^{위 이미지는 예시입니다. 실제 이미지를 추가하실 때 경로/파일명을 변경하세요.}

miniRT는 C 언어로 작성된 간단한 레이 트레이싱(Ray Tracing) 렌더러로, 실시간에 가까운 상호작용 성능으로 3차원 장면을 화면에 구현합니다.
레이 트레이싱은 광선의 경로를 추적하여 반사, 굴절, 그림자 등의 광학 현상을 사실적으로 시뮬레이션하는 그래픽 기술입니다.
SEMICONDUCTOR.SAMSUNG.COM
기존 래스터화 방식보다 연산 비용이 높아 완전한 실시간 적용이 어려웠지만, 훨씬 높은 수준의 시각적 사실감을 제공합니다.
WOONGTECH.TISTORY.COM
본 프로젝트에서는 이러한 레이 트레이싱 기법을 후방 광선 추적(Backward Ray Tracing) 방식으로 구현하여, 카메라로부터 거꾸로 광선을 발사함으로써 효율적으로 장면을 렌더링하였습니다.
SCRATCHAPIXEL.COM
최소한의 외부 라이브러리만 사용하고 수학/물리 공식을 직접 구현함으로써, 그래픽스 이론에 대한 이해와 저수준 개발 역량을 함께 어필합니다.

1. 사실적인 3D 렌더링

   • 레이 트레이싱을 통해 물체의 조명(Lighting)과 **그림자(Shadow)**를 현실감 있게 표현합니다.
   • 각 픽셀마다 광선을 추적하여 가장 가까운 물체와 교차점을 계산하고, 조명 광선을 따라 해당 지점의 밝기와 색상을 결정합니다.
   • 물체 간의 음영, 광택(Phong 하이라이트), 그림자 투영 등을 정확하게 나타냅니다.

2. 다양한 객체 및 조명 지원

   • 기본 도형인 구(Sphere), 평면(Plane), **원기둥(Cylinder)**을 장면에 배치하여 렌더링할 수 있습니다.
   • 각 객체는 위치, 크기(예: 구의 지름, 원기둥의 반지름과 높이) 및 색상을 지정할 수 있으며, 조명으로는 환경광(Ambient Light) 한 개와 **점광원(Point Light)**을 지원합니다.
   • 예제 장면에서는 여러 객체와 광원을 활용하여 난반사 및 정반사 조명 효과를 쉽게 실험할 수 있습니다.

3. 실시간 상호작용

   • 카메라 시점 이동이나 객체 변환에 따라 즉각적으로 화면을 업데이트합니다.
   • 렌더링 루프를 최적화하고 멀티스레드 기술을 적용하여 사용자 입력에 대한 반응 속도를 높였기에, 장면을 탐색하거나 설정을 바꿀 때 거의 실시간에 가까운 결과 확인이 가능합니다.

4. 카메라 제어 및 인터페이스

   • 자유도 높은 카메라 이동 및 회전 기능을 제공합니다.
   • 키보드와 마우스를 이용해 장면을 다양한 각도에서 관찰할 수 있고, 선택된 객체의 위치를 이동하거나 장면을 재구성할 수도 있습니다.
   • 별도의 GUI 없이도 직관적인 입력 조작을 통해 씬을 수정하고 결과를 확인할 수 있습니다.

본 프로젝트에서는 바닥 평면 등에 체스보드 무늬를 적용하거나, 기타 텍스처(이미지) 맵핑을 통해 시각적 디테일을 강화할 수 있습니다.

• 평면(Plane)에 체스보드 무늬를 생성하기 위해 평면 좌표(u, v)에 따라 검은색/흰색을 번갈아가며 설정합니다.
• 예: plane의 로컬 좌표를 구해 (floor(u) + floor(v))이 짝수이면 흰색, 홀수이면 검은색으로 픽셀을 채우는 방식.
• 이 방법은 추가 연산 없이도 큰 부담 없이 적용 가능하므로, 바닥 표현에 활용하면 장면의 깊이감과 디테일을 높일 수 있습니다.

^{바닥에 체스보드 텍스처가 적용된 예시 (이미지는 예시)}

• 구(Sphere)나 원기둥(Cylinder)에 텍스처 이미지를 입히고 싶다면, 각 광선-객체 교차점에 대응하는 텍스처 좌표(u, v)를 계산합니다.
  • 예: 구의 경우, 위도/경도(spherical coordinates)에 따라 u, v를 구한 뒤 텍스처 이미지 픽셀로 매핑.
  • 원기둥은 원둘레에 해당하는 부분에 u를, 높이 방향에 따라 v를 대응하여 매핑.
• 텍스처 파일(PPM, BMP 등)을 읽어와서, 해당 픽셀의 색상을 표면 셰이딩 단계에 반영합니다.
• 이 과정을 통해, 단순 단색(material) 대신 나무 무늬, 대리석 무늬, 금속 텍스처 등을 사실적으로 표현할 수 있습니다.

