Ray Tracing: The Next Week 7장(Lights)을 우리 CUDA + 레이트레이싱 프로젝트에 맞춰 다시 정리한 문서.
원서의 설명을 그대로 살리되, 코드는 우리 프레임워크(GPU 디바이스 코드)에 맞춰 바꿔 적었다. 실제로 빌드·실행해 직사각형 광원·구 광원·코넬 박스를 확인했다.
조명은 레이트레이싱의 핵심이다. 초기의 단순한 레이트레이서는 공간상의 점이나 방향 같은 추상적 광원을 썼지만, 현대적 방식은 위치와 크기를 가진 물리 기반 조명을 쓴다. 이런 광원을 만들려면 아무 일반 물체나 빛을 방출하는 물체로 바꿀 수 있어야 한다.
이 장에서 CUDA 때문에 달라지는 큰 그림
1. 원서의 재귀 ray_color를 우리는 이미 반복(iterative) 루프로 풀고 있다. 여기에 방출광 누적을 더한다(아래 RayColor).
2. 배경색은 카메라에 저장해 디바이스에서 읽는다((*camera)->Background()).
3. PPM 출력 시 색 클램프가 필수가 된다 — 광원 색이 1.0을 넘어, 클램프하지 않으면 PPM에 255 초과 값이 찍혀 파일이 깨진다(실제로 부딪힌 버그, 본문 콜아웃).발광 재질 (Emissive Materials)
빛을 방출하는 재질을 만든다. 재질 기본 클래스에 Emitted(u, v, p)를 추가한다. 배경처럼 레이에 색만 알려주고 반사는 하지 않는다. 비발광 재질이 모두 Emitted를 구현하지 않아도 되도록, 기본 클래스는 검정을 반환한다.
파일: Material.h — 원서 Listing 55·56. shared_ptr<texture> → Texture*.// 재질 기본 클래스: Emitted 기본값은 검정(비발광).
class Material
{
public:
__device__ virtual Color Emitted(double u, double v, const Point3& p) const
{
return Color(0.0, 0.0, 0.0);
}
__device__ virtual bool Scatter(
const Ray& rayIn, const HitRecord& rec,
Color& attenuation, Ray& scattered, curandState* randState) const = 0;
};
// 확산 광원: 방출색을 텍스처로 조회하고, 산란은 하지 않는다.
class DiffuseLight : public Material
{
public:
__device__ DiffuseLight(Texture* texture) : mTexture(texture) {}
__device__ DiffuseLight(const Color& emit) : mTexture(new SolidColor(emit)) {}
__device__ Color Emitted(double u, double v, const Point3& p) const override
{
return mTexture->Value(u, v, p);
}
__device__ bool Scatter(const Ray&, const HitRecord&, Color&, Ray&, curandState*) const override
{
return false; // 빛은 산란하지 않음
}
private:
Texture* mTexture;
};
C++
복사
Listing 55·56: [Material.h] 확산 광원 + 기본 Emitted
RayColor에 배경색 + 방출광 추가
장면의 빛이 광원에서만 나오도록, 레이가 아무것도 못 맞추면 배경색을 반환한다(빛 장면은 검정). 그리고 매 히트마다 방출광을 누적한다.
원서는 재귀로 짧게 쓰지만, 우리 RayColor는 GPU 스택을 아끼려 반복 루프다. 재귀식
result = emit_0 + atten_0·(emit_1 + atten_1·(emit_2 + ...))
Plain Text
복사
를 누적변수 두 개(throughput=누적 감쇠, accumulated=모은 방출광)로 펼친다.
