GAMES101课程 作业6 源代码概览

GAMES101课程 作业6 源代码概览

Written by PiscesAlpaca（双鱼座羊驼）

一、概述

本篇将从main函数为出发点，按照各cpp文件中函数的调用顺序和层级嵌套关系，简单分析本次作业代码的含义。鉴于本人是初学者，部分分析恐有偏颇，欢迎读者批评指正。

二、源码分析

1 初始化

1.1 场景初始化

main.cpp

Scene scene(1280, 960);

Scene.cpp

class Scene
{
public:
    // setting up options
    int width = 1280;
    int height = 960;

    Scene(int w, int h) : width(w), height(h)
    {}
}

在main函数中，首先创建了一个场景，将场景的长和宽传入Scene类的构造函数中

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1.2 模型加载与三角片元生成

main.cpp

MeshTriangle bunny("models/bunny/bunny.obj");

紧接着，在main函数中调用了加载obj模型文件的语句，我们跟进去看看里边做了什么

Triangle.hpp

    MeshTriangle(const std::string& filename)
    {
        objl::Loader loader;
        loader.LoadFile(filename); //根据文件路径加载obj文件

        assert(loader.LoadedMeshes.size() == 1);
        auto mesh = loader.LoadedMeshes[0]; //获取mesh

        Vector3f min_vert = Vector3f{std::numeric_limits<float>::infinity(),
                                     std::numeric_limits<float>::infinity(),
                                     std::numeric_limits<float>::infinity()};
        Vector3f max_vert = Vector3f{-std::numeric_limits<float>::infinity(),
                                     -std::numeric_limits<float>::infinity(),
                                     -std::numeric_limits<float>::infinity()};
        //上述两个语句分别创建了bounding_box的6个面的记录，这些记录使用最小点和最大点表示

        for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) {
            std::array<Vector3f, 3> face_vertices; //记录一个片元的三个顶点
            for (int j = 0; j < 3; j++) {
                auto vert = Vector3f(mesh.Vertices[i + j].Position.X,
                                     mesh.Vertices[i + j].Position.Y,
                                     mesh.Vertices[i + j].Position.Z) *
                            60.f;
                //对于每一个定点，都将其后续两个定点进行遍历，形成一个片元的记录，并将其放大60倍
                face_vertices[j] = vert;

                min_vert = Vector3f(std::min(min_vert.x, vert.x),
                                    std::min(min_vert.y, vert.y),
                                    std::min(min_vert.z, vert.z));
                max_vert = Vector3f(std::max(max_vert.x, vert.x),
                                    std::max(max_vert.y, vert.y),
                                    std::max(max_vert.z, vert.z));
                //在遍历中每次更新最大点和最小点
            }

            auto new_mat =
                new Material(MaterialType::DIFFUSE_AND_GLOSSY,
                             Vector3f(0.5, 0.5, 0.5), Vector3f(0, 0, 0));
            new_mat->Kd = 0.6;
            new_mat->Ks = 0.0;
            new_mat->specularExponent = 0;
			//创建一个材质，其具体系数将在下方介绍
            triangles.emplace_back(face_vertices[0], face_vertices[1],
                                   face_vertices[2], new_mat);
            //每个片元的三个顶点及其材质添加入triangles向量中，emplace_back与push_back有异曲同工之妙
        }

        bounding_box = Bounds3(min_vert, max_vert);//用两个最大点和最小点表示六个面

        std::vector<Object*> ptrs;
        for (auto& tri : triangles)
            ptrs.push_back(&tri);
        //浅拷贝一份triangels的vector

        bvh = new BVHAccel(ptrs); //创建BVH加速实例
    }

解释：

1、对于43行：triangles是Triangle类的vector，当调用emplace_back方法时，其实是调用了Triangle类的构造方法。方法的调用，确定了三角形片元的三个顶点，两条边，材质以及法向量。

class Triangle : public Object
{
public:
    Vector3f v0, v1, v2; // 顶点 A, B ,C , 逆时针方向
    Vector3f e1, e2;     // 2个边 v1-v0, v2-v0;
    Vector3f t0, t1, t2; // texture coords 纹理坐标
    Vector3f normal;//法向量
    Material* m;//材质

