【Ray Trace from Groud Up】光线追踪代码实现解析

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总体结构框架:

本节采用的光线追踪算法是Whitted 发明的。 trace the reflected rays as they bounce between reflective objects in the scene. 具体分为下面5个步骤:

1.添加max_depth 标示最大碰撞次数；

2.ray tracer 记录光线碰撞次数

3. 实现一个新的追踪类whitted，该类中 trace_ray 使用记录

4.使用 PerfectSpecular BRDF

5 implement 至少一个 reflective material constructs the reflected rays and ray traces them

vp.set_hres(600);
vp.set_vres(600);
vp.set_samples(num_samples);
vp.set_max_depth(2);    tracer_ptr = new Whitted(this);
background_color = black;MultiJittered* sampler_ptr = new MultiJittered(num_samples);

返回黑色当深度值大于 max_depth 并且把它存储在 ShadeRec 对象中。这个函数循环调用。

RGBColor
Whitted::trace_ray(const Ray ray, const int depth) const { if (depth > world_ptr->vp.max_depth) return(black); else { ShadeRec sr(world_ptr->hit_objects(ray));    if (sr.hit_an_object) { sr.depth = depth; sr.ray = ray;    return (sr.material_ptr->shade(sr));   } else return (world_ptr->background_color); }
}

定义一个A Reflective Material 材质，继承Phong 模型，这样可以使用 ambient，diffuse and specular direct illumination。

该函数中也是循环调用了 trace_ray , 因为Whitted::trace_ray中也是循环调用的

RGBColor
Reflective::shade(ShadeRec& sr) {    RGBColor L(Phong::shade(sr));  // direct illumination Vector3D wo = -sr.ray.d; Vector3D wi;    RGBColor fr = reflective_brdf->sample_f(sr, wo, wi); Ray reflected_ray(sr.hit_point, wi); reflected_ray.depth = sr.depth + 1; L += fr * sr.w.tracer_ptr->trace_ray(reflected_ray, sr.depth + 1) * (sr.normal * wi); return (L);
}

Ply Files:

PLY 文件是Greg Turk 在90年代中期首创用于存储多边形meshes 。这种文件格式可以是ASCII 或者二进制,本例子中使用的PLY 文件用于存储三角形坐标(x,y,z)和有索引信息的三角形面片。如下，3 0 1 2 的3 表示有3 个顶点，0,1,2 表示顶点索引

Computing the Normals使用顶点周围的三角形，按相邻三角形信息可以优化算法for each vertex{normal = zero normalfor each triangle that shares the vertexadd the triangle normal to normalnormalize the normal}add the normal to the mesh

multi-Jittered Sampling

为什么需要使用采样呢？

1. avoid aliasing when samping pixels

2. Cameras with a finite-area lens are used to show depth of field, the lens must be samples

3.to represent area lights and soft shadows more accurately, we must sample the light suiraces

4.Global illumination and glossy reflection requires sampling of BRDFs ans BTDFs

本质上说，该技术结合了 jittering 和 n-rooks 采样技术

16 * 16 的grid，分为 4 * 4的 grid，用随机方法初始化每个 4*4 的 grid jittered 分配，也是 n-rooks 分配方法

Pinhole

Camera Arrangements

每个相机都有自己的 look-at 点，所以视线方向是平行的(with toe-in, the left and right cameras have a common look-at point )。view planes 都是一致的

两个窗口也是一致的，这点要求摄像机使用非对称的 view frustums 视体锥

这样，左右摄像机的window需要做偏移，如下

pinhole_ptr->set_eye(-6, 5, 11);
pinhole_ptr->set_lookat(0 , 0, 0);
pinhole_ptr->set_view_distance(5200);
pinhole_ptr->compute_uvw();
set_camera(pinhole_ptr);

The purpose of each shading function is to compute the exitant radiance at the hit point in the w0 direction

we specify a matte materail with an ambient reflection coefficient ka, a diffuse reflection coefficient kd, and

a diffuse color cd.

The Matte:: shade function in listing computes the ambient illumination and then loops over the lights to compute

the direct diffuse illumination. the ambient BRDF calls rho and the diffuse BRDF callls f. 先计算漫反射，然后计算

diffuse specular reflection.

RGBColor
Matte::shade(ShadeRec& sr) {Vector3D    wo          = -sr.ray.d;RGBColor   L           = ambient_brdf->rho(sr, wo) * sr.w.ambient_ptr->L(sr);int        num_lights  = sr.w.lights.size();for (int j = 0; j < num_lights; j++) {Vector3D wi = sr.w.lights[j]->get_direction(sr);float ndotwi = sr.normal * wi;if (ndotwi > 0.0) {bool in_shadow = false;if (sr.w.lights[j]->casts_shadows()) {Ray shadowRay(sr.hit_point, wi);in_shadow = sr.w.lights[j]->in_shadow(shadowRay, sr);}if (!in_shadow)L += diffuse_brdf->f(sr, wo, wi) * sr.w.lights[j]->L(sr) * ndotwi;}}return (L);
}

Perfect Diffuse DRBF: where incident radiance is scattered equally in all directions.The function f returns the BRDF itself, unless it contains a delta function.

The function sample_f is use to compute the direction of reflected rays for simulating reflective materials and diffuse-diffuse light transport.

The function rho returns the bihemispherical reflectance phh. in plain English, it means that the incoming radiance is the same from all directions and doesn’t vary with position.

in Lambertian, phh = kd * cd.

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