파일: kernel.cu — 원서 Listing 57에 대응.__device__ Color RayColor(const Ray& r, const Color& background, Hittable** world, curandState* randState)
{
Ray currentRay = r;
Color throughput(1.0, 1.0, 1.0);
Color accumulated(0.0, 0.0, 0.0);
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
HitRecord rec;
if (!(*world)->Hit(currentRay, 0.001, DBL_MAX, rec))
{
accumulated += throughput * background; // 아무것도 안 맞음 → 배경
return accumulated;
}
Color emission = rec.MaterialPtr->Emitted(rec.U, rec.V, rec.P);
accumulated += throughput * emission; // 방출광 누적
Ray scattered;
Color attenuation;
if (!rec.MaterialPtr->Scatter(currentRay, rec, attenuation, scattered, randState))
return accumulated; // 빛/흡수 → 모은 색 반환
throughput = throughput * attenuation;
currentRay = scattered;
}
return accumulated;
}
C++
복사
Listing 57: [kernel.cu] 배경색 + 발광 재질을 포함한 RayColor
기존 하늘 그라데이션은 제거된다. 원서처럼 장면마다 단색 배경을 넘긴다. 그래서 기존 장면(0~4)도 하늘이 그라데이션 → 납작한 푸르스름한 흰색(0.70, 0.80, 1.00)으로 바뀐다(원서 Listing 58과 동일).배경은 카메라에 저장해 두고 디바이스에서 읽는다.
파일: Camera.h — 배경색 멤버 + 게터 추가. 생성자 마지막 인자로 받는다(기본값 하늘색).__device__ Camera(..., double time1 = 0.0,
Color background = Color(0.70, 0.80, 1.00))
{
mBackground = background;
/* ... 기존 ... */
}
__device__ const Color& Background() const { return mBackground; }
C++
복사
Render 커널은 Color background = (*camera)->Background();로 읽어 RayColor에 넘긴다.
PPM 클램프 버그 (실제로 부딪힌 문제)
광원 색은 (4,4,4)·(15,15,15)처럼 1.0을 훨씬 넘는다. 감마 보정 후에도 픽셀 값이 1.0을 초과할 수 있는데, 기존 PPM 출력은 int(255.99 * col)로 클램프 없이 변환해서 255를 넘는 값(예: 511) 이 파일에 찍혔다. 그러면 PPM 헤더(maxval 255)와 안 맞아 파일이 깨진다(뷰어가 “Channel value too large” 에러). 비발광 장면(0~4)에선 색이 ≤1이라 안 드러나다가, 빛 장면에서 처음 터졌다.
→ 해결: 출력 시 각 채널을 [0, 0.999]로 클램프한 뒤 int(256.0 * c)로 변환한다(원서 write_color의 interval(0.000,0.999).clamp와 동일).double r = col.X() < 0.0 ? 0.0 : (col.X() > 0.999 ? 0.999 : col.X());
// g, b 동일 ...
int ir = int(256.0 * r);
C++
복사
물체를 빛으로 — 직사각형/구 광원
직사각형(quad)을 광원으로 두고, 펄린 구 장면에 올린다. 배경은 검정이라 장면의 유일한 빛은 이 광원뿐이다. 광원은 (1,1,1)보다 밝아야 주변을 비출 수 있어 (4,4,4)를 준다.
파일: kernel.cu (CreateWorld, sceneId == 5) — 원서 Listing 59·60. 구 광원까지 추가한 최종형.else if (sceneId == 5) // simple_light
{
Texture* pertext = new NoiseTexture(4.0, &localRandState);
list[i++] = new Sphere(Vector3(0,-1000,0), 1000, new Lambertian(pertext));
list[i++] = new Sphere(Vector3(0, 2, 0), 2, new Lambertian(pertext));
Material* diffLight = new DiffuseLight(Color(4, 4, 4));
list[i++] = new Sphere(Vector3(0, 7, 0), 2, diffLight); // 구 광원
list[i++] = new Quad(Vector3(3,1,-2), Vector3(2,0,0), Vector3(0,2,0), diffLight); // 사각형 광원
background = Color(0, 0, 0);
lookfrom = Vector3(26, 3, 6); lookat = Vector3(0, 2, 0); vfov = 20.0;
}
C++
복사
Listing 59·60: [kernel.cu] 직사각형 광원 + 조명용 구
이미지 17: 직사각형 광원이 있는 장면
이미지 18: 직사각형 + 구 광원이 있는 장면
빈 코넬 박스 (Cornell Box)
“코넬 박스”는 1984년 확산 표면 간 빛 상호작용을 모델링하려고 도입된 고전 장면이다. 5개 벽과 천장 광원을 만든다.
