MiniRT - ffornes- && gmacias-

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Introducción

miniRT es un proyecto que te introduce al fascinante mundo del raytracing. Con este proyecto, aprenderás a renderizar imágenes generadas por ordenador utilizando técnicas básicas de raytracing. ¡Descubre cómo se crean imágenes realistas desde cero!

Imágenes de Ejemplo

Aquí tienes algunas imágenes renderizadas con miniRT:

¡Estas imágenes muestran lo que puedes lograr con el proyecto y te dan una idea de cómo se verán los resultados finales!

¿Qué es miniRT?

miniRT es un proyecto de raytracing que te permite:

• Renderizar Imágenes 3D: Crea imágenes generadas por ordenador utilizando técnicas básicas de raytracing.
• Entender Conceptos Clave: Aprende sobre la cámara, las luces, y las figuras geométricas como círculos, planos y cilindros.
• Aplicar Fórmulas Matemáticas: Implementa fórmulas para la intersección de rayos con diferentes objetos.

Continúa leyendo para obtener más detalles sobre cómo configurar y utilizar miniRT, incluyendo cómo definir el mapa, las fórmulas de intersección, y cómo controlar la cámara y el teclado.

Índice

1. Introducción
2. Mapa de Elementos
   • Ejemplo de Mapa
   • Detalles de los Elementos
3. Fórmulas
   • Esfera en 3D
   • Plano
   • Cilindro
4. Intersección de Rayos
   • Rayo y Esfera
   • Rayo y Plano
   • Rayo y Cilindro
   • Sombreado
5. Estructura de Datos y Cámara
   • Estructura General (t_info y t_data)
   • Estructura de la Cámara (t_camera)
6. Teclado
   • Salir del Programa
   • Mover la Cámara
   • Rotar la Cámara
   • Ajustar el Campo de Visión (FOV)
7. Soporte
   • Configuración de Teclas
   • Gestión de Bibliotecas
8. Demostración
   • Configuración Inicial y Carga de Escena
   • Interacción con la Cámara y Renderizado en Tiempo Real

Mapa de elementos

El mapa define los elementos que aparecerán en tu imagen. Aquí te mostramos cómo configurar cada tipo de elemento:

• Cámara: Define la perspectiva desde la que verás la imagen.
• Luz de Ambiente: Controla la iluminación general en la escena.
• Luz: Crea un foco de iluminación en la escena.
• Figuras: Puedes añadir círculos, planos y cilindros.

Ejemplo de Mapa

Aquí tienes un ejemplo de cómo se definen los elementos en el mapa:

A    0.3          255,255,255   					(Luz de ambiente: intensidad, color)
C    0,1,-10      0,0,1         70          				(Cámara: posición, vector de dirección, FOV)
L    0,10,-10     0.7           255,255,255 				(Luz: posición, intensidad, color)

pl   0,0,0        0,1,0         100,100,100 				(Plano: posición, vector normal, color)
sp   0,0,0        5             255,0,10   				(Esfera: posición, radio, color)
cy   4,0,0        1,1,0         4            6         10,0,255   	(Cilindro: posición, radio, altura, color)

Detalles de los Elementos

• Cámara (C)

  • Posición: 0,1,-10 (dónde está ubicada la cámara)
  • Vector de Dirección: 0,0,1 (hacia dónde está mirando la cámara)
  • FOV: 70 (Campo de Visión, cuánto puedes ver desde la cámara)

• Luz de Ambiente (A)

  • Intensidad: 0.3 (qué tan fuerte es la luz de ambiente)
  • Color: 255,255,255 (color de la luz de ambiente en formato RGB)

• Luz (L)

  • Posición: 0,10,-10 (dónde está ubicada la fuente de luz)
  • Intensidad: 0.7 (qué tan fuerte es la luz)
  • Color: 255,255,255 (color de la luz en formato RGB)

• Plano (pl)