    //构造方法
	Triangle(Vector3f _v0, Vector3f _v1, Vector3f _v2, Material* _m = nullptr)
        : v0(_v0), v1(_v1), v2(_v2), m(_m)
    {
        e1 = v1 - v0;
        e2 = v2 - v0;
        normal = normalize(crossProduct(e1, e2)); //确定法向量
    }
}

2、bounding_box是对每个object模型物体的包装盒，使用两个点表示六个面（绝妙的表示方法）。Bounds3 bounding_box;它定义在Triangle.hpp文件中

3、objl::Loader是外部引入的加载器，在这里暂不做解读，后期有时间补上。

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1.3 BVH加速类实例化与生成时间记录

BVH.hpp

    BVHAccel(std::vector<Object*> p, int maxPrimsInNode = 1, SplitMethod splitMethod = SplitMethod::NAIVE);

BVH.cpp

BVHAccel::BVHAccel(std::vector<Object*> p, int maxPrimsInNode,
                   SplitMethod splitMethod)
    : maxPrimsInNode(std::min(255, maxPrimsInNode)), splitMethod(splitMethod),
      primitives(std::move(p))
{
    time_t start, stop;
    time(&start);
    if (primitives.empty())
        return;

    root = recursiveBuild(primitives); //递归的构造BVH树

    time(&stop);
    double diff = difftime(stop, start);
    int hrs = (int)diff / 3600;
    int mins = ((int)diff / 60) - (hrs * 60);
    int secs = (int)diff - (hrs * 3600) - (mins * 60);

    printf(
        "\rBVH Generation complete: \nTime Taken: %i hrs, %i mins, %i secs\n\n",
        hrs, mins, secs);
}

上文中的最后一行代码创建了BVH加速实例，在这里，我们跟进这行代码，阅读一下构造函数的定义和实现。

1、在这里maxPrimsInNode表示最大片元，primitives 负责记录所有三角形片元的信息

2、在构造函数中，最为重要一句话是root = recursiveBuild(primitives);，我们将在下面详细解析，其余操作便是记录开始时间和结束时间，计算BVH加速总用时，并非代码核心，故不再展开。

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1.4 灯光的加载

main.cpp

scene.Add(std::make_unique<Light>(Vector3f(-20, 70, 20), 1));
scene.Add(std::make_unique<Light>(Vector3f(20, 70, 20), 1));

Light.hpp

class Light
{
public:
    Light(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : position(p), intensity(i) {}

    Vector3f position;
    Vector3f intensity;
};

在main函数中，我们可以看到灯光被添加到了场景中，Light的构造函数比较简单，仅仅是设置了位置和强度。

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1.5 递归化的BVH树生成

BVH.cpp

接下来，我们详细的了解一下recursiveBuild函数到底做了什么，这里我们将这个函数分割成几段，逐一解析。

step1:遍历片元包装盒，生成所有片元的最大包装盒

（不过6-9行语句看起来并没有什么作用，但解释部分可以帮助我们了解调用过程，帮助后续程序理解）

BVHBuildNode* BVHAccel::recursiveBuild(std::vector<Object*> objects)
{
    BVHBuildNode* node = new BVHBuildNode(); //创建一棵树的根节点

    // Compute bounds of all primitives in BVH node
    Bounds3 bounds;
    for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
        bounds = Union(bounds, objects[i]->getBounds());

解释：上述代码对每一个三角片元进行bounds的合并，通过调用Bounds3.hpp中Union(const Bounds3 &b1, const Bounds3 &b2)方法实现，以下是该函数的实现：

inline Bounds3 Union(const Bounds3 &b1, const Bounds3 &b2)
{
    Bounds3 ret;
    ret.pMin = Vector3f::Min(b1.pMin, b2.pMin);
    ret.pMax = Vector3f::Max(b1.pMax, b2.pMax);
    return ret;
}

这段代码的大意是，将传入的两个Bounds（姑且称为包围盒），将两个包围盒中最小的顶点和最大的顶点找出来，将他们作为新的包围盒边界，从而达成了边界合并的效果，生成新的包围盒。应用于三角形片元中，我们可以知道，这是对上述提到过的object中所有三角形片元进行包围盒的合并。（包围盒的六个面依然使用最大点和最小点表示，对应了老师上课讲的Axis-Aligned形式）

