【Ray Tracing in One Weekend 超详解】 光线追踪1-9 景深

今天我们来学最后一章

Chapter11：Defocus Blur

Preface

散焦模糊 也称 景深

首先，我们来了解一下散焦模糊，我们在真实相机中散焦模糊的原因是因为它们需要一个大圈（而不仅仅是一个针孔）来聚光。这会使所有东西都散焦，但是如果用小孔的话，那么通过前后调整相机镜头，就会使得一切景色都会聚焦到相机镜头中，也就是会汇聚到那个孔内。物体聚焦的那个平面的距离由镜头和胶片/传感器之间的距离控制。这就是为什么当你改变焦点时可以看到镜头相对于相机移动的原因。

光圈是一个可以有效控制镜头大小的孔。对于真正的相机，如果你需要更多光线，你可以使光圈更大，同时也会获得更多的散焦模糊。对于我们的虚拟相机，我们也需要一个光圈

真正的相机具有复杂的复合镜头。对于我们的代码，我们可以模拟顺序：传感器，然后是镜头，然后是光圈，并找出发送光线的位置并在计算后翻转图像（图像在胶片上倒置投影）。人们通常使用薄透镜模拟近似。

引用书上一张图（相机聚焦成像）

我们不需要这么复杂，我们通常从镜头表面开始射线，并将它们发送到虚拟胶片平面，方法是找到胶片在焦点平面上的投影（在距离focus_dist处）。

正文

前面说了一大堆，看着比较复杂，其实并没有那么难

前言说了三件事情：

第一点，生活中的相机成像分为两个部分，inside和outside，涉及3个物：film（胶片）、lens（镜片）、focusPlane（焦点平面），而我们只需要outside部分

其次第二点，我们的眼睛（或者相机）不再是一个点而是眼睛所在的周围圆盘上的随机点，因为实际的相机是有摄像镜头的，摄像镜头是一个大光圈（很大一个镜片），并不是针孔类的东东，所以，我们要模拟镜头，就要随机采针孔周围的光圈点。

可能有人不明白这里，可以回去看看1-3

看一下这张图

这是之前我们讲的光线追踪的成像过程，从eye开始发射视线，这个扫描屏幕中的每个点，如果中间被物体遮挡，那么计算，计算之后的像素值为屏幕上该点的像素值，如果没有遮挡，那么屏幕上那个点的像素值就是背景对应的值

我们这里只不过是把eye变为周围单位圈内的随机点，仅此模拟实际相机镜头

第三点，这个应该是上一章节提到的问题:

上一章节我们说了，为了方便，上一章节假定成像平面位于z = -1(或者是-w平面,按w基向量算)

所以 tan(theta/2) = (h/2) / dis ,其中dis为1

而这一章，我们使dis真正变成了一个变量，即：焦距（镜片到成像平面之间的距离）

(图片来自百度百科：)

随之，我们的成像平面也就到了z = -focus，或者是-focus * w平面(按w基向量算)

所以，构造函数，我们就需要加两个参数，改两行行即可

还有就是单位圆盘取随机点函数

const rtvec random_unit_disk()            //find a random point in unit_disk
    {
        rtvec p;
        do
        {
            p = 2.0*rtvec(rtrand01(), rtrand01(), 0) - rtvec(, , );
        } while (dot(p, p) >= 1.0);
        return p;
    }

下面是所有的camera类

/// camera.h

// -----------------------------------------------------
// [author]        lv
// [begin ]        2019.1
// [brief ]        the camera-class for the ray-tracing project
//                from the 《ray tracing in one week》
// -----------------------------------------------------

#ifndef CAMERA_H
#define CAMERA_H

#include "ray.h"

namespace rt
{

class camera
    {
public:
    camera(rtvec lookfrom, rtvec lookat, rtvec vup, rtvar vfov, rtvar aspect, rtvar aperture, rtvar focus)
        :_eye(lookfrom)
        ,_lens_radius(aperture/)
    {
        rtvar theta = vfov * π / ;
        rtvar half_height = tan(theta / ) * focus;        //tan(theta/2) = (height/2) / 焦距
        rtvar half_width = aspect * half_height;
        _w = (lookfrom - lookat).ret_unitization();
        _u = cross(vup, _w).ret_unitization();
        _v = cross(_w, _u);

        //向量运算
        _start = _eye - half_width * _u - half_height * _v - focus * _w;//高和宽都乘了焦距，w也要乘，不然公式是错的
        _horizontal =  * half_width * _u;
        _vertical =  * half_height * _v;
    }

    inline const ray get_ray(const rtvar u,const rtvar v)const
        {
            rtvec rd = _lens_radius * random_unit_disk();
            rtvec offset = _u * rd.x() + _v * rd.y();
            return ray{ _eye + offset, _start + u*_horizontal + v*_vertical - (_eye + offset) };
        }

    inline const ray get_ray(const lvgm::vec2<rtvar>& para)const
        {    return get_ray(para.u(), para.v());    }

    inline const rtvec& eye()const { return _eye; }

    inline const rtvec& start()const { return _start; }

    inline const rtvec& horizontal()const { return _horizontal; }

    inline const rtvec& vertical()const { return _vertical; }

    inline const rtvec& u()const { return _u; }

    inline const rtvec& v()const { return _v; }

    inline const rtvec& w()const { return _w; }

    inline const rtvar lens_r()const { return _lens_radius; }

private:
    rtvec _u;

    rtvec _v;

    rtvec _w;

    rtvec _eye;

    rtvec _start;        //left-bottom

    rtvec _horizontal;

    rtvec _vertical;

    rtvar _lens_radius;  //the radius of lens

    };

}

#endif

camera.h

所以，我们用上一章的球体设置，把相机改一下，渲染一把

渲染效果就是开篇那张图

晚安