本次光线追踪系列从基础重新开始，主要参照 Ray Tracing in One Weekend ，具体实现代码框架见 https://github.com/RayTracing/raytracing.github.io/。本文只是主要精炼光追相关理论，具体实现可参照原文。

本部分，我们来实现光线在漫反射材质表面反射的效果。

一、漫反射原理

如果光线射向漫反射材质物体（表面不规则），则反射光线具有随机的方向。以刚刚的场景为例，一个大球上面有个小球，材质均为漫反射材质。下面的三条射线，具有不同的随机反射行为：

下面我们用一种简单的方法实现这种随机反射行为：

假设某条射线（即下图中绿色的射线）命中了我们场景中的球，命中点为p，则我们可以人为地定义一个跟p点相切的单位球，在球体内部随机找一个点s，则 p指向s的向量就是我们想要的反射向量。其中，N为P点上的单位法向量，可得单位球球心的坐标为p+N。

可以通过一种简单的算法来找到单位球体内部的随机点s：
**第一步：**在一个x,y,z的范围为-1到1的单位立方体里面，随机取一个点；
第一步，代码如下：

vec3 random_in_unit_sphere() {vec3 p;do {p = 2.0*vec3(random_double(), random_double(), random_double()) - vec3(1,1,1);} while (p.squared_length() >= 1.0);return p;
}

**第二步：**判断该点到立方体中心的距离是否<1，若是，则该点在单位球体内，算法结束。否则，重复第一步和第二步。
第二步，代码如下：

vec3 s_world = p + normal + random_in_unit_sphere();

二、反射递归光线追踪

接下来开始用递归实现反射射线的采样。漫反射材质本身不发光，我们发射的射线采样到其表面的颜色，本质上，就是射线命中其表面后，反射射线采样到的颜色，而反射射线可能会进一步命中其他物体，继续反射下去。

我们继续用两个漫反射材质的球体为例：

上图的蓝色射线，到达A点后开始反射，反射后到达B点继续反射，最后没有命中其他物体了，才会采样到远处某点的颜色，例如我们定义的天空的蓝色。

可以用递归来实现这种行为，假设每次反射会被吸收一半的光线能量，则每次的反射采样的返回值要减半，只需增加两行代码：

//发射一条射线，并采样该射线最终输出到屏幕的颜色值值
vec3 color(const ray &r, hittable *world)
{hit_record rec;if (world->hit(r, 0.001, MAXFLOAT, rec)) //射线命中物体{vec3 s_world = rec.p + rec.normal + random_in_unit_sphere(); //1.单位球内的一个点sreturn 0.5 * color(ray(rec.p, s_world - rec.p), world);   //2.递归采样}else{//采样天空的颜色vec3 unit_direction = unit_vector(r.direction());float t = 0.5 * (unit_direction.y() + 1.0);return (1.0 - t) * vec3(1.0, 1.0, 1.0) + t * vec3(0.5, 0.7, 1.0);}
}

如果光线一直反射，则上述递归会一直进行下去，直到射线没有命中物体，则采样天空的颜色并返回。

三、伽马校正

由于我们没有定义材质本身的颜色，也没有实现颜色的混合，所以目前看到的两个球体都呈现出暗蓝色，也就是射线在球体表面反射后，采样到的天空淡蓝色衰减后的颜色。

目前图像的颜色非常地暗，因为没有进行伽马校正，现在简单粗暴地对颜色值开方，实现类似伽马校正的效果。只需在入口函数中新增一行代码：

void RayTracing()
{...for (int j = ny - 1; j >= 0; j --){for (int i = 0; i < nx; i++){for(int s = 0; s < ns; s++)    //随机采样100次{...col += color(r, world);}col /= float(ns);  col = vec3( sqrt(col[0]), sqrt(col[1]), sqrt(col[2]) ); //伽马校正}}
}

伽马校正后效果如下：

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【光线追踪系列五】漫反射(Diffuse)

一、漫反射原理

二、反射递归光线追踪

三、伽马校正

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