GAMES101作业5及框架梳理

闲言碎语

emmm，上一次写还是2022年4月份的事情了，真的有点恍如隔世，4月到9月主要是在准备保研的事情，然后10月到12月基本上是在适应实习生活（没错，保完研之后因为种种原因就直接开始实习了，害，好吧，其实基本上就是奢靡的摆烂生活==，因为压力忽然没了，基本就是在公司混日子，没干啥事），就有很多事情本来早就该弄了，但是自己一直拖拖拉拉，最近慢慢适应了工作节奏，就陆陆续续开始搞一些曾经想搞但一直没时间搞的东西，由于本科毕设是做渲染相关的，所以games101渲染部分的作业得好好做一做，争取在年前能够入个门。

好了回归正题，作业5总体来说不是很难，主要是把整个框架看懂花了点时间，实际上敲代码的话是比较容易的，感觉核心还是看懂整个框架，收获的东西相较于作业会更多。

框架梳理

这个作业框架实际上是实现了简单的光线追踪流程（无加速算法），从全局来看就是先往scene里面添加物体（包括物体本身的材质信息和各种属性）和光源，其中物体既可以是显示表示（三角网格），也可以是隐式表示（球，用方程）。添加完之后就调用Render函数进行渲染。以上就是对应图形学两个环节，建模和渲染，如果要让他们动起来的话就是还要加个模拟。

渲染流程大概就是先生成光线（视点与屏幕像素中心点的连线），然后光线与场景相交找到第一个与之相交的点（这里相交的方法是遍历空间中所有物体，依次与光线相交求出相交点，然后找到最近的相交点返回。其中，对于不同物体的求交方法是不一样的，比如对于球这种隐式表示的，就用解析解的方法直接求交点，对于三角网格这种显示表示的，就依次遍历其所有三角形，用线和三角形求交的方法求交点），之后根据各种渲染的方法对该点着色（不同材质的着色方法不一样，代码里面写了三种材质，对应三种不同的着色方法，并且这里还需要判断点是否处在阴影中，若在阴影中，则不需要着色），然后该点的颜色就会最终返回，作为最终渲染图像的一个像素值。射出全部光线就能得到全部像素值，最终得到渲染图像。

由于这次框架比较简单，这次就不一边梳理框架一边看代码了，因为我觉得代码千变万化，不同场景都会有变化，但是光线追踪核心的思想和流程是不变的，只要核心的思想懂了，代码怎么变都是可以看懂的。而且我觉得看框架的代码也是一个自主学习的过程，如果讲的太透，也没有什么意思，还是自主学习更加有趣，也会有更多的收获，我相信只要坚持看下去，每个人肯定是能把代码框架看懂的，遇到看不懂的地方可以再回来看一下我上面的思路，希望对你有一定帮助。

当你看懂框架的代码后，一定是能看懂我上面的这段话的。

如果实在看不懂框架，可以参考：https://blog.youkuaiyun.com/qq_41835314/article/details/124969379（这位老哥可以说是讲的相当的细了==）

任务一：生成光线

这个不难，本质上就是坐标转换，算出屏幕像素中心点在世界坐标系的坐标，与视点相减，就是光线方向。实际上可以这么理解，这里坐标转化的过程与透视投影那一部分几乎是一模一样的思路，可以把屏幕像素看作视锥的一个底面，脑子里要有一张图，然后视点就是视锥的尖端，按照这种角度去理解应该会更好理解一点，scale和imageAspectRatio的意义也容易明白。

可以参考：https://blog.youkuaiyun.com/Q_pril/article/details/123825665，已经讲的比较透彻了。

void Renderer::Render(const Scene& scene)
{
    std::vector<Vector3f> framebuffer(scene.width * scene.height);

    float scale = std::tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f));
    float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;
                                                                                                 
    // Use this variable as the eye position to start your rays.
    Vector3f eye_pos(0);
    int m = 0;
    for (int j = 0; j < scene.height; ++j)
    {
        for (int i = 0; i < scene.width; ++i)
        {
            // generate primary ray direction
            // TODO: Find the x and y positions of the current pixel to get the direction
            // vector that passes through it.
            // Also, don't forget to multiply both of them with the variable *scale*, and
            // x (horizontal) variable with the *imageAspectRatio* 
            float x,world_scene_width;
            float y, world_scene_height;
            //世界坐标下屏幕的真实长度和宽度
            world_scene_width = 1 * scale * 2 * imageAspectRatio;
            world_scene_height = 1 * scale * 2;
            //x范围从  0-(scene.width-1) 转换为 0-1
            x = (i + 0.5) / (scene.width - 1);
            //x范围从  0-1 转换为 -1-1
            x = x * 2 - 1;
            //x范围从  -1-1 转换为 -world_scene_width/2-world_scene_width/2
            x = x * world_scene_width / 2;
            //y同理，其范围从0-(scene.height-1)最终转换为world_scene_height/2-(-world_scene_height/2)
            y= (-2 * (j + 0.5) / (scene.height-1) + 1)* world_scene_height/2;

            Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // Don't forget to normalize this direction!
            dir = normalize(dir);
            framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0);
        }
        UpdateProgress(j / (float)scene.height);
    }

    // save framebuffer to file
    FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb");
    (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height);
    for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) {
        static unsigned char color[3];
        color[0] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x));
        color[1] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y));
        color[2] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z));
        fwrite(color, 1, 3, fp);
    }
    fclose(fp);    
}

任务二：光线与三角形求交

这个也很简单，就是把老师ppt上面的Moller Trumbore求交算法实现出来，实际上老师上课讲了两种方法，另外一种是解析几何的方法，这种算是一种直接求解法，本质上是通过重心坐标构造一个线性方程进行求解。按老师说法是比解析几何的方法要快的。个人理解就是解析几何的过程是先求平面和光线的交点，然后再通过叉乘判断交点是否在三角形内部。而Moller Trumbore算法是直接求出交点的重心坐标，通过简单的逻辑判断是否在三角形内部，相较于解析几何方法，不需要再进行一次叉乘计算判断，一步到位。

bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, const Vector3f& v2, const Vector3f& orig,
    const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v)
{
    // TODO: Implement this function that tests whether the triangle
    // that's specified bt v0, v1 and v2 intersects with the ray (whose
    // origin is *orig* and direction is *dir*)
    // Also don't forget to update tnear, u and v.

    //这里也不难，说白了就是把ppt上的Moller-Trumbore算法写出来就行
    Vector3f E1 = v1 - v0,
             E2 = v2 - v0,
             S = orig - v0,
             S1 = crossProduct(dir, E2),
             S2 = crossProduct(S, E1);

    float S1E1 = dotProduct(S1, E1);
    tnear  = dotProduct(S2, E2) / S1E1;
    u= dotProduct(S1, S) / S1E1;
    v= dotProduct(S2, dir) / S1E1;
    if (tnear < 0) return false;
    if ((1 - u - v) > 0 && u > 0 && v > 0) return true;

    return false;
}

最终效果

由于这次作业比较简单，没遇到bug，一次就出来了，最后效果看上去和老师给的差不多，还有点小激动==

感悟

好久没写算法了，前段时间都在写工程的一些东西，现在写这些简单的都有点生疏，慢慢拾起来吧，然后的话作业做完，看懂框架之后，感觉自己对光线追踪的过程有了进一步的理解，编程实践真的很重要==

参考链接

1.https://blog.youkuaiyun.com/Q_pril/article/details/123825665
2.https://blog.youkuaiyun.com/ycrsw/article/details/124199544
3.https://blog.youkuaiyun.com/qq_41835314/article/details/124969379