GAMES101-Assignment5

发布时间:2024年01月10日

一、问题总览

在这次作业中,要实现两个部分:光线的生成和光线与三角的相交。本次代码框架的工作流程为:

  1. 从main 函数开始。我们定义场景的参数,添加物体(球体或三角形)到场景中,并设置其材质,然后将光源添加到场景中。
  2. 调用Render(scene) 函数。在遍历所有像素的循环里,生成对应的光线并将返回的颜色保存在帧缓冲区(framebuffer)中。在渲染过程结束后,帧缓冲区中的信息将被保存为图像。
  3. 在生成像素对应的光线后,我们调用CastRay函数,该函数调用trace来
    查询光线与场景中最近的对象的交点。
  4. 然后,我们在此交点执行着色。我们设置了三种不同的着色情况,并且已经为你提供了代码。

需要修改的函数是:

  • 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。

二、代码框架

  • global.hpp:包含了整个框架中会使用的基本函数和变量。
  • Vector.hpp: 由于我们不再使用Eigen 库,因此我们在此处提供了常见的向量操作,例如:dotProduct,crossProduct,normalize。
  • Object.hpp: 渲染物体的父类。Triangle 和Sphere 类都是从该类继承的。
  • Scene.hpp: 定义要渲染的场景。包括设置参数,物体以及灯光。
  • Renderer.hpp: 渲染器类,它实现了所有光线追踪的操作。

三、参考答案

3.1 Renderer.cpp中的Render()

  • Render()生成从人眼射向像素的射线

  • 需要将栅格空间坐标(i, j) -> 世界坐标(x, y)

    • 具体而言:Raster space -> NDC space -> Screen space -> World space
  • 可以参考这篇文章
    Ray-Tracing: Generating Camera Rays (Generating Camera Rays)

  • 具体步骤如下

    1. Raster space -> NDC space
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

      • Pixelx是像素的矩形顶点(比如左上角)是个整数用来代表像素
      • 加0.5是为了取得像素的中心点
    2. NDC space -> Screen space
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

      • 公式如下
        在这里插入图片描述

      • 调整y轴的朝向
        在这里插入图片描述

    3. Screen space -> World space

      • 对于宽高比不是1的屏幕,会导致像素方格变形,所以x需要乘上宽高比,使每一个像素的x与y相同
        在这里插入图片描述

      在这里插入图片描述

      • 根据视距改变看到的场景的大小
        在这里插入图片描述
        • tan(fov/2) = 原本图像屏幕高度 : 距离
          • 其中观察点到屏幕距离为1,所以tan(fov/2) = 原本的图像高度
        • 现在的图像高度(y:[-1, 1]) 为1,所以要乘以tan(fov/2)恢复到原始图像尺寸;尺寸发生变化,图像上的点位置自然随之变化
          在这里插入图片描述
  • 参考代码

    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 = (2.0f*(float(i)+0.5f)/scene.width-1.0f)*imageAspectRatio*scale;
            y = (1.0f-2.0f*(float(j)+0.5f)/scene.height)*scale;

            Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // Don't forget to normalize this direction!
            framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0);
        }
        UpdateProgress(j / (float)scene.height);
    }

3.2 Triangle.hpp中的rayTriangleIntersect()

  • 使用Moller-Trumbore算法,判断光线与物体是否有交点,并且更新tnear, u 和 v( 对应下图中的t, b1, b2)
    在这里插入图片描述

    • 假如tnear, u , v和(1 - u - v)均大于等于0,则说明光线和面有交点

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.
    Vector3f E1 = v1 - v0;
    Vector3f E2 = v2 - v0;
    Vector3f S = orig - v0;
    Vector3f S1 = crossProduct(dir, E2);
    Vector3f S2 = crossProduct(S, E1);
    float k = 1.0f/dotProduct(S1, E1);
    tnear = k * dotProduct(S2,E2);
    u = k * dotProduct(S1,S);
    v = k * dotProduct(S2,dir);
    if(tnear >= 0.0f && 1-u-v>=0.0f && u>=0.0f && v>=0.0f)    
        return true;
    return false;
}

四、编译

mkdir build
cd build
cmake ..
make

./RayTracing

附件

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文章来源:https://blog.csdn.net/qq_39876147/article/details/135499423
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