Ray Tracing: The Next Week 9장(Volumes)을 우리 CUDA + 레이트레이싱 프로젝트에 맞춰 다시 정리한 문서.
원서의 설명을 그대로 살리되, 코드는 우리 프레임워크(GPU 디바이스 코드)에 맞춰 바꿔 적었다. 실제로 VS2022 + CUDA 12.9로 빌드·실행해 연기/안개 상자가 든 코넬 박스를 확인했다.
레이 트레이서에 연기·안개·박무를 넣으면 표현력이 크게 는다. 이런 요소를 볼륨(volume) 또는 참여 매질(participating media) 이라 한다. 볼륨은 표면과 본질적으로 다른 존재라 보통 소프트웨어 구조를 복잡하게 만든다. 하지만 볼륨을 “확률적 표면”으로 바꾸는 깜찍한 기법이 있다 — 볼륨 안의 각 지점에서 확률적으로 있을 수도, 없을 수도 있는 표면으로 연기 덩어리를 대체하는 것이다.
이 장에서 CUDA 때문에 달라지는 큰 그림 — 가장 중요한 한 가지ConstantMedium::Hit는 “레이가 매질 안 어디서 산란하는가”를 난수로 정한다(hit_distance = -1/density · log(random)). 그런데 우리 Hittable::Hit에는 난수원이 없었다. → Hit 시그니처에 curandState* randState를 추가해, RayColor가 가진 픽셀별 cuRAND 상태를 BVH·리스트·인스턴스를 거쳐 ConstantMedium까지 흘려보낸다. 볼륨이 아닌 표면(구/사각형…)은 이 인자를 받기만 하고 쓰지 않는다.일정 밀도 매질 (Constant Density Medium)
일정한 밀도의 볼륨부터 시작한다. 볼륨을 지나는 레이는 내부에서 산란하거나, 그대로 통과한다. 아주 작은 거리 ΔL 안에서 산란할 확률은 C·ΔL(C는 광학 밀도에 비례)이다. 미분방정식을 풀면, 균일 난수 하나로부터 산란이 일어나는 거리가 나온다. 그 거리가 볼륨 밖이면 “충돌 없음”이다. 일정 밀도 볼륨은 밀도 C와 경계(boundary) 만 있으면 되며, 경계는 또 다른 Hittable로 받는다.
파일: ConstantMedium.h (신규) — 원서 Listing 71. shared_ptr → raw 포인터, random_double() → curand_uniform(randState), interval → (tMin, tMax) 시그니처.class ConstantMedium : public Hittable
{
public:
__device__ ConstantMedium(Hittable* boundary, double density, Texture* tex)
: mBoundary(boundary), mNegInvDensity(-1.0 / density),
mPhaseFunction(new Isotropic(tex)) {}
__device__ ConstantMedium(Hittable* boundary, double density, const Color& albedo)
: mBoundary(boundary), mNegInvDensity(-1.0 / density),
mPhaseFunction(new Isotropic(albedo)) {}
__device__ ~ConstantMedium() override { delete mBoundary; delete mPhaseFunction; }
__device__ bool Hit(const Ray& ray, double tMin, double tMax, HitRecord& rec,
curandState* randState) const override
{
HitRecord rec1, rec2;
// 경계와의 두 교점(들어가는 곳/나가는 곳). 시작점이 매질 내부일 수도 있어
// 전 구간(universe = -DBL_MAX..DBL_MAX)에서 검사한다.
if (!mBoundary->Hit(ray, -DBL_MAX, DBL_MAX, rec1, randState)) return false;
if (!mBoundary->Hit(ray, rec1.T + 0.0001, DBL_MAX, rec2, randState)) return false;
if (rec1.T < tMin) rec1.T = tMin; // 레이 구간 [tMin,tMax]로 자르기
if (rec2.T > tMax) rec2.T = tMax;
if (rec1.T >= rec2.T) return false;
if (rec1.T < 0.0) rec1.T = 0.0;
double rayLength = ray.Direction().Length();
double distanceInsideBoundary = (rec2.T - rec1.T) * rayLength;
double hitDistance = mNegInvDensity * log(curand_uniform(randState));
if (hitDistance > distanceInsideBoundary) return false; // 매질을 통과(미스)
rec.T = rec1.T + hitDistance / rayLength; // 매질 내부에서 산란한 지점
rec.P = ray.At(rec.T);
rec.Normal = Vector3(1, 0, 0); // 임의(등방성이라 의미 없음)
rec.bFrontFace = true; // 임의
rec.MaterialPtr = mPhaseFunction;
return true;
}
__device__ Aabb BoundingBox() const override { return mBoundary->BoundingBox(); }
private:
Hittable* mBoundary;
double mNegInvDensity;
Material* mPhaseFunction;
};
C++
복사
Listing 71: [ConstantMedium.h] 상수 매질 클래스
curand_uniform과 log(0): 원서는 random_double()(보통 [0,1))을 쓰지만, cuRAND의 curand_uniform은 (0, 1] 을 반환한다 — 0을 절대 내지 않으므로 log(0) = -∞ 문제가 없다(되레 더 안전하다). 1.0을 낼 수는 있는데 log(1)=0 → hit_distance=0이라 무해하다. 볼록(convex) 경계 가정: 이 구현은 레이가 경계를 벗어나면 바깥으로 영원히 진행한다고 가정한다(상자·구는 OK, 토러스·공동 포함 형태는 불가). 원서와 동일한 한계다. 소유권/해제: ConstantMedium이 경계 체인과 위상함수(Isotropic)를 소유한다. FreeWorld의 delete list[i]가 ~ConstantMedium을 부르면, delete mBoundary가 8장에서 만든 Translate→RotateY→HittableList→Quad 6개 연쇄를 그대로 해제한다([[2권_8장_인스턴스]]의 가상 소멸자 덕분).등방성 산란 (Isotropic)
볼륨이 산란할 때 쓰는 위상 함수(phase function). 입사 방향과 무관하게 균일한 무작위 방향으로 산란시킨다.
