ClickHouse/RayTracer

来源：https://github.com/ClickHouse/RayTracer

RayTracer — 基于 ClickHouse SQL 的光线追踪器

ClickHouse 覆盖在 Perlin 噪声地形上

一个完全用 ClickHouse SQL 查询 编写的路径追踪器，通过 ClickHouse 的 PNG 输出格式直接渲染为 PNG 图片。无需用户自定义函数（UDF）和外部代码——单个 SELECT 语句即可计算每个像素。

它渲染出 ClickHouse 这个词，呈现为玻璃质感的铬色字母——灵感来源于 Andrew Kensler 著名的皮克斯名片式光线追踪器——并且在上图中，它悬浮在程序生成的景观之上，反射地形并在山丘上投下阴影。

另请参阅：

• NoiSQL — 用 SQL 查询生成音乐 (https://github.com/ClickHouse/NoiSQL)
• SQL Mandelbrot Benchmark (https://github.com/ClickHouse/sql-mandelbrot-benchmark)
• Click-V: 用 ClickHouse SQL 构建的 RISC-V 模拟器 (https://github.com/SpencerTorres/Click-V)
• DOOMHouse 是一个“类 Doom”的游戏引擎，完全使用 ClickHouse SQL 渲染 3D 图形 (https://github.com/arniwesth/DoomHouse)

工作原理

整个渲染器位于一个查询中：

• 像素对应行。 numbers_mt(width * height * samples) 为每个 (pixel, sample) 生成一行；使用 GROUP BY pixel 对样本进行平均，输出列 r, g, b（取值范围 [0, 1]）加上显式的 x, y 坐标列（pixel % width，intDiv(pixel, width)）被写入 PNG 输出格式。显式坐标让写入器能按位置放置每个像素，因此行无需 ORDER BY，且每个像素的重计算工作在所有核心上保持并行。
• 元组上的3D数学。 向量表示为 Tuple(Float64, Float64, Float64)；dotProduct、L2Normalize、tuplePlus、tupleMultiplyByNumber 等完成线性代数运算，包装在简短的 lambda 别名（va、vs、vm、vd、vn、vc、vref）中。
• 弹跳循环是 arrayFold。 每条光线在 range(maxDepth) 上的每一步折叠步骤中只进行一次镜面反弹——每个行内部有一个循环，因此行保持独立，渲染在所有 CPU 核心上并行。（第一个版本使用的是 WITH RECURSIVE CTE——参见下面的查询。）
• 通过 arrayMap 实现 let 绑定。 ClickHouse 的 WITH lambda 是按名调用的，因此将值作为参数传递会重新展开表达式并使查询树膨胀。因此，中间变量通过 arrayMap(x -> body, [expr])[1] 这种单元素数组的“let”进行按值绑定。

几何体（构造实体几何，CSG）

• 圆柱体——用于直笔画的带平顶的圆杆（字母 l、i、k、H、u、e 的横杠）。
• 环面（Tori）——圆形字母（C、c、o、u、s、e），通过其符号距离场进行光线步进（ray-marching）；C/c/s/e 的开口是从环中减去一个方盒得到的。
• 球体——i 上的点，以及一个铬色“星球”，它是一个球体减去另一个球体。
• 定向盒 / 平行六面体——可用于平面笔画的形状。

因此场景涵盖了盒体、圆柱体、环面和球体，并使用了 CSG 的并集、差集（星球和字母开口）以及光线步进的距离场（环面）。

地形

高度场 z = amp · fBm(x, y)，其中 fBm 对几个倍频程的晶格值噪声求和。相机光线通过光线步进与地形相交——步进跳过空旷的空气（它从射线首次下降到地形最大高度处开始），并线性插值表面交叉点，因此既快速又无步进条带效应。地形着色使用高度颜色渐变（水面→沙地→草地→岩石→雪地），加上暖色太阳和冷色天空环境光模型，步进阴影（地形自阴影以及字母投射的阴影），以及向天空方向的距离雾。

图库

ClickBulb——一个完全由球体构成的台灯跳入画面，跃至横幅后方，将光线穿过字母间隙，然后探头望向观众。每一帧都是相同的 ClickHouse SQL 查询，逐帧运行（全高清视频）。

ClickBulb — 球体构建的台灯动画

运行方式

queries/ 目录中的每个文件都是完整且自包含的，并且参数化：图像尺寸来自 ClickHouse 的图像输出设置（在 SQL 中通过 getSetting 读取），每像素采样数来自 {SAMPLES:UInt32} 查询参数——一个查询即可渲染任意分辨率。使用以下命令渲染：

clickhouse local --output_format_image_width 2560 --output_format_image_height 1200 \
                 --param_SAMPLES 8 --queries-file queries/clickhouse_terrain.sql > out.png

这些查询由 generators/ 中的 Python 生成器生成；场景和弹跳深度在生成时编译进去，而图像尺寸和每像素采样数保持为所生成查询的运行时参数。例如，重新创建主图：

python3 generators/gen_combined.py 2560 1200 8 2 > scene.sql   # 深度 2；W/H/采样数为运行时参数
clickhouse local --output_format_image_width 2560 --output_format_image_height 1200 \
                 --param_SAMPLES 8 --queries-file scene.sql > scene.png

渲染任意文本

球体横幅生成器（gen.py 和更快的 gen_fold.py）接受可选的第五个参数：要渲染的文本。文本根据 generators/font.py 中的 7 行位图字体（大写 A-Z、数字和常用标点符号；原始的混合大小写“ClickHouse”字形得以保留，因此默认渲染不变）进行布局，相机、光源和铬色球体会自动重新居中于横幅。

python3 generators/gen_fold.py 640 256 16 4 "HELLO SQL" > hello.sql
clickhouse local --output_format_image_width 640 --output_format_image_height 256 \
                 --param_SAMPLES 16 --queries-file hello.sql > hello.png

无需渲染即可预览 ASCII 艺术横幅：python3 generators/font.py "HELLO SQL"。

在其他数据库上尝试

• 🐛 CedarDB：可运行，但慢 33 倍且有 bug：https://github.com/cedardb/issues/issues/71
• ☠️ DuckDB：无法运行，尝试了多种方法——使用数组和递归 CTE，但它连最小分辨率的图像都无法处理。

参见基准测试。

致谢

灵感来源于 Andrew Kensler 的 名片式光线追踪器 和 Paul Heckbert 的最小光线追踪器——重新构想为纯 ClickHouse SQL。

许可证

Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0，与 ClickBench (https://github.com/ClickHouse/ClickBench) 相同的许可证。