本項目參考自教程《Ray Tracing in One Weekend》，在跑通了所有例子之後，加上了自己的理解寫成筆記，項目使用CPU多線程提速，並增加了GUI進度顯示。
項目鏈接：https://github.com/maijiaquan/ray-tracing-with-imgui
目錄：
《用兩天學習光線追蹤》1.項目介紹和ppm圖片輸出
《用兩天學習光線追蹤》2.射線、簡單相機和背景輸出
《用兩天學習光線追蹤》3.球體和表面法向量
《用兩天學習光線追蹤》4.封裝成類
《用兩天學習光線追蹤》5.抗鋸齒
《用兩天學習光線追蹤》6.漫反射材質
《用兩天學習光線追蹤》7.反射向量和金屬材質
《用兩天學習光線追蹤》8.折射向量和電介質
《用兩天學習光線追蹤》9.可放置相機
《用兩天學習光線追蹤》10.散焦模糊
《用一週學習光線追蹤》1.動態模糊
《用一週學習光線追蹤》2.BVH樹、AABB相交檢測
《用一週學習光線追蹤》3.純色紋理和棋盤紋理
《用一週學習光線追蹤》4.柏林噪聲
《用一週學習光線追蹤》5.球面紋理貼圖
《用一週學習光線追蹤》6.光照和軸對齊矩形
《用一週學習光線追蹤》7.長方體和平移旋轉
本節內容
1.新增相機的參數，實現一個帶光圈可散焦模糊的相機。
2.場景中隨機生成更多的不同材質球體。
本節代碼：main10.cpp、main11.cpp
散焦模糊
我們之前定義的相機，本質上是一個針孔相機。如下圖所示，真正的針孔相機成像是倒立的，但根據三角形相似，在代碼中可以將屏幕挪到相機的位置的前方，從而避免倒立的情況，並更直觀地去定義射線的起點和方向，回憶上一節camera類的代碼：camear類裏面有一個origin，表示相機的位置（對應下圖“我們相機的位置”），然後從相機的位置出發，對着屏幕（對應下圖“我們的屏幕”）上的每一個像素髮射射線進行採樣。
下面介紹一下帶鏡頭的相機和針孔相機的區別：
針孔相機中（假設孔徑足夠小），則從樹的頂點P到屏幕，只能通過一束光來成像這個點。帶鏡頭的相機中，光線不是透過一個點（或者說“孔”）傳入到成像屏幕的，而是透過具有一定半徑的透鏡傳入的，半徑的長度對應光圈的大小。這就導致成像的光線不僅只有一束，而是多束。
下圖中，相機位置依然跟上圖一樣。紅色光線反映了針孔相機中，將樹的頂點P和最低點Q，傳入相機屏幕的情況。藍色光線就是鏡頭相機的成像情況，對於頂點P，其傳入到成像屏幕的範圍，從之前的一條光線，擴大到L1到L2兩條光線之間的部分，儘管採樣的光線變多了，但並不影響這一棵樹的清晰成像，因爲目前這棵樹到相機的距離，剛好是新的屏幕到相機的距離，即焦距。
接下來，請大家發揮想象力去理解兩個場景：
1.將這顆樹往相機的方向移動，原本能採樣到樹頂的像素顏色，變成了多條光線採樣值的混合色，也即是樹頂部下面一片區域的顏色，從而導致這個像素變模糊，越往前移動，越模糊，因爲L1和L2的區間會擴大更多。
2.將這棵樹高度稍微拉高一點，並將其往後面移動，延長光線L1和L2至樹的縱切平面，則會採樣天空和樹頭頂的顏色的混合色，同樣實現模糊。越往後，L1和L2的區間將會擴大，從而越模糊。
因此，只要物體到相機的距離不等於焦距，就會出現模糊，光圈越大，採樣射線的跨度越大，模糊效果越明顯，從而實現景深這一裝逼效果。程序中，爲了簡化操作，可以將原來相機的位置，從一個點，變換到鏡頭所在圓盤內的某個點。因爲會多重採樣抗鋸齒（參考：第五節：抗鋸齒），所以會從圓盤內的多個點出發，發射射線並採樣求平均，以模擬上述鏡頭相機的原理。圓盤內點的位置，實際上爲相機原位置，加上光圈半徑範圍內的偏移量。
生成單位圓內的點的函數：
inline vec3 random_in_unit_disk() {
vec3 p;
do {
p = 2.0*vec3(random_double(),random_double(),0) - vec3(1,1,0);
} while (dot(p,p) >= 1.0);
return p;
}
更新相機類：
class camera
{
public:
vec3 origin;
vec3 lower_left_corner;
vec3 horizontal;
vec3 vertical;
vec3 u, v, w;
float lens_radius;
//lookfrom爲相機位置，lookat爲觀察位置，vup傳(0,1,0)，vfov爲視野角度，aspect爲屏幕寬高比
//aperture爲光圈大小，focus_dist爲相機到觀察點的距離
camera(vec3 lookfrom, vec3 lookat, vec3 vup, float vfov, float aspect, float aperture, float focus_dist)
