Rust实现光线追踪

这一节没有新的知识，只是将之前知识汇总起来，然后生成一张最终的图，最终生成的图如下 首先，将创建世界及添加物体的代码从 main 函数中删除，然后抽象成一个函数 random_scene，在这个函数中，会随机生成一些球体，并且根据规则，随机使用我们的已有的三个材质。 // src/main.rs fn random_scene() -> HittableList { let mut world = HittableList::new(); let ground_material = Lambertian::new(Color::new(0.5, 0.5, 0.5)); world.add(Box::new(Sphere::new( Vec3::new(0.0, -1000.0, 0.0), 1000.0, ground_material, ))); let mut rng = rand::thread_rng(); // 生成一些小球 for a in -11..11 { for b in -11..11 { let choose_mat: f64 = rng.gen(); let x_offset: f64 = rng.gen(); let z_offset: f64 = rng.gen(); let center = Vec3::new(a as f64 + 0.9 * x_offset, 0....

散焦模糊，通俗来讲就是在聚焦区域外的东西，都是模糊的。通常这种效果被称为 Depth Of Field（DOF)，也就是景深。最终效果如下 ...

正交相机所看到的东西大小，与远近无关，只与正交相机的视野（FOV）有关。FOV越大，能看到的世界范围就大，也就是能看到更多的东西，而FOV越小，能看到的世界范围就越小，也就是只能看到较少的东西。 由于FOV越小，看到的范围就越小，从而，相机的上下界，所发出的射线，所能覆盖的范围，就小。也就是相当于所有的射线，都集中在世界中一个小范围，从这个小范围中取得颜色，填充画布（最后渲染的图片），所以看到的东西就大。而如果FOV很大，射线所能覆盖的世界范围就大，用这个大范围来填充画布，自然同一个物体就会看起来小。 可以想象一个两个盒子，一个大的，假设口径是50厘米，扣在一把键盘上，可以扣住整个键盘，相当于摄像机看到了整个键盘。而将一个1厘米口径的盒子，扣在键盘上，可能只能覆盖其中一个键，也就是相机只能看到这一个键范围的东西。但最后都会将扣到的东西填充到画布上，所以，就相当于FOV越小，看到的东西就越大。 添加相机FOV逻辑 在本文中，相机的FOV，我们使用角度来表示，上图中，$\theta$ 就是相机的开口大小，而 $h = \tan(\frac{\theta}{2})$，$2 * h$就是视口的高度，而视口的宽度，通过自定义的宽高比，来动态计算出来。 下面修改 camera.rs 的代码，添加 fov 和 宽高比。 // src/camera.rs impl Camera { pub fn new(vfov: f64, aspect_ratio: f64) -> Self { let theta = vfov * std::f64::consts::PI / 180.0; let h = (theta / 2.0).tan(); let viewport_height = 2.0 * h; let viewport_width = aspect_ratio * viewport_height; let focal_length = 1.0; let origin = Vec3::zero(); let horizontal = Vec3::new(viewport_width, 0.0, 0....

关于折射的实现，可以使用斯涅尔定律。当光波从一种介质传播到另一种介质时，如果两种介质拥有不同的折射率，那么光线就会发生折射现象。例如光线从空气中进入水中，或者从空气中进入玻璃中。 下面涉及到的公式，也可以不用理解推导过程，只要拿来用就行。 斯涅尔定律 斯涅尔定律表明，当光波从介质1传播到介质2时，假若两种介质的折射率不同，则会发生折射现象，其入射光和折射光都处于同一平面，称为“入射平面”，并且与界面法线的夹角满足如下关系： $n_{1}\sin\theta_{1} = n_{2}\sin\theta_{2}$ 其中，$n_{1}$、$n_{3}$ 分别是两种介质的折射率，$\theta_{1}$、$\theta_{2}$ 分别是入射光线、折射光线与界面法线的夹角，分别叫做入射角和折射角。 要求折射光线的方向，就需要解出 $\sin\theta_{2}$ 来。根据上面的公式可知 $\sin\theta_{2} = \frac{n_{1}}{n_{2}} \cdot \sin\theta_{1}$ 我们可以将折射光线的向量，分解为一个垂直向量和一个平行向量。计算出这两个向量，然后相加，即可得到最终的折射向量。 $ 垂直向量 = \frac{n_{1}}{n_{2}}(入射向量 + \cos\theta_{1}*法向量)$ $ 平行向量 = - \sqrt{1 - |垂直向量|^2 * 法向量}$ 由于，两个向量的点乘与其夹角的 cos 值有关，也就是 $ a \cdot b = |a||b|\cos\theta $ ，如果 a 和 b 都是单位向量，那么可得到 $a \cdot b = \cos\theta$ 根据上面的规则，可以使用新的方式来表示垂直向量 $ 垂直向量 = \frac{n_{1}}{n_{2}}(入射向量 + (-入射向量 \cdot 法向量) * 法向量) $ 综上，可以使用代码来实现折射逻辑，在 vec3.rs 中添加一个新的函数 refract...

在前面的文章中，我们渲染出来的图片使用的是漫反射的材质。不同的材质，可以简单理解为对于光线的影响不同，这里的影响包括如何吸收，如何散射等。在这一节，我们将加入另一种材质，金属材质。 最终的渲染图如下 ...

上一节生成的图看起来很暗，有一个问题是因为有些物体反射的光线，会在 t = 0 时再次击中自己，而由于浮点数精度的问题，这些值可能是 0.00000001 或 -0.0000001 之类的任意接近0的浮点数，所以我们 hit 函数的 t_min 参数，需要忽略掉 0 附近的一小部分范围，防止物体发出的光线再次与自己相交。这样也就避免了阴影痤疮（Shadow ance）的产生。 修改 main.rs 中 ray_color 函数中的 word.hit()，改为 if let Some(hit_record) = world.hit(r, 0.001, f64::INFINITY)，也就是 t_min 参数传值 0.001。 cargo run --release > diffuse_random_in_sphere.ppm 生成图如下 可以看到，已经比上一节生成的图亮了很多。 我们上一节使用的漫反射光线散射的方法，是在球体内部生成一个随机的点。然后，这样生成的向量，有很大的概率会和法线方向相近，并且及小概率会沿着入射方向反射回去。然而，真正的理想散射（Lambertian 反射）后的光线距离法向量比较近的概率会更高，但是分布规律会更加均衡，而实现这个方法，就是在球面上选取一个点，而不是在球内。我们可以通过在球内选取一个点，然后将其标准化，来得到球面上的点，因为我们的球是单位球。 在 vec3.rs 中 Vec3 的实现里，添加一个新的方法 random_unit_vector，代码如下 // src/vec3.rs pub fn random_unit_vector() -> Vec3 { let point = Vec3::random_in_unit_sphere(); return Vec3::unit_vector(point); } 然后修改 main.rs 中的 ray_color 函数，将原来调用 random_in_unit_sphere 的代码改成调用 random_unit_vector。...

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。 ...

将上一节生成的图放大来看，可以看到球体的边缘与存在着很明显的锯齿，这一节我们首先将相机的代码进行抽象，写在一个 Camera 结构体里，然后加入抗锯齿的逻辑。 ...

这一节的内容修改的比较多，我们会把前面的逻辑重新整理一下，将可光线可交互的世界物体，抽象成一个 Hittable Object，然后可以在场景中添加多个物体。也使用了 Rust 的 Trait，Vec 等。最终效果图如下 ...

这一节比较简单，就是将上一节的 hit_sphere 函数进行一定的简化，直接看代码。代码中简化之前的已经注释，可以直接对比一下，不同的计算方式，最终算出来的值都是一样的。 ...