  • Posición: 0,0,0 (dónde está ubicado el plano)
  • Vector Normal: 0,1,0 (la dirección en la que el plano está orientado)
  • Color: 100,100,100 (color del plano en formato RGB)

• Esfera (sp)

  • Posición: 0,0,0 (dónde está ubicada la esfera)
  • Radio: 5 (tamaño de la esfera)
  • Color: 255,0,10 (color de la esfera en formato RGB)

• Cilindro (cy)

  • Posición: 4,0,0 (dónde está ubicado el cilindro)
  • Radio: 1 (tamaño del cilindro)
  • Altura: 6 (altura del cilindro)
  • Color: 10,0,255 (color del cilindro en formato RGB)

Fórmulas

Esfera en 3D

La fórmula de una esfera en 3D es:

[ (x - h)^2 + (y - k)^2 + (z - l)^2 = r^2 ]

Donde:

• ( (h, k, l) ) son las coordenadas del centro de la esfera.
• ( r ) es el radio de la esfera.
• ( (x, y, z) ) son las coordenadas de un punto en la superficie de la esfera.

Esta fórmula describe todos los puntos ( (x, y, z) ) que están a una distancia ( r ) del centro ( (h, k, l) ).

Imagen del Esfera:

Plano

Un plano en 3D se representa como: [ ax + by + cz + d = 0 ] Donde ( (a, b, c) ) es el vector normal al plano y ( d ) es la distancia desde el origen.

Imagen del Plano:

Cilindro

Para un cilindro:

• Ecuación del Eje: ( (x - x_0)^2 + (y - y_0)^2 = r^2 )
• Altura: La diferencia en la coordenada z entre la base inferior y superior.

Imagen del Cilindro: Cilindro

Intersección de Rayos

Para renderizar una imagen, trazamos un rayo desde la cámara a través de cada píxel. Luego comprobamos si ese rayo interseca con algún objeto en la escena. Aquí te explicamos cómo se calcula:

1. Rayo y Esfera

Para una Esfera:

• Rayo: Imagina una línea que comienza en la cámara y se extiende en una dirección específica.
• Intersección: Sustituyendo la ecuación del rayo en la fórmula del círculo te da la distancia a lo largo del rayo donde se produce la intersección.

2. Rayo y Plano

Para un plano en 3D:

• Rayo: Igual que antes, representado como una línea.
• Intersección: Al sustituir la ecuación del rayo en la fórmula del plano, obtienes la distancia al punto de intersección.

3. Rayo y Cilindro

Para un cilindro:

• Ecuación del Eje: Usa la fórmula del cilindro y sustituye la ecuación del rayo para encontrar los puntos de intersección.

4. Sombreado

Una vez que encontramos el punto de intersección, calculamos el color final del píxel con estos pasos:

1. Color Inicial:

   • Empieza con el color del objeto y añade la luz de ambiente.
   • Fórmula: Color Inicial = Color del Objeto \ Luz de Ambiente

2. Calcular la Luz:

   • Traza una línea desde el punto de intersección hacia la fuente de luz.
   • Intensidad de la Luz: Se basa en el ángulo entre el vector normal en el punto de intersección y el vector desde la luz al punto de intersección.
     • Ángulo menor = mayor intensidad de luz.
   • Porcentaje de Intensidad: Determinado por este ángulo.

3. Sombra:

   • Verifica si hay un objeto que bloquea la luz entre el punto de intersección y la fuente de luz.
     • Si hay una colisión, el punto de intersección está en sombra y recibe menos luz.

4. Color Final:

   • Combina el color inicial con la intensidad de la luz para obtener el color final del píxel.
   • Fórmula: Color Final = Color Inicial + Intensidad de la Luz \ Color del Objeto

Esto da lugar a una imagen más realista, ajustando el brillo y el color según cómo interactúa la luz con los objetos en la escena.