对于objects[i]->getBounds()这段代码，我们可以在Triangle.hpp中找到其对Object类继承后方法的重载：

inline Bounds3 Triangle::getBounds() { return Union(Bounds3(v0, v1), v2); }

它实际上先后调用了构造函数Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2)和重载方法Union(const Bounds3 &b, const Vector3f &p)，从而获取了每一个片元的包装盒。以下为源代码，我们可以在Bounds3.hpp中找到他们：

Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2)
{
    pMin = Vector3f(fmin(p1.x, p2.x), fmin(p1.y, p2.y), fmin(p1.z, p2.z));
    pMax = Vector3f(fmax(p1.x, p2.x), fmax(p1.y, p2.y), fmax(p1.z, p2.z));
}

inline Bounds3 Union(const Bounds3 &b, const Vector3f &p)
{
    Bounds3 ret;
    ret.pMin = Vector3f::Min(b.pMin, p);
    ret.pMax = Vector3f::Max(b.pMax, p);
    return ret;
}

step2:对于一个或两个片元的情况（叶子结点）

//如果仅有一个片元，则创建一个叶子结点
	if (objects.size() == 1) {
        // Create leaf _BVHBuildNode_
        node->bounds = objects[0]->getBounds();
        node->object = objects[0];
        node->left = nullptr;
        node->right = nullptr;
        return node;
    }
//如果有两个片元，则生成的节点分别记录指向的节点，且该节点实际记录的是两个子节点共同的大包装盒
    else if (objects.size() == 2) {
        node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]});
        node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]});

        node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);
        return node;
    }

step3：获得所有片元质心的最大包装盒并按照质心分布重新排序

else {
    //以质心作为主要点，生成所有三角片元质心的大包装盒
    Bounds3 centroidBounds;
    for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
        centroidBounds =
            Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid());

    int dim = centroidBounds.maxExtent();

解释：这里我们看到了一个新的函数Centroid()，让我们来看看它做了什么。事实上，在Bounds3.hpp中，这个函数利用最小点和最大点的性质得到了片元的质心，通过union函数的不断调用，最终得到了包裹物体所有片元质心的最小点和最大点，即所有质心的包装盒

Vector3f Centroid() { return 0.5 * pMin + 0.5 * pMax; }

在第8行我们又看到了一个新的函数maxExtent()，同样它位于Bounds3.hpp中，以下是代码：

Vector3f Diagonal() const { return pMax - pMin; }
int maxExtent() const
{
    Vector3f d = Diagonal();
    if (d.x > d.y && d.x > d.z) //x分量最大
        return 0;
    else if (d.y > d.z) //y分量最大
        return 1;
    else //z分量最大
        return 2;
}

在这里，我们可以知道maxExtent()调用了Diagonal()函数获得了最小点和最大点的对角向量，由最小点指向最大点，当对角向量x分量最大，则返回0；y分量最大，则返回1；z分量最大，则返回2。

返回BVH.cpp，我们可以看到，实际上是根据整个物体质心在分量上的布局，对所有片原进行排序，方便后续构建BVH树.

std::sort函数，按照给定的方法中比较的策略对整个数组进行排布（从小到大）

    switch (dim) {
    case 0:
        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
            return f1->getBounds().Centroid().x <
                   f2->getBounds().Centroid().x;
        });
        break;
    case 1:
        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
            return f1->getBounds().Centroid().y <
                   f2->getBounds().Centroid().y;
        });
        break;
    case 2:
        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
            return f1->getBounds().Centroid().z <
                   f2->getBounds().Centroid().z;
        });
        break;
    }

step4：划分初始的两个部分，递归的构建BVH树

    auto beginning = objects.begin(); //获取头指针
    auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2); //获取中间指针
    auto ending = objects.end(); //获取尾指针

    auto leftshapes = std::vector<Object*>(beginning, middling); //得到左侧区域
    auto rightshapes = std::vector<Object*>(middling, ending); //得到右侧区域

    assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size()));

    node->left = recursiveBuild(leftshapes); //根节点的左子节点
    node->right = recursiveBuild(rightshapes); //根节点的右子节点

    node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); //最大包装盒
}

return node;
}

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小结：可以看出，构建BVH树是以质心作为依据递归的划分区域的，非叶子结点仅仅存放bounds的范围，叶子结点会存放每个三角片元的bounds和片元指针，这与上课所讲的是一致的。至此初始化工作结束，接下来我们看到第二篇章，渲染。

