Ray Tracer in SQL

背景

在数据库领域，ClickHouse 以其极致的 OLAP 查询性能著称，通常用于海量数据分析。然而，一个极具实验性质的项目展示了 ClickHouse 的另一面：完全用 ClickHouse SQL 实现路径追踪（Path Tracing）渲染器，无需用户自定义函数（UDF），无需外部代码，仅靠一条 SELECT 语句就能逐像素计算并直接输出 PNG 图像。

该项目灵感来源于 Andrew Kensler 著名的 Pixar 名片光线追踪器（用 C++ 写成，代码精简到可印在名片上）以及 Paul Heckbert 的极简光线追踪器。作者将其重新构想为纯 ClickHouse SQL 实现，渲染了玻璃质感、铬合金风格的 "ClickHouse" 字样，漂浮在程序生成的地形之上，反射地表并在山丘上投下阴影。

核心内容

整体架构

整个渲染器由一条 SQL 查询构成，核心思路是将像素映射为数据行：

• numbers_mt(width * height * samples) 为每个（像素, 采样）组合生成一行数据
• 通过 GROUP BY pixel 对多次采样取平均，得到最终像素颜色
• 输出列 r, g, b（范围 [0, 1]）配合显式 x, y 坐标列（pixel % width 与 intDiv(pixel, width)）写入 ClickHouse 的 PNG 输出格式
• 显式坐标让写入器按位置放置像素，因此行无需 ORDER BY，重计算工作可跨所有 CPU 核心并行

3D 数学与光线追踪

• 向量运算：向量表示为 Tuple(Float64, Float64, Float64)，线性代数操作（点积、L2 归一化、向量加减、标量乘法等）通过短 lambda 别名实现（va、vs、vm、vd、vn、vc、vref）
• 光线反弹循环：使用 arrayFold 实现，每次折叠步骤将光线推进一次镜面反弹，循环在每一行内部执行，保持行间独立，渲染可跨所有 CPU 核心并行。早期版本使用 WITH RECURSIVE CTE 实现
• let 绑定：由于 ClickHouse 的 WITH lambda 采用传名调用（call-by-name），传参会导致表达式重复展开、查询树膨胀。因此使用 arrayMap(x -> body, [expr])[1] 实现按值绑定（one-element-array "let"）

场景几何体

场景综合运用了多种几何体与 CSG（构造实体几何）操作：

• 圆柱体（Cylinders）：用于直线笔画（l、i、k、H、u、e 的横杆）
• 圆环（Tori）：用于圆形字母（C、c、o、u、s、e），通过有符号距离场（SDF）进行光线步进（ray-marched）；C/c/s/e 的开口通过从环中减去一个盒子实现
• 球体（Spheres）：i 上的点，以及一个铬合金"行星"（球体减去球体）
• 方向盒子/平行六面体（Oriented boxes / parallelepipeds）：用于平面笔画

整体场景涵盖了盒子、圆柱体、圆环、球体，以及 CSG 并集、差集和光线步进距离场。

地形与着色

• 高度场：z = amp · fBm(x, y)，其中 fBm 对多个八度的晶格值噪声求和
• 光线步进：相机光线对高度场进行光线步进，从光线首次降至地形最大高度处开始，跳过空白空气，线性插值求交，既快速又无步进带状伪影
• 着色模型：高度颜色渐变（水 → 沙 → 草 → 岩石 → 雪）、暖色太阳光加冷色天空环境光、步进阴影（地形自阴影与文字投射阴影）、向天空的距离雾

ClickBulb 动画

一个完全由球体构成的台灯（ClickBulb）会在场景中跳跃，从横幅后方探出，光线穿过字母缝隙，然后探头看向观众。每一帧都是相同的 ClickHouse SQL 查询，逐帧运行（全质量视频）。

参数化与生成

• queries/ 目录下的每个文件都是完整且自包含的，