GAMES101作业7-多线程提速实现步骤详解

Myth丶恋晨 2023-09-28 10:04 9阅读 0赞

**目录**

用循环VS不用循环

用循环：spp=2，t=5min

不用循环：spp=2，t=1min

多线程优化

原Render.cpp思路

（1）发出主射线primary ray，并调用castRay()函数实现对每个像素着色；

（2）UpdateProgres()

（3）保存

实现多线程的步骤

（1）首先要划分出不同的线程

（2）创建出每个线程执行的函数

（3）分行进行步骤（2）函数的调用

（4）别忘记thread需要执行的join

（5）渲染进程结束

多线程完整代码

多线程前后结果对比

--------------------

提到优化，本次作业体现在渲染时长上面：spp取相同值的情况下，渲染时长越短当然效果是越好的！对于优化，这里有两个方面可以实现优化：

（1）较少循环的使用；

（2）使用多线程；

## 用循环VS不用循环 ##

首先那不得不从代码本身结构去做优化，我们把目光聚焦在Bounds.hpp的IntersectP()函数上。

### 用循环：spp=2，t=5min ###

先看看最开始利用循环实现的代码：

inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir,
                                    const std::array<int, 3>& dirIsNeg) const
    {
        // TODO test if ray bound intersects
        //判断包围盒Bounding Box与光线是否相交
        //tenter = max{tmin} texit = min{tmax}
        //先给个无穷初值
        double tenter = -std::numeric_limits<double>::infinity();
        double texit = std::numeric_limits<double>::infinity();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            //求三个轴的tmin,tmax
            // invDir: ray direction(x,y,z), invDir=(1.0/x,1.0/y,1.0/z),
            double tmin = (pMin[i] - ray.origin[i]) * invDir[i];
            double tmax = (pMax[i] - ray.origin[i]) * invDir[i];
            //用dirIsNeg判断光线方向
            if (!dirIsNeg[i])//如果i<0,则在i轴光线方向为负，则从pmax进入，pmin离开，swap tmin和tmaxx
                std::swap(tmin, tmax);
            tenter = std::max(tenter,tmin);
            texit = std::min(texit, tmax);
        }
        return tenter < texit&& texit >= 0;
    }

其他内容不变，spp=2时，渲染时长为5min。

![2affe5d90afd411c8863988e284f2ae9.png][]

![c224bce21aee486787be3d125ac7e1dc.png][]

### 不用循环：spp=2，t=1min ###

代码为：

inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray& ray, const Vector3f& invDir,
                                    const std::array<int, 3>& dirIsNeg) const
    {
        Vector3f tmin = (pMin - ray.origin) * invDir;
        Vector3f tmax = (pMax - ray.origin) * invDir;
        if (dirIsNeg[0])
            std::swap(tmin.x, tmax.x);
        if (dirIsNeg[1])
            std::swap(tmin.y, tmax.y);
        if (dirIsNeg[2])
            std::swap(tmin.z, tmax.z);
        float texit = std::min(tmax.x, std::min(tmax.y, tmax.z));
        float tenter = std::max(tmin.x, std::max(tmin.y, tmin.z));
        return tenter <= texit&& texit >= 0;
    }

spp=2，渲染时长为1min。

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![b8082b0798b7459a91b18f39469b63e4.png][]

很直观的可以看到，两个结果没有任何差别，但时间就是缩短了整整4min！循环的使用大幅度延长了渲染时间，这点我在作业6最后也做了一些讨论：

[GAMES101作业6-BVH完成全过程\_flashinggg的博客-CSDN博客][GAMES101_6-BVH_flashinggg_-CSDN]

## 多线程优化 ##

多线程是在Render.cpp中实现的，可以先看看Render.cpp代码的思路是什么：

### 原Render.cpp思路 ###

#### （1）发出主射线primary ray，并调用castRay()函数实现对每个像素着色； ####

这部分我在作业5里已经很详细地讲了如何计算方向，指路：

[GAMES101作业5-从头到尾理解代码&Whitted光线追踪\_flashinggg的博客-CSDN博客][GAMES101_5-_Whitted_flashinggg_-CSDN]