2 渲染

2.1 屏幕坐标与世界坐标的转换——获取眼睛朝各个像素看的方向

Renderer.cpp

void Renderer::Render(const Scene& scene)
{
    std::vector<Vector3f> framebuffer(scene.width * scene.height);

    float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5));
    float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;
    Vector3f eye_pos(-1, 5, 10);
    int m = 0;
    for (uint32_t j = 0; j < scene.height; ++j) {
        for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) {
            // generate primary ray direction
            // 这里仅仅是通过将相机坐标转化为一个归一化的世界坐标，并假设相机在0,0,0点，从而求出眼睛看各个像素的方向向量，eye_pos才是世界坐标中眼睛真正的位置
            float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) * imageAspectRatio * scale;
            float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;
            // TODO: Find the x and y positions of the current pixel to get the
            // direction
            //  vector that passes through it.
            // Also, don't forget to multiply both of them with the variable
            // *scale*, and x (horizontal) variable with the *imageAspectRatio*

            // Don't forget to normalize this direction!
            Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // 实际上减去了相机0,0,0的坐标，归一化后是方向向量
            dir = normalize(dir);
            Ray r(eye_pos, dir); //此时传播时间未定，t实际上是0
            framebuffer[m++] = scene.castRay(r, 0);

        }
        UpdateProgress(j / (float)scene.height);
    }
    UpdateProgress(1.f);

解释：重要语句的基本含义已经在注释中体现，这里再进行一些小结。

1、上述代码利用双重循环对图片区域每个像素进行遍历，对每个像素取得其中点，并转换为归一化的世界坐标，从而获取眼睛所看到的方向（利用了向量的自由移动的性质）。

2、第13、14行，是栅格空间和世界坐标的转换过程，具体推导可参阅以下文章：

https://blog.csdn.net/dong89801033/article/details/114834898?ops_request_misc={"request_id"%3A"162216944616780357298394"%2C"scm"%3A"20140713.130102334.pc_all."}&request_id=162216944616780357298394&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allfirst_rank_v2~rank_v29-2-114834898.pc_search_result_cache&utm_term=games101%E4%BD%9C%E4%B8%9A5&spm=1018.2226.3001.4187

3、在23行，仅仅是假设相机与可视平面的距离为1，利用缩放的性质得到方向向量，进而进行归一化操作，实际的眼睛起点依然是第7行的坐标；而相机坐标为（0，0，0）因此各个像素在可视平面上的坐标即为眼睛看到的方向。

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2.2 真正的光线追踪过程

step1:在castRay函数中判断光的最大深度是否超出场景的最大深度

Scene.cpp

if (depth > this->maxDepth) { //光的最大深度超出场景的最大深度，则不会被渲染直接返回0，0，0 黑色
    return Vector3f(0.0,0.0,0.0);
}

step2:算出眼睛与物体最近的交点

这里调用了Intersection intersection = Scene::intersect(ray);一条语句，实际上这是光线追踪过程中嵌套调用最复杂的一个语句，让我们跟进它来看一看。

Scene.cpp

Intersection Scene::intersect(const Ray &ray) const
{
    return this->bvh->Intersect(ray);
}

BVH.cpp

Intersection BVHAccel::Intersect(const Ray& ray) const
{
    Intersection isect;
    if (!root) //如果bvh树根节点是空的
        return isect;
    isect = BVHAccel::getIntersection(root, ray);
    return isect;
}

BVH.cpp

Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const
{
    // TODO Traverse the BVH to find intersection
    Intersection inter;
    //lights direction
    float x = ray.direction.x;
    float y = ray.direction.y;
    float z = ray.direction.z;
    //define lights direction whether is negtive 判断光线是否反向
    std::array<int, 3> dirIsNeg = { int(x<0),int(y<0),int(z<0) };
    //if bounds crash the ray
    if (node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, dirIsNeg)) {
        // condition1: leaf node
        if(node->left == nullptr && node->right == nullptr) {
            inter = node->object->getIntersection((ray));
            return inter;
        } else {
            Intersection left = getIntersection(node->left, ray);
            Intersection right = getIntersection(node->right, ray);

