漫反射的通俗理解是，当一个光线打到某一个物体的某一个点上，这条光线一部分会被吸收，一部分会被随机的反射出去，而反射出去的光线，又可能会打到另一个物体面上的一个点，然后又会被吸收，以及随机的反射出去。现实中的光线可能会无限递归下去，但是我们在程序中实现，不可能无限递归，会设置一个反射次数，达到了那个次数，就停止。
漫反射的实现过程，首先，一条光线打到了物体表面上的一个 P 点，在 P 点法线的那一侧，做一个单位球，这个球与 P 点相切。法线的一侧，我们以球体为例，如果法线向外，那这个单位球就在球的外面，如果法线向内指向球心，那这个单位球就在球的内侧。然后，在单位球内，随机生成一个点 S，然后从 P 到 S 的方向，就是原光线的反射方向，实现上，我们只要从 P 向 S 点再发射一条光线即可。对于每一条光线，重复上面的过程。
还是在上一次的代码基础上修改，主要修改如下
在 Vec3 的实现中添加一个 random_in_unit_sphere 的函数，用于生成单位球内的一个随机点。
// src/vec.rs
pub fn random_in_unit_sphere() -> Vec3 {
let mut rng = rand::thread_rng();
let mut p: Vec3;
loop {
let x = rng.gen_range(-1.0..1.0);
let y = rng.gen_range(-1.0..1.0);
let z = rng.gen_range(-1.0..1.0);
p = Vec3::new(x, y, z);
if p.length_squared() >= 1.0 {
continue;
}
break;
}
return p;
}
然后修改 main.rs 中的 ray_color 函数，添加光线的随机反射，depth 参数是我们设定的光线反射次数。
// src/main.rs
fn ray_color(r: &Ray, world: &dyn Hittable, depth: i32) -> Color {
if depth <= 0 {
return Color::zero();
}
if let Some(hit_record) = world.hit(r, 0.0, f64::INFINITY) {
let target: Vec3 = hit_record.p + hit_record.normal + Vec3::random_in_unit_sphere();
let ray = Ray::new(hit_record.p, target - hit_record.p);
return 0.5 * ray_color(&ray, world, depth - 1);
}
let unit_direction = Vec3::unit_vector(r.direction);
let t = 0.5 * (unit_direction.y + 1.0);
return (1.0 - t) * Color::one() + t * Color::new(0.5, 0.7, 1.0);
}
在 main 函数中添加 MAX_DEPTH 常量，以及修改对于 ray_color 函数的调用。MAX_DEPTH 的大小，对于计算的耗时影响很大，这里设置为了2次，原教程中设置为了50次，但是生成的结果视觉上差别不大，原理上是正确的。如果将 MAX_DEPTH 设置为 50，在我的机器上，2020 款 Mac mini M1，耗时大概接近 1 分钟。
// src/main.rs
fn main() {
// Image config
const ASPECT_RATIO: f64 = 16.0 / 9.0;
const IMAGE_WIDTH: u64 = 600;
const IMAGE_HEIGHT: u64 = ((IMAGE_WIDTH as f64) / ASPECT_RATIO) as u64;
const SAMPLES_PER_PIXEL: u64 = 100;
const MAX_DEPTH: i32 = 2;
// World
let mut world = HittableList::new();
world.add(Box::new(Sphere::new(Vec3::new(0.0, 0.0, -1.0), 0.5)));
world.add(Box::new(Sphere::new(Vec3::new(0.0, -100.5, -1.0), 100.0)));
// Camera config
let cam = Camera::new();
// Render
let mut rng = rand::thread_rng();
let mut image_file_string = String::new();
image_file_string.push_str(&format!("P3\n{} {}\n255\n", IMAGE_WIDTH, IMAGE_HEIGHT));
for j in (0..=IMAGE_HEIGHT - 1).rev() {
for i in 0..IMAGE_WIDTH {
let mut pixel_color = Color::zero();
for _ in 0..SAMPLES_PER_PIXEL {
let u_rand: f64 = rng.gen();
let v_rand: f64 = rng.gen();
let u = (i as f64 + u_rand) / (IMAGE_WIDTH - 1) as f64;
let v = (j as f64 + v_rand) / (IMAGE_HEIGHT - 1) as f64;
let r = cam.get_ray(u, v);
pixel_color += ray_color(&r, &world, MAX_DEPTH);
}
image_file_string.push_str(&format!(
"{}",
color::get_color_string(pixel_color, SAMPLES_PER_PIXEL)
));
}
}
println!("{}", image_file_string);
}
还修改了一个地方是，ray_color 函数中的 r: Ray 参数，修改为了引用的形式 r: &Ray。
这时，运行将输出下面的结果，这个是未经过伽马矫正的图。
上面的图片看起来很暗，在现实中是不应该这样的，我们的球体只吸收了 50% 的光线，所以另外的 50% 被反射了。之所以看起来很黑，是因为在计算机中，都被假设图像是经过了 gamma 校正的，也就是在将图片的数据存入文件前，进行了一些转换。所以我们也只需要在写入文件前，对颜色进行一定的转换即可。我们可以使用 “gamma 2” （我也不知道这是什么），简单来说就是提升颜色值。计算方式如下
修改 color.rs 中的 write_color 函数，将原来的 r *= scale 变为开平方。
// src/color.rs
use crate::vec3::Vec3;
pub type Color = Vec3;
pub fn get_color_string(pixel_color: Color, samples_per_pixel: u64) -> String {
let mut r = pixel_color.x;
let mut g = pixel_color.y;
let mut b = pixel_color.z;
// Divided the color by the number of samples and gamma-correct for gamma = 2.0
let scale = 1.0 / samples_per_pixel as f64;
r = (scale * r).sqrt();
g = (scale * g).sqrt();
b = (scale * b).sqrt();
// r *= scale;
// g *= scale;
// b *= scale;
let r = (256.0 * r.clamp(0.0, 0.999)) as u64;
let g = (256.0 * g.clamp(0.0, 0.999)) as u64;
let b = (256.0 * b.clamp(0.0, 0.999)) as u64;
format!("{} {} {}\n", r, g, b)
}
最终效果图如下