{
lens_radius = aperture / 2;
float theta = vfov * M_PI / 180;
float half_height = tan(theta / 2);
float half_width = aspect * half_height;
origin = lookfrom;
w = unit_vector(lookfrom - lookat);
u = unit_vector(cross(vup, w));
v = cross(w, u);
lower_left_corner = origin - half_width * focus_dist * u - half_height * focus_dist * v - focus_dist * w;
horizontal = 2 * half_width * focus_dist * u;
vertical = 2 * half_height * focus_dist * v;
}
ray get_ray(float s, float t)
{
vec3 rd = lens_radius * random_in_unit_disk();
vec3 offset = u * rd.x() + v * rd.y();
return ray(origin + offset, lower_left_corner + s * horizontal + t * vertical - origin - offset);
}
};
下面是光圈從0.0遞增到3.0的效果：
增加更多球體
增加隨機場景函數，並修改相機參數：
vec3 lookfrom(13, 2, 3);
vec3 lookat(0, 0, 0);
float dist_to_focus = 10.0;
float aperture = 0.1;
hittable *random_scene() {
int n = 500;
hittable **list = new hittable*[n+1];
list[0] = new sphere(vec3(0,-1000,0), 1000, new lambertian(vec3(0.5, 0.5, 0.5)));
int i = 1;
for (int a = -11; a < 11; a++) {
for (int b = -11; b < 11; b++) {
float choose_mat = random_double();
vec3 center(a+0.9*random_double(),0.2,b+0.9*random_double());
if ((center-vec3(4,0.2,0)).length() > 0.9) {
if (choose_mat < 0.8) { // diffuse
list[i++] = new sphere(center, 0.2,
new lambertian(vec3(random_double()*random_double(),
random_double()*random_double(),
random_double()*random_double())
)
);
}
else if (choose_mat < 0.95) { // metal
list[i++] = new sphere(center, 0.2,
new metal(vec3(0.5*(1 + random_double()),
0.5*(1 + random_double()),
0.5*(1 + random_double())),
0.5*random_double()));
}
else { // glass
list[i++] = new sphere(center, 0.2, new dielectric(1.5));
}
}
}
}
list[i++] = new sphere(vec3(0, 1, 0), 1.0, new dielectric(1.5));
list[i++] = new sphere(vec3(-4, 1, 0), 1.0, new lambertian(vec3(0.4, 0.2, 0.1)));
list[i++] = new sphere(vec3(4, 1, 0), 1.0, new metal(vec3(0.7, 0.6, 0.5), 0.0));
return new hittable_list(list,i);
}
效果如下：
終於大結局了，如有錯誤歡迎指正，有看不懂的地方歡迎留言。