【GAMES101】作业5 简单光线追踪与代码流程理解

1. 作业描述

在这部分的课程中，我们将专注于使用光线追踪来渲染图像。在光线追踪中最重要的操作之一就是找到光线与物体的交点。一旦找到光线与物体的交点，就可以执行着色并返回像素颜色。在这次作业中，我们需要实现两个部分：光线的生成和光线与三角的相交。本次代码框架的工作流程为：

1. 从 main 函数开始。我们定义场景的参数，添加物体（球体或三角形）到场景中，并设置其材质，然后将光源添加到场景中。
2. 调用 Render(scene) 函数。在遍历所有像素的循环里，生成对应的光线并将返回的颜色保存在帧缓冲区（framebuffer）中。在渲染过程结束后，帧缓冲区中的信息将被保存为图像。
3. 在生成像素对应的光线后，我们调用 CastRay 函数，该函数调用 trace 来查询光线与场景中最近的对象的交点。
4. 然后，我们在此交点执行着色。我们设置了三种不同的着色情况，并且已经为你提供了代码。

• global.hpp：包含了整个框架中会使用的基本函数和变量。
• Vector.hpp: 由于我们不再使用 Eigen 库，因此我们在此处提供了常见的向量操作，例如：dotProduct，crossProduct，normalize。
• Object.hpp: 渲染物体的父类。Triangle 和 Sphere 类都是从该类继承的。
• Scene.hpp: 定义要渲染的场景。包括设置参数，物体以及灯光。
• Renderer.hpp: 渲染器类，它实现了所有光线追踪的操作。

你需要修改的函数是：

• Renderer.cpp 中的 Render()：这里你需要为每个像素生成一条对应的光线，然后调用函数 castRay()来得到颜色，最后将颜色存储在帧缓冲区的相应像素中。
• Triangle.hpp 中的 rayTriangleIntersect():v0, v1, v2 是三角形的三个顶点，orig 是光线的起点，dir 是光线单位化的方向向量。tnear, u, v是你需要使用我们课上推导的 Moller-Trumbore 算法来更新的参数

2. 解

本次作业要修改的部分很简单，但是还是有一些点需要注意

2.1 Render

根据题目要求，这部分我们需要为每个像素生成一条对应的光线，根据已知条件，我们已经有了相机的fov，场景的像素和宽高比，现在要求出相机到像素每个点的光线，但是根据这些，我们发现还差一个条件，那就是成像平面的深度未知，这样就无法通过fov求出场景在世界坐标系下的高，自然也无法根据宽高比求出它的宽，这条光线就不可求了，但是我们仔细看作业给的源代码中有这么一条语句：Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1)；// Don’t forget to normalize this direction! 它说的是不要忘记对求出来的光线方向归一化，也就是说这条向量就是相机到像素的原始向量，那么就隐含了一个成像平面的深度为-1的条件（相机向-z方向看），就此，我们就可以根据现有条件算出具体的光线了（默认遍历顺序是左上到右下，像素坐标(640,480)对应世界坐标系(0,0)，在坐标转换时别忘了是转换的像素中心的坐标，对i和j要加0.5）：

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
            float x;
            float y;
            // 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*            
            x = 2 * scale * imageAspectRatio / scene.width * (i + 0.5) - scale * imageAspectRatio;
            y = - 2 * scale / scene.height * (j + 0.5) + scale;
            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);    
}

2.2 rayTriangleIntersect

这部分的代码就是对Lecture 13上提到的Möller Trumbore算法的具体实现：

算法具体的推导过程见：Möller Trumbore
需要注意的是计算结束以后别忘了对算得的tnear、u、v进行有效性计算，若范围正确则返回true

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.
    Vector3f E1, E2, S, S1, S2, re;
    E1 = v1 - v0;
    E2 = v2 - v0;
    S = orig - v0;
    S1 = crossProduct(dir, E2);
    S2 = crossProduct(S, E1);
    re