            Intersection result;
            left.distance < right.distance ? result = left : result = right;
            return result;
        }
    }
    return inter;
}

解释：对于这一求交点的过程，程序先后调用了多个获取交点的函数，已经按照调用顺序在上方代码块给出。最为重要的是BVHAccel::getIntersection函数，它的主要思想是按照眼睛可视方向的x y z方向的分量和预先生成好的每个节点的bounds，以二叉树深度遍历的方式遍历BVH树，并在子节点判断是否与三角形片元相交，并返回交点的各个属性。

1、判断包装盒是否与眼睛可视方向相交

我们跟进第12行的函数，这是在作业中自行实现的方法，const Vector3f &invDir参数实际是光线向量矩阵的逆矩阵，在这里仅仅为了加快程序计算速度（注释里也说了乘法比除法快），可以理解x y z分量为方向，也可以理解为速度。

我们在这里获取每条光线各个分量与包装盒射入和射出时的时间，(pMin - ray.origin)为路程，invDir为速度分之一，则6个float为具体的时间。

当光线是从远离坐标原点方向射向坐标原点时，此时射入的时间会记录到max中，射出的时间会记录到min中，因此需要调换顺序。

在这之后就是对包装盒原理的运用，具体可参阅文章：

https://blog.csdn.net/weixin_44518102/article/details/122074548

inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray &ray, const Vector3f &invDir,
                                const std::array<int, 3> &dirIsNeg) const
{
    // invDir: ray direction(x,y,z), invDir=(1.0/x,1.0/y,1.0/z), use this because Multiply is faster that Division
    // dirIsNeg: ray direction(x,y,z), dirIsNeg=[int(x>0),int(y>0),int(z>0)], use this to simplify your logic
    // TODO test if ray bound intersects
    float x_min = (pMin.x - ray.origin.x) * invDir.x; //invDir可以理解为方向，可以理解为速度
    float x_max = (pMax.x - ray.origin.x) * invDir.x;
    float y_min = (pMin.y - ray.origin.y) * invDir.y;
    float y_max = (pMax.y - ray.origin.y) * invDir.y;
    float z_min = (pMin.z - ray.origin.z) * invDir.z;
    float z_max = (pMax.z - ray.origin.z) * invDir.z;

    if (dirIsNeg[0])
    {
        std::swap(x_min, x_max);
    }
    if (dirIsNeg[1])
    {
        std::swap(y_min, y_max);
    }
    if (dirIsNeg[2])
    {
        std::swap(z_min, z_max);
    }

    float max = std::min(x_max, std::min(y_max, z_max));
    float min = std::max(x_min, std::max(y_min, z_min));

    if(min < max && max >= 0) return true;
    return false;
}

2、对叶子节点的处理

BVH.cpp

if(node->left == nullptr && node->right == nullptr) {
    inter = node->object->getIntersection((ray));
    return inter;

如上述代码所示，这是对叶子结点的操作，我们跟进getIntersection()函数。注意：这是对三角形片元的求交操作，故调用的是Triangle类的方法。

Triangle.hpp

inline Intersection Triangle::getIntersection(Ray ray) //为了计算传播时间，计算重心坐标是否在三角形内
{
    Intersection inter;

    if (dotProduct(ray.direction, normal) > 0) //此时说明可视方向与片元朝向相同，眼睛看不到
        return inter;
    double u, v, t_tmp = 0;
    Vector3f pvec = crossProduct(ray.direction, e2);
    double det = dotProduct(e1, pvec);
    if (fabs(det) < EPSILON)
        return inter;

    double det_inv = 1. / det;
    Vector3f tvec = ray.origin - v0;
    u = dotProduct(tvec, pvec) * det_inv; //b1
    if (u < 0 || u > 1)
        return inter;
    Vector3f qvec = crossProduct(tvec, e1);
    v = dotProduct(ray.direction, qvec) * det_inv; //b2
    if (v < 0 || u + v > 1)
        return inter;
    t_tmp = dotProduct(e2, qvec) * det_inv;