//发射主射线primary ray
    void Renderer::Render(const Scene& scene)
    {
        //Image
        std::vector<Vector3f> framebuffer(scene.width * scene.height);
        //deg2rad() 度数->弧度
        float scale = std::tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f));
        //aspect_radio=width/height
        float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;
     
        //eye(相机中心)定为(278,273,-800)
        Vector3f eye_pos(278, 273, -800);
    
        //遍历每个像素
        int m = 0;
        int spp = 16;
        sitd::cout << "SPP:" << spp << "\n";
        for (uint32_t j = 0; j < scene.height; ++j) {
            for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) {
                //发射primary ray 主射线
                float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) *
                          imageAspectRatio * scale;
                float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;
                //这里相机中心位置eye已经在z负半轴/x,y正半轴的位置，这里将相机在世界空间eye_pos位置直接朝向[x负半轴45°，z轴正半轴]方向构建screen space，就省去了需要逆投影变换的过程，改变这个角度可以得到不同角度的渲染图~
                Vector3f dir = normalize(Vector3f(-x, y, 1));
                for (int k = 0; k < spp; k++){
                    framebuffer[m] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp;  
                }
                m++;
            }
    ...
    }

题外话：关于选取不同dir得到的渲染图，我渲了一个朝向z轴正半轴dir=(x,y,1)，spp=4时的图，可以跟之前的对比看看。

![ef47d9c404ca4474bf8b0493f5ca2952.jpeg][]

#### （2）UpdateProgres() ####

...
                m++;
            }
            UpdateProgress(j / (float)scene.height);//j从0-99
        }
        UpdateProgress(1.f);//最后的100%
    ...

这就是一个global.hpp定义的函数

inline void UpdateProgress(float progress)
    {
        int barWidth = 70;
    
        std::cout << "[";
        int pos = barWidth * progress;
        for (int i = 0; i < barWidth; ++i) {
            if (i < pos) std::cout << "=";
            else if (i == pos) std::cout << ">";
            else std::cout << " ";
        }
        std::cout << "] " << int(progress * 100.0) << " %\r";
        std::cout.flush();
    };

目的很简单，输出=、>等符号为了让程序进程可视化：

![46dfbf8851c5493a91545c4b5bb3c38c.png][]

![9cf22492e0d14873ac7e4261b4b10912.png][]

#### （3）保存 ####

没什么好讲的，就是保存结果，得到的是ppm类型的图，如果想看的话可以用PS打开或者在线转换图片类型就行。

...
        // save framebuffer to file
        FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb");
        (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height);
        for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) {
            static unsigned char color[3];
            color[0] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].x), 0.6f));
            color[1] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].y), 0.6f));
            color[2] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].z), 0.6f));
            fwrite(color, 1, 3, fp);
        }
        fclose(fp);    
    ...

### 实现多线程的步骤 ###

在实现之前，建议先看完以下两篇关于多线程的详解：（第二篇文章是基于java的）

[C++11 多线程（std::thread）详解\_sjc\_0910的博客-CSDN博客\_c++11线程][C_11 _std_thread_sjc_0910_-CSDN_c_11]

[什么是多线程？如何实现多线程？\_beidaol的博客-CSDN博客\_多线程][beidaol_-CSDN]

利用多线程可以给image进行分块，每一部分同步进行路径追踪，来加速渲染进程。这里，Render()（程序）实现的渲染（进程）可以利用片段（thread）实现多个像素操作（多个线程）并发执行。

上面的说法不一定准确，但意思我觉得理解了就好，下面是实现步骤。

#### （1）首先要划分出不同的线程 ####

很明显，要把每个像素都会进行的**“发出主射线primary ray，并调用castRay()函数实现对像素着色”**划分成N个线程。函数中，像素是对场景Scene的Width和Height逐行逐列进行选择的，其实划分线程的方式有三种：①.按照行划分；②.按照列划分；③.按照M行N列为区域划分。以下介绍将采用按照行划分的步骤进行。

已知场景大小：

...
    class Scene
    {
    public:
        int width = 1280;
        int height = 960;
    ...