Estructura de Datos y Cámara

En el proyecto, usamos varias estructuras de datos para manejar la información de la escena y la configuración de la cámara. Aquí te explicamos cómo se organizan:

1. Estructura General (t_info y t_data)

• t_info: Esta estructura guarda información sobre la cantidad de cada tipo de elemento en la escena:

  • ambient_light: Cantidad de luces ambientales.
  • camera: Cantidad de cámaras.
  • lights: Cantidad de luces.
  • planes: Cantidad de planos.
  • spheres: Cantidad de esferas.
  • cylinders: Cantidad de cilindros.

• t_data: Esta estructura contiene toda la información sobre la imagen que se va a renderizar:

  • width y height: Dimensiones de la imagen (ancho y alto).
  • info: Estructura t_info que detalla la cantidad de cada tipo de objeto en la escena.
  • line: Cuenta las líneas procesadas.
  • lights, planes, spheres, cylinders: Listas que contienen los objetos en la escena. Estas listas almacenan la información de luces, planos, esferas y cilindros, respectivamente.
  • camera: Información sobre la cámara.
  • ambient_light: Información sobre la luz ambiental.

2. Estructura de la Cámara (t_camera)

La cámara se encarga de definir la perspectiva desde la que se renderiza la imagen. Su estructura incluye:

• fov: El campo de visión (FOV) de la cámara, que determina cuánto se puede ver desde la cámara. Un valor mayor significa un campo de visión más amplio.
• center: Un vector que representa la posición del centro de la cámara en el espacio.
• euler: Un vector que contiene los ángulos de Euler, utilizados para orientar la cámara en el espacio 3D.
• q: Un cuaternión que se utiliza para representar la rotación de la cámara en 3D. Los cuaterniones son útiles para evitar problemas con la interpolación y la rotación en 3D.

Teclado

En el proyecto, las teclas del teclado permiten controlar la cámara y ajustar la vista de la escena. Aquí está una explicación detallada de cómo funciona cada tecla y por qué utilizamos ciertas técnicas para el manejo de la cámara.

1. Salir del Programa

• Tecla ESC / Control + C: Cierra la ventana y termina el programa.

2. Mover la Cámara

• Teclas W, A, S, D: Se utilizan para mover la cámara en diferentes direcciones:

  • W: Mueve la cámara hacia adelante (en la dirección en la que está mirando).
  • A: Mueve la cámara hacia la izquierda (perpendicular a la dirección de la vista).
  • S: Mueve la cámara hacia atrás (opuesto a la dirección de la vista).
  • D: Mueve la cámara hacia la derecha (perpendicular a la dirección de la vista).

  Estas teclas modifican el centro de la cámara, que es el punto desde el que la cámara está viendo la escena. Mover el centro de la cámara cambia la posición de la cámara en el espacio sin rotarla.

• Tecla SPACE: Eleva la cámara hacia arriba.

• Tecla SHIFT: Baja la cámara hacia abajo.

3. Rotar la Cámara

• Teclas de flecha arriba (UP_K) y abajo (DOWN_K): Ajustan la inclinación vertical de la cámara:

  • UP_K: Inclina la cámara hacia arriba, cambiando el ángulo de visión vertical.
  • DOWN_K: Inclina la cámara hacia abajo, cambiando el ángulo de visión vertical.

• Teclas de flecha izquierda (LEFT_K) y derecha (RIGHT_K): Ajustan la rotación horizontal de la cámara:

  • LEFT_K: Rote la cámara hacia la izquierda, cambiando el ángulo de visión horizontal.
  • RIGHT_K: Rote la cámara hacia la derecha, cambiando el ángulo de visión horizontal.

  Estas teclas modifican los ángulos de Euler de la cámara, que son los ángulos que determinan cómo está orientada la cámara en el espacio. Los ángulos de Euler se utilizan para ajustar la inclinación y la rotación de la cámara de manera simple.

