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Architecture Overview

RayTracer Studio follows a clean separation between the rendering engine (C++) and the user interface (React).

System Architecture​

β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”
β”‚ RayTracer Studio β”‚
β”œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€
β”‚ β”‚
β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚
β”‚ β”‚ React Application β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ Header β”‚ β”‚ Controls β”‚ β”‚ Canvas Component β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ (Stats) β”‚ β”‚ (Panels) β”‚ β”‚ (Render Target) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”¬β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”¬β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β–Ό β–Ό β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ App State (React) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ light position β€’ material properties β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ camera state β€’ view settings β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ scene preset β€’ antiAliasing, shadowSamples β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”¬β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”Όβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β–Ό β”‚
β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚
β”‚ β”‚ WebAssembly Bridge β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ Emscripten Bindings (embind) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ render() β€’ setAntiAliasing() β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ updateLight() β€’ setShadowSamples() β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ updateMaterial() β€’ setLightRadius() β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β€’ updateCamera() β€’ orbitCamera() β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”¬β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β–Ό β”‚
β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚
β”‚ β”‚ C++ Ray Tracing Engine β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ Vec3 β”‚ β”‚ Ray β”‚ β”‚ Camera β”‚ β”‚ Renderer β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ (Anti-Alias) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ Materialβ”‚ β”‚ Light β”‚ β”‚ Sphere β”‚ β”‚ Scene β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ (Area) β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ (Soft Shadow) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ Plane (Ground) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚
β”‚ β”‚
β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜

Key Features​

FeatureLocationDescription
Anti-AliasingRenderer.hSupersampling with jittered sampling (1, 4, or 16 samples/pixel)
Soft ShadowsScene.h, Light.hArea lights with stratified shadow ray sampling
ReflectionsScene.hRecursive ray tracing with Fresnel effect
Blinn-PhongScene.hLocal illumination with diffuse + specular

Data Flow​

Render Loop​

  1. User Interaction β†’ React state updates
  2. State Change β†’ Triggers useEffect in Canvas component
  3. WASM Calls β†’ Update C++ engine state via bindings
  4. Render β†’ C++ engine traces rays and produces pixel buffer
  5. Display β†’ Pixel buffer copied to Canvas via ImageData
// Simplified render flow
const renderFrame = () => {
// 1. Update C++ state
wasmModule.updateLight(light.x, light.y, light.z);
wasmModule.updateMaterial(specular, shininess, reflectivity);
wasmModule.updateCamera(camera.x, camera.y, camera.z);

// 2. Set rendering options
wasmModule.setAntiAliasing(view.antiAliasing);
wasmModule.setShadowSamples(view.shadowSamples);

// 3. Render and get pixel buffer
const pixelVector = wasmModule.render(width, height);

// 4. Copy to JavaScript array
const pixelData = new Uint8ClampedArray(pixelVector.size());
for (let i = 0; i < pixelVector.size(); i++) {
pixelData[i] = pixelVector.get(i);
}

// 5. Clean up C++ memory
pixelVector.delete();

// 6. Draw to canvas
const imageData = new ImageData(pixelData, width, height);
ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
};

Rendering Pipeline​

β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”
β”‚ Rendering Pipeline β”‚
β”œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€
β”‚ β”‚
β”‚ For each pixel (x, y): β”‚
β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚
β”‚ β”‚ Anti-Aliasing Loop β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β” β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ For each sample (with jitter): β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ 1. Generate Camera Ray β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ └── getRay(u + jitter, v + jitter) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ 2. Trace Ray (recursive) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”œβ”€β”€ Find intersection (spheres, plane) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”œβ”€β”€ If hit: β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”œβ”€β”€ Calculate lighting β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ └── For each light: β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”œβ”€β”€ Shadow test (soft or hard) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ └── Blinn-Phong shading β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ └── Trace reflection (if reflective) β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ └── Else: return background color β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ 3. Accumulate sample color β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ β”‚ β”‚
β”‚ β”‚ Average accumulated samples β†’ Final pixel color β”‚ β”‚
β”‚ β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜ β”‚
β”‚ β”‚
β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜

Module Dependencies​

C++ Headers​

core.cpp
β”œβ”€β”€ Vec3.h (no dependencies)
β”œβ”€β”€ Ray.h β†’ Vec3.h
β”œβ”€β”€ Material.h β†’ Vec3.h
β”œβ”€β”€ Light.h β†’ Vec3.h (includes radius for area lights)
β”œβ”€β”€ Camera.h β†’ Vec3.h, Ray.h
β”œβ”€β”€ Sphere.h β†’ Vec3.h, Ray.h, Material.h
β”œβ”€β”€ Plane.h β†’ Vec3.h, Ray.h, Material.h, Sphere.h
β”œβ”€β”€ Scene.h β†’ All above (includes soft shadow logic)
└── Renderer.h β†’ Scene.h (includes anti-aliasing logic)

React Components​

App.jsx
β”œβ”€β”€ hooks/useWasm.js
β”œβ”€β”€ layout/Header.jsx
β”‚ └── layout/InfoModal.jsx
β”œβ”€β”€ canvas/SceneToolbar.jsx
β”œβ”€β”€ canvas/RaytracerCanvas.jsx
└── controls/ControlPanel.jsx
β”œβ”€β”€ controls/LightControls.jsx
β”œβ”€β”€ controls/MaterialControls.jsx
β”œβ”€β”€ controls/CameraControls.jsx
└── controls/ViewControls.jsx (AA, soft shadows)
β”œβ”€β”€ ui/Tabs.jsx
β”œβ”€β”€ ui/Slider.jsx
└── ui/Toggle.jsx

Memory Management​

C++ to JavaScript Data Transfer​

The render function returns a std::vector<uint8_t> which Emscripten wraps as a JavaScript object:

std::vector<uint8_t> render(int width, int height) {
std::vector<uint8_t> buffer(width * height * 4); // RGBA
// ... ray tracing logic with AA ...
return buffer;
}
Important

Always call .delete() on the returned vector to prevent memory leaks:

const pixelVector = wasmModule.render(512, 512);
// ... use the data ...
pixelVector.delete(); // Free C++ memory!

Performance Considerations​

FactorImpactOptimization
ResolutionO(nΒ²)Use 256-512 for interaction
Anti-AliasingΓ—4 or Γ—16Use 2Γ—2 for interaction, 4Γ—4 for final
Soft ShadowsΓ—samples per light4-9 samples for preview, 16-25 for final
ReflectionsO(bounces)Limit to 3-5 bounces
Sphere CountO(n) per rayUse spatial acceleration for many objects

Combined Render Cost​

Base cost = ResolutionΒ² Γ— Reflections

With features:
Total = Base Γ— AA_samples Γ— Shadow_samples Γ— Lights

Example (worst case):
512Β² Γ— 5 bounces Γ— 16 AA Γ— 25 shadows Γ— 2 lights
= 262,144 Γ— 5 Γ— 16 Γ— 25 Γ— 2
= ~1 billion ray operations

Recommendation: Enable features progressively. Use low settings during interaction, high settings for final render.

Responsive Design​

The UI adapts to different screen sizes:

BreakpointLayout
> 900pxSide-by-side (canvas + sidebar)
≀ 900pxStacked (canvas above controls)
≀ 640pxCompact tabs, icons only
MobileTouch support for camera orbit