光线追踪器实现

我们收到了很多读者的电子邮件，询问：“好吧，如果这很容易做到，你不能给我们提供一个真实的例子吗？”

这与计划不同（因为我们的想法是逐步编写渲染器），但我们编写了一个简约的光线追踪器，在大约几个小时内编写了大约 30000 行。 尽管我们不一定为这种性能感到自豪，但我们想表明，当人们很好地了解这些技术时，实施它们并不困难。 源代码可供下载。 我们没有也不会花时间评论这个计划。 写得比较快，所以还有改进的空间。

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1、基础版光线追踪器实现

在此版本的光线追踪器中，我们使光线可见（球体），因此其反射会出现在反射球中。 有时很难看到玻璃球何时透明（白色），因此在我们的示例中，我们将它们稍微着色（红色）。 在现实世界中，透明玻璃不一定可见。 这取决于环境。 请注意，生成的图像需要更准确。 透明红色球体下方的阴影不应完全不透明。 在以后的课程中，我们将学习如何快速纠正这种视觉不准确。 我们还实现了其他功能，例如假菲涅耳（使用一种称为面比的技术）和折射。 所有这些内容都将在稍后进行研究，因此，如果你需要帮助清楚地理解它们，请随意。 至少你现在有一个小程序可以玩了。

要编译程序，请将源代码下载到你的硬盘上。 你将需要一个 C++ 编译器（例如 clang++）。 这个程序不需要任何特殊的东西来编译。 使用终端（例如，Windows 版的 GitBash 或 Linux 或 macOS 下的终端）并在文件所在位置键入以下命令（如果你使用 gcc）：

c++ -O3 -o raytracer raytracer.cpp

如果你使用 clang，请改用以下命令：

clang++ -O3 -o raytracer raytracer.cpp

要创建图像，请在 shell 中键入 ./raytracer 来运行程序。 等几秒钟。 当程序返回时，你的磁盘上应该有一个名为 untitled.ppm 的文件。 可以使用 Photoshop、Preview（在 Mac 上）或 Gimp（专门讨论读取和显示 PPM 图像的课程）打开此文件：

图 1：我们的光线追踪算法的结果

以下是经典递归光线追踪算法的一种可能的伪代码实现：

#define MAX_RAY_DEPTH 3 
 
color Trace(const Ray &ray, int depth) 
{ 
    Object *object = NULL; 
    float minDist = INFINITY; 
    Point pHit; 
    Normal nHit; 
    for (int k = 0; k < objects.size(); ++k) { 
        if (Intersect(objects[k], ray, &pHit, &nHit)) { 
            // ray origin = eye position of the prim ray
            float distance = Distance(ray.origin, pHit); 
            if (distance < minDistance) { 
                object = objects[i]; 
                minDistance = distance; 
            } 
        } 
    } 
    if (object == NULL) 
        return 0; 
    // if the object material is glass, split the ray into a reflection
    // and a refraction ray.
    if (object->isGlass && depth < MAX_RAY_DEPTH) { 
        // compute the reflection
        Ray reflectionRay; 
        reflectionRay = computeReflectionRay(ray.direction, nHit); 
        // recurse
        color reflectionColor = Trace(reflectionRay, depth + 1); 
        Ray refractioRay; 
        refractionRay = computeRefractionRay( 
            object->indexOfRefraction, 
            ray.direction, 
            nHit); 
        // recurse
        color refractionColor = Trace(refractionRay, depth + 1); 
        float Kr, Kt; 
        fresnel( 
            object->indexOfRefraction, 
            nHit, 
            ray.direction, 
            &Kr, 
            &Kt); 
        return reflectionColor * Kr + refractionColor * (1-Kr); 
    } 
    // object is a diffuse opaque object        
    // compute illumination
    Ray shadowRay; 
    shadowRay.direction = lightPosition - pHit; 
    bool isShadow = false; 
    for (int k = 0; k < objects.size(); ++k) { 
        if (Intersect(objects[k], shadowRay)) { 
            // hit point is in shadow so return
            return 0; 
        } 
    } 
    // point is illuminated
    return object->color * light.brightness; 
} 
 