这里线程数直接取能被960整除的数就行，这里我取线程数thred为20，同时我们要计算出每一线程包含的行数times，直接用height除以线程数即可，并创造一个大小为20的thread。注意，用代码给thread定义大小时，由于**thread是右值引用**，因此要么传递的值是const，要么给左值加上std::ref 或 std::cref（这点在参考文章中就有提到，一定要去先看那篇文章），这部分代码如下：

const int thred = 20;
        int times = scene.height / thred ;
        std::thread th[thred];

#### （2）创建出每个线程执行的函数 ####

这里基于源函数里里对场景逐行逐列对像素操作的代码，创造每个线程会进行的函数。需要注意的是，函数输入的值应是每个线程行数的范围，这个范围我们可以先定义成y\_min和y\_max。这里参考了参考文章中这段代码用到的**lambda函数**：

// Compiler: MSVC 19.29.30038.1
    // C++ Standard: C++17
    #include <iostream>
    #include <thread>
    using namespace std;
    void doit() { cout << "World!" << endl; }
    int main() {
    	// 这里的线程a使用了 C++11标准新增的lambda函数
    	// 有关lambda的语法，请参考我之前的一篇博客
    	// https://blog.csdn.net/sjc_0910/article/details/109230162
    	thread a([]{
    		cout << "Hello, " << flush;
    	}), b(doit);
    	a.join();
    	b.join();
    	return 0;
    }

用lambda可以实现在函数中定义且可以使用函数中变量的目的，这比在函数外部定义方便太多了！关于lambda的用法介绍可以看这篇文章作者的另一篇文章：[C++11中Lambda的使用\_sjc\_0910的博客-CSDN博客\_c++lambda头文件][C_11_Lambda_sjc_0910_-CSDN_c_lambda]

先定义框架：

auto castRayMultiThread = [&](uint32_t y_min, uint32_t y_max){
            ...
        };

接着实现遍历从y\_min行到y\_max行每一列的像素并实现操作；还有打印出进程的UpdateProgress也要加上去。还需定义一个变量progress以储存线程完成的次数，在每次上述循环完成后，progress+1，并引用打印出进程。

for (uint32_t j = y_min; j < y_max; j++) {
                int m = j * scene.width;
                for (uint32_t i = 0; i < scene.width; i++) {
                    float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) *
                        imageAspectRatio * scale;
                    float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;
    
                    Vector3f dir = normalize(Vector3f(-x, y, 1));
                    for (int k = 0; k < spp; k++) {
                        framebuffer[m] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp;
                    }
                    m++;
                }
                process++;
                UpdateProgress(1.0 * process / scene.height);
            }

到这里还没有结束！通过参考文章我们了解到：多线程的执行是**同时进行且没有次序**的，这里我们就面临了两处多线程资源争抢的问题：

①.process：这是一个每个线程都要使用并且实现“process++”的变量；

②.UpdateProgress()：每个线程都会用到以更新进程；

为了解决这个问题，我们可以用到的用：std::mutex互斥量 和 std::atomic.

**如果用std::mutex**，则代码需修改至如下：

...
                    m++;
                }
                mtx.lock();
                process++;
                UpdateProgress(1.0 * process / scene.height);
                mtx.unlock();
    ...

别忘了在最前面加上定义：

std::mutex mtx;

此外，atomic可以直接用来定义变量，作用跟mutex的一样，例如这里的process还可以在初始定义时就这样定义：

std::atomic_int process = 0;

步骤（2）完整结果如下：

int process = 0;
        auto castRayMultiThread = [&](uint32_t y_min, uint32_t y_max){
            for (uint32_t j = y_min; j < y_max; j++) {
                int m = j * scene.width;
                for (uint32_t i = 0; i < scene.width; i++) {
                    float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) *
                        imageAspectRatio * scale;
                    float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;
    
                    Vector3f dir = normalize(Vector3f(-x, y, 1));
                    for (int k = 0; k < spp; k++) {
                        framebuffer[m] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp;
                    }
                    m++;
                }
                mtx.lock();
                process++;
                UpdateProgress(1.0 * process / scene.height);
                mtx.unlock();
            }
        };

#### （3）分行进行步骤（2）函数的调用 ####

这里就是与原代码完全不同的地方了，进行分行实现路径追踪。

//分行进行路径追踪
        for (int i = 0; i < thred; i++) {//从第0个线程出发，一共有thred个线程
            th[i] = std::thread(castRayMultiThread, i * times, (i + 1) * times);
        }

注意：这里的i\*times表示的是第i个线程行数起始值，(i+1)\*times表示第i个线程行数的最大行，分别对应上述的y\_min和y\_max.