아래는 실제 렌더링 시연 장면을 GIF로 캡처한 예시입니다.

^{데모1 - 카메라 시점을 이동하며 씬을 탐색}

^{데모2 - 구와 원기둥, 평면이 보이는 장면}

^{데모3 - 여러 객체가 배치된 복잡한 씬 확인}

^{데모4 - 체스보드 무늬 평면과 텍스처 매핑 예시}

본 프로젝트는 계산 집약적인 레이 트레이싱 루프에 멀티스레딩을 도입하여 성능을 크게 향상시켰습니다.

• 화면을 스레드 개수만큼의 영역으로 분할 후, 병렬로 픽셀 색상 계산을 수행합니다.
• 모든 스레드의 연산이 끝나면 결과를 합쳐 최종 이미지를 구성하여 높은 프레임률을 유지합니다.
• 벡터 연산, 교차 검사 등 중요 연산에 대한 어셈블리 수준 최적화도 일부 적용해 효율성을 극대화했습니다.

miniRT는 MiniLibX 라이브러리를 통해 그래픽 창(Window)을 생성하고 키보드/마우스 이벤트를 처리합니다.

• 마우스 드래그로 카메라 바라보는 방향을 부드럽게 회전시킬 수 있고, WASD 키로 공간 내 카메라 위치 이동이 가능합니다.
• 특정 객체를 선택한 상태에선 방향키로 객체 회전이나 위치 이동이 가능하여 장면을 실시간 편집할 수 있습니다.
• 각 조작 키는 설정 파일에서 바꿀 수 있도록 설계했습니다.

[git clone (https://github.com/dh-s-minirt/minirt.git)] cd miniRT

make

./miniRT scenes/sample.rt

빌드 후 ./miniRT 명령어에 씬 파일(.rt)을 인자로 넘기면 창이 열리면서 렌더링이 시작됩니다.
ESC 키나 창 닫기로 프로그램이 종료됩니다.

A 0.2 255,255,255         # Ambient 광원: 세기 20%, 색상 흰색
C -50,0,20 0,0,1 70       # Camera: 위치(-50,0,20), 방향벡터(0,0,1), FOV 70도
L -40,0,30 0.7 255,255,255# Light: 위치(-40,0,30), 세기 70%, 색상 흰색

sp 0,0,20 20 255,0,0      # Sphere: 중심(0,0,20), 지름 20, 색상 빨강
pl 0,-10,0 0,1,0 0,255,0  # Plane: 한 점(0,-10,0), 법선벡터(0,1,0), 색상 초록
cy 50,0,20 0,0,1 14 21 0,0,255  # Cylinder: 중심(50,0,20), 방향(0,0,1), 지름 14, 높이 21, 색상 파랑

• A, C, L은 각각 Ambient, Camera, Light를 나타냅니다.
• sp, pl, cy는 Sphere, Plane, Cylinder를 의미합니다.
• make bonus를 통해 멀티스레드 등 추가 기능을 활성화할 수 있으며,
  make clean/fclean으로 빌드 산출물을 정리할 수 있습니다.

• C 언어 (C99)
• GNU Make
• 42서울 Norm 규칙 준수

• MiniLibX
  • macOS에서는 Cocoa, Linux에서는 X11 기반

• 벡터/행렬 연산 모듈 직접 작성
• 구/평면/원기둥 교차 공식
• double 사용 & epsilon 처리로 부동소수점 연산 안정화

• Phong 조명 모델 (ambient + diffuse + specular)
• Shadow Ray 발사로 그림자 판단

• Plane에 체스보드 패턴(흑백 반복) 적용
• 구/원기둥 등의 텍스처 좌표(u,v)를 계산하여 이미지 맵핑 가능

• POSIX 스레드(pthread) 기반 멀티스레딩
• 스레드 동기화 없이 영역 분할 → 병목 최소화
• 캐시 지역성 고려한 스캔라인 분할

• 동적 할당 자원(장면 객체, 광선 등) 안전 해제
• valgrind로 검증, 예외 상황 처리 로직 포함

1. Scratchapixel – Ray Tracing 기초
   • Backward Ray Tracing, 광선-물체 교차 계산, 그림자 광선 등에 대한 기초 이론
2. Ray Tracing in One Weekend – Peter Shirley
   • GitHub 저장소
   • 간결한 예제로 레이 트레이싱 구조를 이해하는 데 도움
3. Learn OpenGL – Lighting/Phong
   • Phong 조명 모델에 대한 직관적 설명과 예제 코드
   • Diffuse/Specular 계산 및 shininess 적용 사례