    // TODO find ray triangle intersection
    if (t_tmp < 0)
        return inter;

    inter.distance = t_tmp; //点到眼睛的传播时间
    inter.happened = true;
    inter.m = m; //点的材质就是三角形的材质
    inter.obj = this; //点所在的物体就是该片元的物体
    inter.normal = normal; //点的法线是三角形片元的法线
    inter.coords = ray(t_tmp); //实际的交点坐标 origin+direction*t

    return inter;
}

事实上，这段函数就是对Möller-Trumbore 算法的运用，其最终求出了眼睛可视方向射线与三角形片元相交的时间，并且利用u v变量作为公式中的b1 b2参数判断了交点是否位于三角形内（运用重心坐标），主要注释已在上方给出。

对于Möller-Trumbore 算法的详细推导，可以参阅文章：

https://blog.csdn.net/zhanxi1992/article/details/109903792

3、对非叶子节点的处理

对非叶子节点的处理便是简单的递归的调用左右两个子节点，直到遇到叶子节点位置。每次从子节点返回，便比较两子节点的distance值（时间），取最小的值所属的点为最终眼睛所见的交点

step3:获取片元属性并判断是否相交

让我们在上述多级的嵌套中回过神，继续回到Scene::castRay函数中。此时我们已经获得了

Intersection intersection = Scene::intersect(ray); //算出眼睛与物体最近的交点

这一语句的返回结果，接下来的步骤是对返回结果交点实例的属性的获取，大致包括物体、法向量、交点坐标、传播时间等属性，已经详细的列举在下方代码块中：

    Material *m = intersection.m;
    Object *hitObject = intersection.obj; //三角形片元的物体
    Vector3f hitColor = this->backgroundColor;
//    float tnear = kInfinity;
    Vector2f uv;
    uint32_t index = 0;
    if(intersection.happened) { //说明交点有效，与物体相交了

        Vector3f hitPoint = intersection.coords; //实际的交点坐标
        Vector3f N = intersection.normal; // normal 法向量
        Vector2f st; // st coordinates
        hitObject->getSurfaceProperties(hitPoint, ray.direction, index, uv, N, st);

step4:材质类型的选择与光照模型的应用

我们可以在函数中看到这句话：

switch (m->getType())

这便是对我们刚刚得到的交点中属性材质的筛选语句，由于本次实验中采用的材质类型是DIFFUSE_AND_GLOSSY，因此在本品文章中仅对这部分材质的代码块进行解析。

关于材质的类型，它们被定义在Material.hpp中

Material.hpp

enum MaterialType { DIFFUSE_AND_GLOSSY, REFLECTION_AND_REFRACTION, REFLECTION };

以下为本次实验所运用的Phone光照模型的实现：

default: //DIFFUSE_AND_GLOSSY
{
    // [comment]
    // We use the Phong illumation model int the default case. The phong model
    // is composed of a diffuse and a specular reflection component.
    // [/comment]

    // 环境光Ambient 高光specular
    Vector3f lightAmt = 0, specularColor = 0;
    Vector3f shadowPointOrig = (dotProduct(ray.direction, N) < 0) ?
                               hitPoint + N * EPSILON :
                               hitPoint - N * EPSILON;
    //判断眼睛观看方向与法线的夹角，如果夹角在0-90度之间，则说明光线照射方向相同；否则光线照射相反
    // [comment]
    // Loop over all lights in the scene and sum their contribution up
    // We also apply the lambert cosine law
    // [/comment]
    for (uint32_t i = 0; i < get_lights().size(); ++i)
    {
        //区域光（无意义）
        auto area_ptr = dynamic_cast<AreaLight*>(this->get_lights()[i].get());
        if (area_ptr)
        {
            // Do nothing for this assignment
        }
        else
        {
            Vector3f lightDir = get_lights()[i]->position - hitPoint; //实际交点与光照发出点之间的向量，与光线照射方向是相反的
            // square of the distance between hitPoint and the light
            float lightDistance2 = dotProduct(lightDir, lightDir); //模的平方（无意义）
            lightDir = normalize(lightDir); //实际交点与光照发出点之间的向量归一化
            float LdotN = std::max(0.f, dotProduct(lightDir, N)); //只有照射在表面才有意义
            Object *shadowHitObject = nullptr;//（无意义）
            float tNearShadow = kInfinity;//（无意义）
            // is the point in shadow, and is the nearest occluding object closer to the object than the light itself?
            //判断阴影点沿着光的逆方向是否能与其他片元相交，如果能相交则此处必定是阴影，如果不能相交，此处不是阴影
            bool inShadow = bvh->Intersect(Ray(shadowPointOrig, lightDir)).happened;
            lightAmt += (1 - inShadow) * get_lights()[i]->intensity * LdotN;
            Vector3f reflectionDirection = reflect(-lightDir, N); //获取平面反射情况下的反射光
            specularColor += powf(std::max(0.f, -dotProduct(reflectionDirection, ray.direction)), m->specularExponent) * get_lights()[i]->intensity;
        }
    }
    hitColor = lightAmt * (hitObject->evalDiffuseColor(st) * m->Kd + specularColor * m->Ks);
    break;
}