// for each pixel of the image
for (int j = 0; j < imageHeight; ++j) { 
    for (int i = 0; i < imageWidth; ++i) { 
        // compute primary ray direction
        Ray primRay; 
        computePrimRay(i, j, &primRay); 
        pixels[i][j] = Trace(primRay, 0); 
    } 
}

2、最小版光线追踪器

图 2：Paul Heckbert 光线追踪算法的结果

许多年前，研究员保罗·赫克伯特（Paul Heckbert）编写了一种可以“适合名片”的光线追踪器。 这个想法是用 C/C++ 编写一个最小的光线追踪器，小到他可以将其打印在名片背面（有关此想法的更多信息可以在他在 Graphics Gems IV 中撰写的文章中找到）。 从那时起，许多程序员都尝试过这种编码练习。 你可以在下面找到安德鲁·肯斯勒 (Andrew Kensler) 编写的版本。 图2是他的程序的结果。 注意景深效果（远处的物体变得模糊）。 用如此少的代码行创建一个相当复杂的图像真是太棒了：

// minray > minray.ppm
#include 
#include 
#include 
typedef int i;typedef float f;struct v{f x,y,z;v operator+(v r){return v(x+r.x,y+r.y,z+r.z);}v operator*(f r){return v(x*r,y*r,z*r);}f operator%(v r){return x*r.x+y*r.y+z*r.z;}v(){}v operator^(v r){return v(y*r.z-z*r.y,z*r.x-x*r.z,x*r.y-y*r.x);}v(f a,f b,f c){x=a;y=b;z=c;}v operator!(){return*this*(1/sqrt(*this%*this));}};i G[]={247570,280596,280600,249748,18578,18577,231184,16,16};f R(){return(f)rand()/RAND_MAX;}i T(v o,v d,f&t,v&n){t=1e9;i m=0;f p=-o.z/d.z;if(.010){f s=-b-sqrt(q);if(s.01)t=s,n=!(p+d*t),m=2;}}return m;}v S(v o,v d){f t;v n;i m=T(o,d,t,n);if(!m)return v(.7,.6,1)*pow(1-d.z,4);v h=o+d*t,l=!(v(9+R(),9+R(),16)+h*-1),r=d+n*(n%d*-2);f b=l%n;if(b<0||T(h,l,t,n))b=0;f p=pow(l%r*(b>0),99);if(m&1){h=h*.2;return((i)(ceil(h.x)+ceil(h.y))&1?v(3,1,1):v(3,3,3))*(b*.2+.1);}return v(p,p,p)+S(h,r)*.5;}i main(){printf("P6 512 512 255 ");v g=!v(-6,-16,0),a=!(v(0,0,1)^g)*.002,b=!(g^a)*.002,c=(a+b)*-256+g;for(i y=512;y--;)for(i x=512;x--;){v p(13,13,13);for(i r=64;r--;){v t=a*(R()-.5)*99+b*(R()-.5)*99;p=S(v(17,16,8)+t,!(t*-1+(a*(R()+x)+b*(y+R())+c)*16))*3.5+p;}printf("%c%c%c",(i)p.x,(i)p.y,(i)p.z);}}

要运行该程序，请将代码复制/粘贴到文本文件中（重命名该文件，例如 minray.cpp 或您喜欢的任何名称），然后编译代码：

c++ -O3 -o minray minray.cpp 

或者，如果你更喜欢 clang 编译器：

clang++ -O3 - o minray minray.cpp

然后使用命令行运行：

minray > minray.ppm

不是将最终的图像数据写入磁盘（这会使代码更长），而是将数据直接写到标准输出（运行程序的 shell），我们可以将其重定向到 一份文件（使用符号 >）。 PPM 文件可以使用 Photoshop 读取。

这里展示这个程序只是为了表明光线追踪算法可以用很少的代码行来实现。 本节的以下课程中解释了代码中使用的许多技术。

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原文 链接：光线追踪器实现 - BimAnt