Ángulos de Euler

4. Ajustar el Campo de Visión (FOV)

• Tecla + (PLUS_K): Aumenta el campo de visión de la cámara en 5 grados, hasta un máximo de 180 grados.
• Tecla - (MINUS_K): Disminuye el campo de visión de la cámara en 5 grados, hasta un mínimo de 0 grados.

Soporte

Este proyecto está diseñado para ser compatible tanto con Linux como con MacOS, y se han implementado configuraciones específicas para asegurar que funcione sin problemas en ambos sistemas operativos.

Configuración de Teclas

En los proyectos que manejan gráficos y entradas del usuario, como teclas, es común que los códigos asociados a cada tecla varíen según el sistema operativo. Para manejar estas diferencias:

• Se define un archivo de configuración donde se asigna un valor específico a cada tecla relevante, como las teclas para mover la cámara o ajustar la vista.
• Este archivo asigna los códigos correctos para cada tecla dependiendo si se está ejecutando en Linux o MacOS.

Por ejemplo:

• La tecla ESC se utiliza para salir del programa.
• Las teclas W, A, S, D permiten mover la cámara en las direcciones correspondientes.
• Las teclas de flechas se utilizan para rotar la cámara en el eje vertical y horizontal.
• Las teclas + y - ajustan el campo de visión (FOV) de la cámara.
• La tecla ESPACIO mueve la cámara hacia arriba y la tecla SHIFT la mueve hacia abajo.

Gestión de Bibliotecas

El proyecto utiliza MiniLibX (MLX), que es una biblioteca ligera para la programación de gráficos en 2D, especialmente diseñada para entornos Unix como Linux y MacOS. Sin embargo, debido a las diferencias entre los sistemas operativos, es necesario configurar adecuadamente las bibliotecas y las rutas de estas para que el proyecto se compile correctamente en ambos sistemas.

1. Detección del Sistema Operativo:

   • Se usa una variable que identifica automáticamente si el proyecto se está ejecutando en un entorno Linux o MacOS.

2. Configuración de Bibliotecas:

   • En Linux:
     • Se incluye la biblioteca MLX específica para Linux, que maneja la creación de ventanas, eventos del teclado, y dibujado en pantalla.
     • Además, se vinculan otras bibliotecas del sistema como X11 (que maneja la interacción gráfica en entornos Unix), Xext (una extensión de X11), y math.h (para funciones matemáticas necesarias en gráficos).
   • En MacOS:
     • Se utiliza la versión de MLX compatible con MacOS.
     • En lugar de las bibliotecas X11 y Xext usadas en Linux, se usan frameworks propios de Apple como OpenGL (para gráficos 2D y 3D) y AppKit (para la interfaz gráfica).

3. Compilación Adaptativa:

   • Dependiendo del sistema operativo detectado, el Makefile ajusta las rutas y opciones de compilación automáticamente. Esto asegura que el proyecto compile y enlace correctamente todas las dependencias necesarias, sin importar si estás en Linux o MacOS.

Este enfoque asegura que el proyecto no solo sea portable entre diferentes sistemas operativos, sino que también se mantenga optimizado y compatible con las particularidades de cada entorno.

Demostración

Para ilustrar cómo funciona el proyecto en la práctica, hemos preparado una serie de videos que muestran diferentes aspectos y funcionalidades del programa en acción. Estos videos cubren:

1. Configuración Inicial y Carga de Escena:

Color.mp4

Movement.mp4

Resolution.mp4

2. Interacción con la Cámara y Renderizado en Tiempo Real:

Los videos estan x4 a una resolución de 800x400

Show1.mp4

Show2.mp4

Estos clips te proporcionarán una visión clara de cómo utilizar el programa y lo que puedes esperar en términos de rendimiento y visualización.

Cómo Contribuir

Si deseas contribuir al proyecto:

1. Fork el repositorio.
2. Crea una rama para tus cambios.
3. Realiza los cambios necesarios.
4. Envía un Pull Request describiendo los cambios realizados.

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