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任务
- 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。
rayTriangleIntersect()
我们首先来完成这个纯算法的东西:
忘记了也没关系,我正好想复习一下。首先我们可以用起点和光线的方向来表示光线上的每一个点,也就是\(\vec{O}+t\vec{D}\),接着,如果这个点经过三角形所在的平面,那么就可以由重心坐标所表示,也就是
\[\vec O+t\vec D =(1-b_1-b_2)\vec P_0+b_1\\vec P_1 +b_2\vec P_2
\]
使用克拉默法则可以解出\(t、b_1、b_2\)。再然后,如果重心坐标三个数值都大于零,说明交点在三角形内。
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.
auto e1 = v1 - v0, e2 = v2 - v0, s = orig - v0;
auto s1 = crossProduct(dir, e2), s2 = crossProduct(s, e1);
float t = dotProduct(s2, e2) / dotProduct(s1, e1);
float b1 = dotProduct(s1, s) / dotProduct(s1, e1);
float b2 = dotProduct(s2, dir) / dotProduct(s1, e1);
if (t > 0.0 && b1 > 0.0 && b2 > 0.0 && (1 - b1 - b2) > 0.0)
{
tnear = t;
u = b1;
v = b2;
return true;
}
return false;
}
Render()
这里存在着一系列较为复杂的坐标变换,我们一个个来看。首先在给出的框架中,我们是对屏幕像素进行了遍历,得到了\((i , j)\),但是我们需要的是观察空间下的坐标。
for (int j = 0; j < scene.height; ++j)
{
for (int i = 0; i < scene.width; ++i)
{
float x;
float y;
Vector3f dir = normalize(Vector3f(x, y, -1)); // Don't forget to normalize this direction!
framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0);
}
UpdateProgress(j / (float)scene.height);
}
关于这一段的解释,我翻了很久的博客,没有找到自己满意的,所以仔细研究了一下,才发现他们的解释方向不那么优。不应该把imageAspectRatio
加在前面的坐标来解释,实际上也是这样的,这也是缩放因子的一部分才对。请看下面解释:
到这里了,其实\(x\)轴已经很简单了:
代码的实现也就不难了
//Render
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=(((i+0.5f)/static_cast<float>(scene.width-1)*2.0f)-1.0f)*scale*imageAspectRatio;
y=(1.0f-(j+0.5f)/static_cast<float>(scene.height-1)*2.0f)*scale;
//其实就是把"zNear"设置为了 1
Vector3f dir = normalize(Vector3f(x, y, -1)); // Don't forget to normalize this direction!
framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0);
}
UpdateProgress(j / (float)scene.height);
}
其中width和height\(-1\)的原因我也不是很懂,只知道不减好像会出现两个蓝点。
推导正确性实验
这次作业没有提高题,那么我们来测试一下上面的推导的正确性:
我稍微修改了Render函数,让他可以接受一个zNear的参数,方便我来实验,然后对输出也做了一些修改,这是修改后的Render函数:
void Renderer::Render(const Scene& scene,const int zNear)
{
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)
{
float x;
float y;
x=(((i+0.5f)/static_cast<float>(scene.width-1)*2.0f)-1.0f)*scale*imageAspectRatio*zNear;
y=(1.0f-(j+0.5f)/static_cast<float>(scene.height-1)*2.0f)*scale*zNear;
Vector3f dir = normalize(Vector3f(x, y, -zNear));
framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0);
}
UpdateProgress(j / (float)scene.height);
}
// save framebuffer to file
string filename="binary";
filename+="_"+std::to_string(zNear)+".ppm";
FILE* fp = fopen(filename.c_str(), "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);
}
输出
./RayTracing
./RayTracing 2
./RayTracing 10
可以看到,输出结果完全一样,实际上也只是对一个单位化之前的向量做了数乘而以,对结果当然没有影响,但是对我们理解这个东西应该会有些作用。
代码汇总
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