Whitted Style Ray Tracing

• 从 main 函数开始，定义场景的参数，添加物体（球体或三角形）到场景中，并设置其材质，然后将光源添加到场景中
• 调用 Render 函数。在遍历所有像素的循环里，生成对应的光线并将返回的颜色保存在 帧缓冲区 中。在渲染过程结束后，帧缓冲区中的信息将被保存为图像
• 在生成像素对应的光线后，调用 CastRay 函数，该函数调用 trace 来查询光线与场景中最近的对象的交点

从摄像机位置向屏幕像素点发射光线

Render 函数需要为每一个像素生成一条对应的光线，然后调用函数 castRay 来得到颜色，最后将颜色存储在帧缓冲区的相应像素中。 就是为屏幕上的每一个点生成一条由 视点 到屏幕上的点的方向向量，将屏幕上的点与近平面上的点一一对应即可：计算出像素点在近平面坐标系上的位置 ；将 分别乘以近平面在 和方向上的实际长度

如图，对于屏幕上的一个点 ，如果屏幕长、宽分别占、 个像素，可以计算出它在近平面坐标系上的坐标为：

代码遍历是从 0 开始，需要加上 0.5 使其移动到像素中心，再进行坐标变换

由透视变换中的公式可得

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

    float scale = std::tan(deg2rad(scene.fov * 0.5f));
    float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;

    // Use this variable as the eye position to start your rays.
    Vector3f eye_pos(0);
    int m = 0;
    for (int j = 0; j < scene.height; ++j)
    {
        for (int i = 0; i < scene.width; ++i)
        {
            // generate primary ray direction
            float x;
            float y;
            // 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*            
        x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) * imageAspectRatio * scale;
            y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * scale;
            Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1) - eye_pos; // Don't forget to normalize this direction!
            dir = normalize(dir);
            framebuffer[m++] = castRay(eye_pos, dir, scene, 0);
        }
        //UpdateProgress(j / (float)scene.height);
    }

    // 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] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x));
        color[1] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y));
    color[2] = (char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z));
    //std::cout << '(' << color[0] << "," << color[1] << "," << color[2] << ")" << std::endl;
        fwrite(color, 1, 3, fp);
    }
    fclose(fp);    
}

是否与三角形相交

v0，v1，v2 是三角形的三个 顶点，orig是光线的起点，dir是光线单位化的方向向量，根据 Moller-Trumbore 算法来求解

其中

、、是重心坐标

bool rayTriangleIntersect(const Vector3f& v0, const Vector3f& v1, const Vector3f& v2, const Vector3f& orig,
                          const Vector3f& dir, float& tnear, float& u, float& v)
{
    // TODO: Implement this function that tests whether the triangle
    // that's specified bt v0, v1 and v2 intersects with the ray (whose
    // origin is *orig* and direction is *dir*)
    // Also don't forget to update tnear, u and v.
    auto e1 = v1 - v0;
    auto e2 = v2 - v0;
    auto s = orig - v0;
    auto s1 = crossProduct(dir, e2);
    auto s2 = crossProduct(s, e1);
    auto coeff = 1 / dotProduct(s1, e1);
    auto t = coeff * dotProduct(s2, e2);
    auto b1 = coeff * dotProduct(s1, s);
    auto b2 = coeff * dotProduct(s2, dir);
    if (t >= 0 && b1 >= 0 && b2 >= 0 && (1 - b1 - b2) >= 0)
    {
        tnear = t;
        u = b1;
        v = b2;
        return true;
    }
    return false;
}

最终结果