#### （4）别忘记thread需要执行的join ####

注意：没有执行join或detach的线程在程序结束时会引发异常，因此需要对每个线程都执行一次join.

for (int i = 0; i < thred; i++) {
            th[i].join();
        }

#### （5）渲染进程结束 ####

展示结束，直接调用UpdateProgress()函数即可，此时输入值为1，表示百分百。

UpdateProgress(1.f);

另外，不要忘记在文件开头加入多线程使用的两个文件：

#include <mutex>
    #include<thread>

到此为止，多线程实现过程就全部结束了。

### 多线程完整代码 ###

这里贴出分行实现多线程完整的Renderer.cpp代码：

#include <fstream>
    #include "Scene.hpp"
    #include "Renderer.hpp"
    #include <mutex>
    #include<thread>
    
    std::mutex mtx;
    
    inline float deg2rad(const float& deg) { return deg * M_PI / 180.0; }
    
    const float EPSILON = 0.001;
    
    void Renderer::Render(const Scene& scene)
    {
        std::vector<Vector3f> framebuffer(scene.width * scene.height);
    
        float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5));
        float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;
        Vector3f eye_pos(278, 273, -800);
    
        // change the spp value to change sample ammount
        int spp = 4;
        std::cout << "SPP: " << spp << "\n";
        
        int process = 0;
        const int thred = 20;
        int times = scene.height / thred;
        std::thread th[thred];
    
        auto castRayMultiThread = [&](uint32_t y_min, uint32_t y_max){
            for (uint32_t j = y_min; j < y_max; j++) {
                int m = j * scene.width;
                for (uint32_t i = 0; i < scene.width; i++) {
                    float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) *
                        imageAspectRatio * scale;
                    float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;
    
                    Vector3f dir = normalize(Vector3f(-x, y, 1));
                    for (int k = 0; k < spp; k++) {
                        framebuffer[m] += scene.castRay(Ray(eye_pos, dir), 0) / spp;
                    }
                    m++;
                }
                mtx.lock();
                process++;
                UpdateProgress(1.0 * process / scene.height);
                mtx.unlock();
            }
        };
    
        //分行进行路径追踪
        for (int i = 0; i < thred; i++) {//从第0行出发，一共有0~by-1行
            th[i] = std::thread(castRayMultiThread, i * times, (i + 1) * times);
        }
        //每个线程执行join
        for (int i = 0; i < thred; i++) {
            th[i].join();
        }
        UpdateProgress(1.f);
    
        // 保存成ppm
        FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb");
        (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height);
        for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) {
            static unsigned char color[3];
            color[0] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].x), 0.6f));
            color[1] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].y), 0.6f));
            color[2] = (unsigned char)(255 * std::pow(clamp(0, 1, framebuffer[i].z), 0.6f));
            fwrite(color, 1, 3, fp);
        }
        fclose(fp);
    }

### 多线程前后结果对比 ###

不得不说，利用多线程提速还是很可观的！

不用多线程：

spp==60，用时55min

![2224aa7c1c564cdd8ee1ba9bfe7cf190.png][]

![e92610836a214ff28388b70a416a0cfb.png][]

用多线程加速后

spp==256，用时36min

![c349dde41a2b4a6ca895021d3f2aed81.png][]

![e6d60a82220f4d6a8ced68289a0029cd.png][]

在spp取256>60的情况下，用时缩短了接近一半，可见多线程提速还是十分可观的！

--------------------

但其实，多线程实现的方式也是会影响渲染结果的，这里出的图用的多线程方法其实是我用分块的方法出的图。按行or按列多线程渲染出的图，当spp比较小时，图会出现如下情况：（spp=2）

![ed5d00d5ce6340c0a91bf4a22312656d.jpeg][]

会有一点点的割裂感，目前还没仔细研究出现这种问题的原因，以后有机会会继续深入了解~

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破案了！这个问题是EPSILON的取值问题，EPSILON=0.001时问题就解决啦！！！上面的完整代码EPSILON的取值也已经改过来了。

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