一个简单的光线追踪渲染器

前言

本文参照自raytracing in one weekend教程，地址为：https://raytracing.github.io/books/RayTracingInOneWeekend.html

什么是光线追踪？

光线追踪模拟现实中的成像原理，通过模拟一条条直线在场景内反射折射，最终获知物体表面的颜色。现实世界中，光线最终射向相机，获得成像，光线追踪则是从相机出发，向场景中反向发射光线，从而推出相机“底片”中每个像素的颜色。

现实中的相机很发杂，包括多组透镜，在成像时不是光线直接射入相机，需要经过多次折射。我们这里的光线追踪更类似于在模拟小孔成像（只不过小孔成像获得的图像是反置的，我们直接得到正向的结果，相当于对反置图像做了反置），我们在小孔的位置放置相机。

在这里插入图片描述

光线追踪和光栅化是两种不同的渲染方式，光栅化相当于把物体表面直接反射或发射的颜色返回给相机“底片”，场景中的各种阴影、遮蔽等效果都是通过预计算等方法得出的，而光线追踪会考虑物体表面光线多次反射或折射的结果，直接可以得到场景中的阴影、遮蔽等细节效果。

在具体实现的过程中，我们会在相机的正前方设置一个虚拟画布，相当于相机的底片（正常来说相机底片应当是在相机背面的，不过为了直观以及便于确定每条光线的方向，直接在相机前方设置），虚拟画布上每个位置的颜色代表了最终渲染结果对应像素的颜色。在发射光线时，通常以相机为起点，虚拟画布上的每个位置为终点，构建一条射线，每个方向可以根据采样设置发射多条射线。每个方向的射线的平均结果为对应像素的最终颜色。

在这里插入图片描述

光栅器的构建过程

这一部分是我在学习raytracing in one weekend教程时，我认为重点部分的罗列。

图像格式

raytracing in one weekend教程中采用了ppm格式，这种格式很简单，可以用ASCII文本表示。详细介绍可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/609960339

基本的光追过程

简述一下光线追踪的过程：

屏幕上的每一个像素都进行光线投射。
光线的每次投射都需要判断交点，而且投射到交点后还可能产生反射、折射，那么就往相应的方向继续进行新的投射，直到投射到天空或者投射次数达到限制。
最后，将每个交点的受光照情况以一定权重综合起来，得到一束光线获得的颜色，根据采样次数，每个像素发出的多个颜色的平均值为该像素的颜色。

下图是一个示例。

在这里插入图片描述

光线追踪的伪代码：

RayTracing(Ray ray, hittable_list world, int depth){
    if(depth <= 0)
        return black color;
    
    hit_record rec; // 弹射点的属性记录
    
    if(Intersect(ray, world, out rec)){
        material = rec.mat; // 弹射点所在物体的材质
        normal = rec.normal;
        
        localColor = ShaderCalculate(ray, material, normal);
        out_ray = Get_outputRay(ray, material, normal);

        localColor = shaderCalculate(direction,hitpoint,normal);
        return localColor * RayTracing(out_ray, world, depth - 1);
    }
    else{
        return the color of background;
    }
}

抗锯齿

看到一个有趣的真相：每个小像素块不是正方形，参考文献，不过为了简单起见，我们假设每个小像素块是正方形。

这里为了进行抗锯齿，采用了一定程度的随机，即从相机向虚拟画布发射光线时，以像素为单位为射线的终点做随机扰动。

在代码中的体现如下：

ray get_ray(int i, int j) const {
        // 获取位置 i,j 处像素的随机采样光线。

        auto pixel_center = pixel00_loc + (i * pixel_delta_u) + (j * pixel_delta_v);
        auto pixel_sample = pixel_center + pixel_sample_square();

        auto ray_origin = center;
        auto ray_direction = pixel_sample - ray_origin;

        return ray(ray_origin, ray_direction);
    }

    vec3 pixel_sample_square() const {
        // 返回一个单位像素正方形周围的随机点。
        
        auto px = -0.5 + random_double();
        auto py = -0.5 + random_double();
        return (px * pixel_delta_u) + (py * pixel_delta_v);
    }