파일: Material.h — 원서 Listing 72. random_unit_vector() → UnitVector(RandomInUnitSphere(randState)). Scatter가 이미 randState를 받으므로 추가 변경은 없다.class Isotropic : public Material
{
public:
__device__ Isotropic(const Color& albedo) : mTexture(new SolidColor(albedo)) {}
__device__ Isotropic(Texture* texture) : mTexture(texture) {}
__device__ bool Scatter(const Ray& rayIn, const HitRecord& rec,
Color& attenuation, Ray& scattered,
curandState* randState) const override
{
scattered = Ray(rec.P, UnitVector(RandomInUnitSphere(randState)), rayIn.Time());
attenuation = mTexture->Value(rec.U, rec.V, rec.P);
return true;
}
private:
Texture* mTexture;
};
C++
복사
Listing 72: [Material.h] 등방성 클래스
CUDA 핵심: Hit에 난수원(randState) 전달
이 장의 유일하면서 가장 큰 CUDA 구조 변경이다. ConstantMedium::Hit가 curand_uniform을 호출해야 하므로, 모든 Hittable의 Hit 가상 함수에 curandState* randState를 추가했다.
파일: Hittable.h — 베이스 시그니처 변경.class Hittable
{
public:
__device__ virtual ~Hittable() {}
__device__ virtual bool Hit(const Ray& ray, double tMin, double tMax,
HitRecord& hitRecord, curandState* randState) const = 0;
__device__ virtual Aabb BoundingBox() const = 0;
__device__ virtual bool IsBvhNode() const { return false; }
};
C++
복사
이 한 줄이 아래 호출 사슬을 따라 전파된다. 컨테이너/인스턴스는 자식 Hit로 그대로 넘기고, 잎(표면)은 받기만 한다.
RayColor (kernel.cu) ──randState──► BvhNode::Hit
BvhNode::Hit ──randState──► kid->Hit (자식 노드/잎)
HittableList::Hit ──randState──► mList[i]->Hit
Translate::Hit ──randState──► mObject->Hit
RotateY::Hit ──randState──► mObject->Hit
ConstantMedium::Hit ──randState──► mBoundary->Hit + curand_uniform(randState) 사용
Sphere / MovingSphere / Quad::Hit (받기만 함, 미사용)
Plain Text
복사
파일 | 변경 |
Hittable.h | 베이스 Hit에 curandState* 추가 |
BvhNode.h | 시그니처 + kid->Hit(..., randState) 전달 |
HittableList.h | 시그니처 + mList[i]->Hit(..., randState) 전달 |
Instance.h (Translate/RotateY) | 시그니처 + 자식 Hit로 전달 |
Sphere.h / MovingSphere.h / Quad.h | 시그니처만(미사용) |
kernel.cu (RayColor) | (*world)->Hit(currentRay, 0.001, DBL_MAX, rec, randState) |
Render 커널은 이미 픽셀별 curandState localRandState를 갖고 RayColor에 넘긴다. RayColor는 그 포인터를 그대로 world->Hit에 전달하므로, 새 RNG 상태를 만들 필요 없이 기존 픽셀 RNG를 재사용한다(산란 표본과 같은 난수열을 공유).연기·안개 코넬 박스 (sceneId == 8)
8장의 두 회전 상자를 ConstantMedium으로 감싼다. 더 빠른 수렴을 위해 광원을 더 크고(113,554,127~) 어둡게((7,7,7)) 잡는다(원서와 동일). 빈 코넬 박스(scene 6)·회전 상자(scene 7)는 그대로 보존하고 새 sceneId == 8로 추가했다.