解释：其主要步骤如下

1、判断眼睛观看方向与法线的夹角，如果夹角在0-90度之间，则说明光线照射方向相同，否则光线照射相反 。如果相同则说明照射的是三角片元的背面，阴影点理应向与法线相反方向移动一定距离；如果光线照射相反，则说明照射的是三角片元的正面，阴影点理应向与法线相同方向移动一定距离。（代码8-13行）

2、生成了一个与光照方向相反的向量，用它来判断光是否照射到了表面。由于是相反的，则当大于0时，实际的光照其实是能够照射到表面的。（代码28-32行）

3、对于眼睛所看到的每一个像素，遍历场景中生成的所有光线，为照射到的交点生成环境光lightAmt和高光specular。

[important]其中稍微难以理解的是37行的代码，其实际上使用了和 判断眼睛能够看见的最近的交点 这一过程所使用到的相同的一系列函数。只不过这里由于shadowPointOrig是与光照方向相反的向量，我们可以理解为从交点射出一条光线，判断其在传播过程中是否会与物体中其他片元相交，只要能够相交，便能使这一交点实例中happened变量变为true，那么就说明当前的点会被其他交点遮挡，此时为它生成阴影即可。

反过来想，如果从光线传播方向正向判断，实际上是较为困难的事情，这一点的处理是很巧妙地。不过我认为直接调用bvh->Intersect方法未免影响效率，毕竟最终得到的还是最近距离的点，这需要再次遍历整个二叉树，不如改为只要遇到交点就返回，可以提高一定的效率。

对于环境光lightAmt和高光specular的计算便是38、40和43行的代码，其运用了Phone模型的公式，但该程序解法（evalDiffuseColor(st)）函数与公式有所不同，这里不再仔细研究，可参阅：

https://blog.csdn.net/qjh5606/article/details/89761955

4、上述函数包含一些无意义的变量，不知是否是课程组无意放置的。

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至此，castRay函数所有执行和调用便结束了，我们得以返回到Renderer::Render最初的地方。

小结：上述过程主要是先判断包装盒是否与眼睛可视方向相交，并进一步判断是否与片元相交，最终返回这一交点，并按照Phone模型生成最终光照的颜色，返回并存入framebuffer当中。

3 生成

    // save framebuffer to file
    FILE* fp = fopen("binary.ppm", "wb");
    (void)fprintf(fp, "P6\n%d %d\n255\n", scene.width, scene.height);
    for (auto i = 0; i < scene.height * scene.width; ++i) {
        static unsigned char color[3];
        color[0] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x));
        color[1] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y));
        color[2] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z));
        fwrite(color, 1, 3, fp); //此函数将从指定流中写入n个大小为size的对象
    }
    fclose(fp);

最终的帧缓存输出过程如上述代码所示，这一过程使用了ppm文件格式，第3行实际上是ppm文件的文件头，以P6开始，声明图像长宽，并设置最大像素；6-8行控制了RGB三种颜色的数值，确保它们在0-255之间。

若想了解ppm文件结构，可以参阅：

https://blog.csdn.net/kinghzkingkkk/article/details/70226214

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三、结语

至此，源代码整体调用过程解读到此结束了。

非常荣幸能够参与GAMES101课程，这使得我对图形学中的光栅化和光线追踪有了细致的了解。

本篇文章的撰写略显仓促，源码阅读花费的时间也较少，也许在整体的理解和细节的把握上有失偏颇，欢迎广大网友批评指正。

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