파일: kernel.cu (CreateWorld, sceneId == 6) — 원서 Listing 61.else // sceneId == 6, cornell_box
{
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(15, 15, 15));
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(343,554,332), Vector3(-130,0,0), Vector3(0,0,-105), light);
list[i++] = new Quad(Vector3(0,0,0), Vector3(555,0,0), Vector3(0,0,555), white);
list[i++] = new Quad(Vector3(555,555,555), 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);
background = Color(0, 0, 0);
lookfrom = Vector3(278,278,-800); lookat = Vector3(278,278,0); vfov = 40.0;
}
C++
복사
Listing 61: [kernel.cu] 빈 코넬 박스 장면
이미지 19: 빈 코넬 박스
이 이미지는 광원이 작아 대부분의 무작위 레이가 광원에 닿지 못하므로 노이즈가 심하다.
샘플 수 메모: 빛 장면은 노이즈가 심해, 우리 main()에서 sceneId가 5·6이면 픽셀당 샘플을 200으로 올린다(다른 장면은 10). 원서도 100~200을 쓴다. 그래도 코넬 박스는 노이즈가 남는데, 이는 다음 장(중요도 샘플링)에서 개선된다. 종횡비 메모: 원서는 정사각형(aspect 1.0)으로 렌더하지만 우리 출력은 1440×720(2:1)이라 코넬 박스가 가로로 늘어나 보인다. 배치·조명은 동일하다.결과 & 검증
•
빌드/실행 확인: VS2022 + CUDA 12.9로 컴파일·링크·실행 성공. 직사각형 광원/구 광원(scene 5), 코넬 박스(scene 6)가 검은 배경에서 광원만으로 조명되는 것을 확인했다.
•
PPM 클램프: 광원 색이 1.0을 넘어도 출력이 깨지지 않도록 [0,0.999] 클램프를 추가(빛 장면 필수).
•
기존 장면 영향: 하늘 그라데이션이 단색 배경으로 바뀌어 scene 0~4의 하늘이 납작한 푸른빛이 된다(원서와 동일).
변경 파일 요약
원서 Listing | 우리 파일 | 메모 |
55, 56 | Material.h | 기본 Emitted(검정) + DiffuseLight 클래스 |
57 | kernel.cu (RayColor) | 배경색 인자 + 방출광 누적(반복형) |
57 | Camera.h | 배경색 멤버 + Background() 게터 |
58 | kernel.cu (CreateWorld) | 장면별 background 설정, 카메라에 전달 |
59, 60 | kernel.cu (scene 5) | simple_light: 사각형/구 광원 |
61 | kernel.cu (scene 6) | cornell_box: 5벽 + 천장 광원 |
— | kernel.cu (PPM 출력) | 색 [0,0.999] 클램프(광원 대응) |
CUDA 적용에서 꼭 기억할 3가지
1.
방출광은 반복 루프에 누적: 재귀 ray_color를 throughput/accumulated 두 변수로 펼쳐 방출광을 더한다. Emitted 기본값이 검정이라 비발광 재질은 자동으로 무영향.
2.
배경색은 카메라에 실어 디바이스로: 장면마다 다른 배경(빛 장면=검정)을 카메라 멤버로 저장하고 Render가 읽는다.
3.
PPM 출력 클램프 필수: 광원 색 > 1.0 → 클램프 없으면 255 초과 값으로 파일이 깨진다. [0,0.999]로 자른다.
```