파일: kernel.cu (CreateWorld, sceneId == 8) — 원서 Listing 73의 cornell_smoke().else // sceneId == 8, cornell_smoke
{
Material* red = new Lambertian(Color(0.65, 0.05, 0.05));
Material* white = new Lambertian(Color(0.73, 0.73, 0.73));
Material* green = new Lambertian(Color(0.12, 0.45, 0.15));
Material* light = new DiffuseLight(Color(7, 7, 7)); // 더 크고 어두운 광원
list[i++] = new Quad(Vector3(555,0,0), Vector3(0,555,0), Vector3(0,0,555), green);
list[i++] = new Quad(Vector3(0,0,0), Vector3(0,555,0), Vector3(0,0,555), red);
list[i++] = new Quad(Vector3(113,554,127), Vector3(330,0,0), Vector3(0,0,305), light);
list[i++] = new Quad(Vector3(0,555,0), Vector3(555,0,0), Vector3(0,0,555), white);
list[i++] = new Quad(Vector3(0,0,0), Vector3(555,0,0), Vector3(0,0,555), white);
list[i++] = new Quad(Vector3(0,0,555), Vector3(555,0,0), Vector3(0,555,0), white);
Hittable* box1 = MakeBox(Point3(0,0,0), Point3(165,330,165), white);
box1 = new RotateY(box1, 15.0);
box1 = new Translate(box1, Vector3(265,0,295));
list[i++] = new ConstantMedium(box1, 0.01, Color(0,0,0)); // 어두운 연기
Hittable* box2 = MakeBox(Point3(0,0,0), Point3(165,165,165), white);
box2 = new RotateY(box2, -18.0);
box2 = new Translate(box2, Vector3(130,0,65));
list[i++] = new ConstantMedium(box2, 0.01, Color(1,1,1)); // 밝은 안개
background = Color(0,0,0);
lookfrom = Vector3(278,278,-800); lookat = Vector3(278,278,0); vfov = 40.0;
}
C++
복사
Listing 73: [kernel.cu] 연기가 있는 코넬 박스
BVH 관점: list[]에 들어가는 잎은 6벽 + 2개의 ConstantMedium = 8개다. 각 ConstantMedium의 BoundingBox()는 경계 상자(회전·이동 반영)를 그대로 돌려주므로, BVH가 평소처럼 잎 하나로 묶는다. 샘플/종횡비: scene 8도 빛 장면이라 main()에서 샘플을 200으로 잡는다(sceneId 5~8). 원서는 1:1로 렌더하지만 우리 출력은 1440×720(2:1)이라 가로로 늘어나 보인다.결과 & 검증
VS2022 + CUDA 12.9로 컴파일·링크·실행 성공(1440×720, 200 spp). 코넬 박스 안에서 키 큰 상자가 어두운 연기로, 키 작은 상자가 밝은 안개로 보이며, 경계가 또렷한 표면이 아니라 부드럽게 흩어지는 입자로 렌더되는 것을 확인했다(원서 Image 22와 동일 구도).
이미지 22: 연기 블록이 있는 코넬 박스
변경 파일 요약
원서 Listing | 우리 파일 | 메모 |
71 | ConstantMedium.h (신규) | 볼륨 = 확률적 표면. random_double → curand_uniform, 경계/위상함수 소유·연쇄 해제 |
72 | Material.h (Isotropic) | 균일 무작위 방향 산란, 감쇠는 텍스처 |
— | Hittable.h | Hit에 curandState* 추가(이 장의 핵심 구조 변경) |
— | BvhNode.h·HittableList.h·Instance.h | randState를 자식 Hit로 전달 |
— | Sphere.h·MovingSphere.h·Quad.h | Hit 시그니처만 맞춤(미사용) |
73 | kernel.cu (scene 8) | cornell_smoke: 두 상자를 연기/안개로(scene 6·7은 보존) |
CUDA 적용에서 꼭 기억할 3가지
1.
볼륨 = 확률적 표면: 매질 안 산란 지점을 hit_distance = -1/density·log(random)으로 정한다. 그 거리가 경계 밖이면 레이는 통과(미스).
2.
난수원을 Hit로 흘려보낸다: ConstantMedium이 Hit에서 난수를 쓰므로, Hittable::Hit에 curandState*를 추가하고 BVH·리스트·인스턴스가 자식으로 전달한다. RayColor가 가진 픽셀 RNG를 그대로 재사용한다.
3.
curand_uniform은 (0,1]: log(0)=-∞ 위험이 없어 원서의 random_double보다 안전하다. 소유권은 가상 소멸자로 연쇄 해제([[2권_8장_인스턴스]]와 동일 패턴).
```