 0.9, 0.9))); list[i++] = new Sphere(Vector3(0, -10, 0), 10, new Lambertian(checker)); list[i++] = new Sphere(Vector3(0, 10, 0), 10, new Lambertian(checker)); lookfrom = Vector3(13, 2, 3); vfov = 20.0; aperture = 0.0; } else { // earth: 이미지 텍스처 구 1개 (Listing 33) Texture* earthTex = new ImageTexture(earthData, earthW, earthH); list[i++] = new Sphere(Vector3(0, 0, 0), 2, new Lambertian(earthTex)); lookfrom = Vector3(0, 0, 12); vfov = 20.0; aperture = 0.0; } *randState = localRandState; *outCount = i; // === BVH 빌드 (모든 장면 공통) === int nodeCount = 0; BvhNode* root = new BvhNode(list, 0, i, bvhNodes, &nodeCount); bvhNodes[nodeCount++] = root; *outNodeCount = nodeCount; *world = root; // === 카메라 (장면별 파라미터로 공통 생성) === *camera = new Camera(lookfrom, lookat, Vector3(0, 1, 0), vfov, double(imageWidth) / double(imageHeight), aperture, distToFocus, shutterOpen, shutterClose); } }

// main() 에서 장면 선택 int sceneId = 0; // 0: 체커 바닥 최종 장면 / 1: 체커 구 2개 / 2: 지구

u = φ / (2π) v = θ / π

y = −cos(θ) x = −cos(φ)·sin(θ) z = sin(φ)·sin(θ)

θ = arccos(−y) φ = atan2(−z, x) + π

// 원점 중심 단위 구 위의 점 p에 대한 (u,v) 텍스처 좌표. // <1 0 0> -> <0.50 0.50> <-1 0 0> -> <0.00 0.50> // <0 1 0> -> <0.50 1.00> <0 -1 0> -> <0.50 0.00> // <0 0 1> -> <0.25 0.50> <0 0 -1> -> <0.75 0.50> __device__ static void GetSphereUV(const Point3& p, double& u, double& v) { const double pi = 3.1415926535897932385; double theta = acos(-p.Y()); double phi = atan2(-p.Z(), p.X()) + pi; u = phi / (2.0 * pi); v = theta / pi; } // Hit() 안, 법선을 set 한 직후: Vector3 outwardNormal = (hitRecord.P - mCenter) / mRadius; hitRecord.SetFaceNormal(ray, outwardNormal); GetSphereUV(outwardNormal, hitRecord.U, hitRecord.V); // ← 추가 hitRecord.MaterialPtr = mMaterial;

// stb_image 구현부 전용 호스트 TU (cl이 컴파일, cudafe++ 우회) #ifdef _MSC_VER #pragma warning(push, 0) #endif #define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION #define STBI_FAILURE_USERMSG #include"external/stb_image.h" #ifdef _MSC_VER #pragma warning(pop) #endif

#pragma once #ifndef RTW_IMAGE_H #define RTW_IMAGE_H // stb 구현부는 StbImageImpl.cpp에 있다. 여기서는 쓰는 두 함수만 전방 선언 // (stb_image.h 자체를 .cu 경로에 들이지 않는다 → cudafe++ 크래시 회피). extern "C" { float* stbi_loadf(char const* filename, int* x, int* y, int* channels_in_file, int desired_channels); void stbi_image_free(void* retval_from_stbi_load); } #include"cuda_runtime.h" #include<iostream> // 호스트에서 이미지를 로드해 RGB 바이트로 변환 후 디바이스로 업로드한다. class RtwImage { public: RtwImage() {} explicit RtwImage(const char* filename) { Load(filename); } ~RtwImage() { if (mDeviceData) cudaFree(mDeviceData); } bool Load(const char* filename) { int channelsInFile = 0; // 선형 float [0,1]로 디코딩 (모든 연산은 선형 색공간에서) float* fdata = stbi_loadf(filename, &mWidth, &mHeight, &channelsInFile, 3); if (fdata == nullptr) { std::cerr << "ERROR: Could not load image '" << filename << "'.\n"; mWidth = mHeight = 0; return false; } int totalBytes = mWidth * mHeight * 3; // 호스트: 선형 float -> 바이트 unsigned char* hostBytes = new unsigned char[totalBytes]; for (int k = 0; k < totalBytes; k++) hostBytes[k] = FloatToByte(fdata[k]); stbi_image_free(fdata); // 디바이스 글로벌 메모리로 업로드 cudaMalloc((void**)&mDeviceData, totalBytes); cudaMemcpy(mDeviceData, hostBytes, totalBytes, cudaMemcpyHostToDevice); delete[] hostBytes; return true; } const unsigned char* DeviceData() const { return mDeviceData; } int Width() const { return mWidth; } int Height() const { return mHeight; } private: unsigned char* mDeviceData = nullptr; // 디바이스 버퍼 int mWidth = 0, mHeight = 0; static unsigned char FloatToByte(float value) { if (value <= 0.0f) return 0; if (1.0f <= value) return 255; return static_cast<unsigned char>(256.0f * value); } }; #endif

class ImageTexture : public Texture { public: // devData : 디바이스 글로벌 메모리의 RGB 바이트 버퍼(RtwImage가 업로드). __device__ ImageTexture(const unsigned char* devData, int width, int height) : mData(devData), mWidth(width), mHeight(height) {} __device__ Color Value(double u, double v, const Point3& p) const override { // 데이터가 없으면 디버깅용 청록색 if (mHeight <= 0 || mData == nullptr) return Color(0.0, 1.0, 1.0); // (u,v)를 [0,1]로 클램프, v는 이미지 좌표계(위가 0)로 뒤집는다 u = Interval(0.0, 1.0).Clamp(u); v = 1.0 - Interval(0.0, 1.0).Clamp(v); int i = int(u * mWidth); int j = int(v * mHeight); if (i >= mWidth) i = mWidth - 1; if (j >= mHeight) j = mHeight - 1; const unsigned char* pixel = mData + (j * mWidth + i) * 3; double s = 1.0 / 255.0; return Color(s * pixel[0], s * pixel[1], s * pixel[2]); } private: const unsigned char* mData; // 디바이스 글로벌 메모리 RGB 바이트 int mWidth, mHeight; };

// === 이미지 텍스처 업로드 (scene 2에서만) === // RtwImage 소멸자가 디바이스 버퍼를 해제하므로, 렌더가 끝날 때까지 살아 있도록 // main 스코프에 둔다. 파일이 없으면 DeviceData()==nullptr → 커널이 청록색을 표시. RtwImage earthImage; const unsigned char* earthData = nullptr; int earthW = 0, earthH = 0; if (sceneId == 2) { earthImage.Load("earthmap.jpg"); earthData = earthImage.DeviceData(); earthW = earthImage.Width(); earthH = earthImage.Height(); } CreateWorld<<<1, 1>>>(list, world, camera, imageWidth, imageHeight, randState2, d_numHittables, bvhNodes, d_numNodes, sceneId, earthData, earthW, earthH);

<!-- 컴파일 대상: stb 구현부는 cl이 빌드 --> <ItemGroup> <ClCompile Include="StbImageImpl.cpp" /> </ItemGroup> <!-- 헤더 --> <ItemGroup> <ClInclude Include="Texture.h" /> <ClInclude Include="RtwImage.h" /> <ClInclude Include="external\stb_image.h" /> <!-- ... 기존 헤더들 ... --> </ItemGroup>