光线跟踪之 物体表示方式

    2016-04-30

渲染场景中的物体主要有两种表示方式：

1. 类似于数学中几何的表达方式。如一条直线由一点和通过该点的向量组成。我们想表现一个球体，可以使用 
2. 我们也可以使用3d max，maya，blender这类建模工具制作一个球体，输出一个数据文件，导入程序。常用格式：obj，ply。一般而言，3d max 类似的工具导出的物体都是三角形或者四边形网格。当然，还有其他的表现方式，就需要你自己手动实现渲染算法了。

            

  此篇中，我们尝试展示常见的物体：平面，三角形，长方体，球体，长方体，不规则立体。我们的示例程序只进行一次光线追踪，亦即视线与物体相交一次后不再反射。

  我们还是把光源放在 坐标原点 正上方，Point light = { 0, 5, 0 }， 这样方便计算。

平面 ：

  实际上，这种物体只能在示例程序中出现，因为真实世界中是不存在无穷平面的，所以，根本无需模拟。我们需要指定平面的法向，我们需要判断眼睛、光源是否在同一侧，否则，就什么都看不到了。

长方形、三角形：

  我们需要知道长方形、三角形的正反面，这样的话才知道该如何正确的渲染指定一面，因为两面的颜色可能不同。 

// 仔细选择p， v1, v2 需保证rectangle 法向对外
typedef struct {
    Point p;  //
    Vector v1;
    Vector v2;
} Rectangle;  

球体： 

typedef struct {
    Point center;
    double radius;
} Sphere;

  把球体圆心放在坐标系原点上方y=3， 半径为1， 那么，应该在下方会形成一个原型的阴影区域。问题是会看到一个完整的球体吗？不会的，球体的下半部分没有收到光照，应该看不到的， 球体与光源形成的阴影应该是黑色的，应该没有光线照射过去。

长方体：

  长方体由六个四边形组成， 

// 只需要指定底部的长宽，剩下的类似y轴，只指定长度即可，
// 底部面序号1，逆时针， 顶部为3，  前面5， 后面 6，  
typedef struct {
    Point p;   
    Vector wVector;   // widht  = x 
    Vector hVector;   // z
    double yLenth;      // y

    Rectangle rects[6];
} Cuboid;

不规则立体：

  随着不规则的程度的增加，我们很难使用数学的表达方式来计算了。一般而言，渲染器处理的都是mesh 数据，物体的mesh都是三角形构成的。以三角形为最小基础单元做渲染。再精细的模型，都可以用三角形表示出来，只是面片的个数会很大。例如简单的长方体只需要12个triangle来表示，一个人物的精细模型可能会有数十万个triangle。这样的话，模拟真实物体和场景这种需求下，我们只需处理triangle即可，简单吧。

 

如果场景中有多个物体，那么该如何计算呢？

     foreach (ray in rays)

          obj = firstHitObj(objs)

          color = intersect(ray, obj) 

  这就有一个问题，obj 是有多种类型的，对应的算法不一样，intersect 函数该如何接受参数呢？ 如果是C++语言，我们可以重载该函数，每个重载函数中书写不同的逻辑就可以了，如果使用C 语言来写，那么只能在obj 内部标识其类型，然后再分别使用其对应的函数来计算。  

 

  把这些常见物体的相交测试方法都实现一遍，其实也并没有什么难度。而且，这部分内容也并不是渲染程序的重难点，所占比不大，窗口系统、各种透视方式等都不重要，渲染器的重点是如何建立更加真实的光照模型、如何解决从连续的三维世界到离散的二维世界（像素屏幕）带来的锯齿、反射折射效果。

  

  本文对应实例代码在https://github.com/cloudqiu1110/tinyrt.git的 objects 分支上。

     

ref：

1. https://www.douban.com/note/142379570/
2.      

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