【Ray Tracing The Next Week 超详解】 光线追踪2-6 Cornell box

Chapter 6：Rectangles and Lights

今天，我们来学习长方形区域光照

 先看效果

light

首先我们需要设计一个发光的材质

/// light.hpp

// -----------------------------------------------------
// [author]        lv
// [begin ]        2019.1
// [brief ]        the areaLight-class for the ray-tracing project
//                from the 《ray tracing the next week》
// -----------------------------------------------------

#pragma once

namespace rt
{

//the statement of areaLight class

class areaLight :public material
    {
public:
    areaLight() {  }

    areaLight(texture* mat) :_emit(mat) {  }

    virtual bool scatter(const ray& InRay, const hitInfo& info, rtvec& attenuation, ray& scattered)const { return false; }

    virtual rtvec emitted(rtvar u, rtvar v, const rtvec& p)const { return _emit->value(u, v, p); }

private:
    texture* _emit;
    };

} // rt namespace

关于设计方面，我们需要把发光函数设为可继承虚函数，基类也要添加，但是不是所有的材质都需要发光，所以，基类中的发光函数并不需要设置为纯虚

/// material.hpp

// -----------------------------------------------------
// [author]        lv
// [begin ]        2018.12
// [brief ]        the material-class for the ray-tracing project
//                from the 《ray tracing in one week》
// -----------------------------------------------------

#pragma once

namespace rt
{

// the statement of material class

class material
    {
public:

    /*
    @brief: produce a scattered ray
    @param: InRay -> Incident light
            info -> the information of intersect-point(hit-point)
            attenuation -> when scattered, how much the ray should be attenuated by tis reflectance R
            scattered -> as we talk, it is a new sight; or
                         it is the scattered ray with the intersect-point
    @retur: the function calculate a scattered ray or not
    */
    virtual bool scatter(const ray& InRay, const hitInfo& info, rtvec& attenuation, ray& scattered)const = ;

    /*
    @brief: 自发光
    @param: 纹理所需信息
    @retur: 纹理像素值
    */
    virtual rtvec emitted(rtvar u, rtvar v, const rtvec& p)const { return rtvec(); }

    };

}

这样的话，一般的材质继承之后，发光为黑色即不发光，较为合理

我们既然添加了光照，那么计算插值函数时候也要将它加进去

到此，我们的发光材质就设置妥当了

rectangle

我们定义的长方形均为平行于轴的

（引用书上一张图）

假设长方形位于 z = k 平面，x和y边界如上，交点为P(x,y,k)

我们如何确定光线参数t？

已知：

光线：p(t) = eye + t * direction

则，z方向的方程为：z(t) = eye.z + t * direction.z

那么，若满足z = k，则

t = (k - eye.z) / direction.z

同理可得x和y的等式

如果，得到的x坐标或者y坐标不在边界之内，那么就没有相交，反之则光线和长方形相交

上面的代码都比较简单，那个 hit 呢，就是，根据已知的一个分量求出t，然后，把这个解带入求出对应的其他两个分量，如果其他两个分量不在边界内，那么返回false

反之，我们求取该点的纹理坐标，以及其他碰撞点信息记录之

获取包围盒嘛，理论上面无厚薄，线无粗细，但是实际中面有厚薄，我们可以将厚度设置为0.0002，以此模拟理论厚度

同理写出其他两个平面类即可。

这个没什么问题，我们就往下进行

我们来做Cornell box

相机参数设置：

得到的图如下：

有几个面是黑色的？？也就是根本没画出来

我们细细看一下，发现，长方形的法向量是关键

比如画出来的红墙，对面与之平行的面的法线是朝左边的，展现在我们视线中的是背面

所以，我们有时候需要反转一下法向量

/// flip_normal.hpp

// -----------------------------------------------------
// [author]        lv
// [begin ]        2019.1
// [brief ]        the flip_normal-class for the ray-tracing project
//                from the 《ray tracing the next week》
// -----------------------------------------------------

#pragma once

namespace rt
{

class flip_normal: public intersect
    {
public:
    flip_normal(intersect * p) :_p(p) {  }

    virtual bool hit(const ray& sight, rtvar t_min, rtvar t_max, hitInfo& info)const override
        {
        if (_p->hit(sight, t_min, t_max, info))
            {
            info._n = -info._n;
            return true;
            }
        return false;
        }

    virtual aabb getbox()const override
        {
        return _p->getbox();
        }

private:
    intersect* _p;
    };

} // rt namespace 

这样就可以了，我们改一下场景

如下：

此外，我们还需要注意的是，light对应的纹理中的数值越大光强越强

我们可以试一下

    material * light = new areaLight(new constant_texture(rtvec(, , )));

如下：

可以看出来两张图对比之下，第二张亮多了

但是我们依旧看着很不舒服，好多黑点点，太难受了

我想啊想，为什么这么多黑点？？可能是因为背景是黑色的，毕竟是漫反射，如果随机反射失败那就是黑色，所以随机反射点可能产生好多黑色小点，你千万别想着换成镜面材质，那个更无语

所以啊，我想了下，把背景改为白色，那样更好，毕竟色彩中掺杂一点白色，无伤大雅

如是，我改了下，效果可观

此法只适用于Cornell box本身，具体场景下的画面优化请见下一篇

感谢您的阅读，生活愉快~