games101作业5

news2025/11/4 13:43:42

作业要求

• Renderer.cpp 中的 Render()：这里你需要为每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。
• Triangle.hpp 中的 rayTriangleIntersect(): 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。tnear, u, v 是你需
要使用我们课上推导的 Moller-Trumbore 算法来更新的参数。

具体实现

Render()函数
这个函数的要求就是建立一条从相机到屏幕像素的一条光线，实现之前建议看下这篇文章，讲的很清晰，明白基本的原理实现起来就轻松许多。建立射线。
大致过程就是需要进行空间的变换，Raster space —> NDC space ----> Screen space —> Wordl space的变化。
- Raster space光珊化空间，对应的坐标x = i + 0.5，y = j + 0.5
- NDC space：光栅化空间中的坐标分别除以屏幕的宽度和高度就得到了对应NDC空间的坐标，对应坐标x = (i + 0.5)/width，y = (j + 0.5)/height
- Screen space：NDC空间得到的坐标经过如下变化就得到了屏幕空间的坐标
- Wordl space
  屏幕空间下的公式是在宽高比为 1 并且物体本身也是分布在[-1,1]才适用。
  - 宽高比不为1的话就让 x 乘上宽高比(imageAspectRatio)，y保持不变，此操作使 y 像素坐标（在屏幕空间中）保持不变，它仍在 [-1，1] 范围内，但 x 像素坐标现在在 [-imageAspectRatio， imageAspectRatio] 范围内。这样就能恢复成原始的比例。
  - 物体本身不是在[-1,1]分布的话相当于进行了缩放，先来看物体分布在[-1,1]上的情况，如下图所示相机到屏幕空间的距离为1，而代码已给出的 Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1) ，可以知道原本的图像屏幕距离X-Y平面为1，所以是否缩放取决于α角的大小。最后让x，y都乘上tan(α/2) 就可以得到世界空间下的坐标。
    
    综上代码如下所示：

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;

            //转换成NDC空间
            float PixelX = (i + 0.5)/scene.width;
            float PixelY = (j + 0.5)/scene.height;
            //转换成屏幕空间
            x = (2 * PixelX - 1) * imageAspectRatio * scale;
            y = (1 - 2 * PixelY) * 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*            

            Vector3f dir = normalize(Vector3f(x, y, -1)); // Don't forget to normalize this direction!
            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));
        fwrite(color, 1, 3, fp);
    }
    fclose(fp);    
}

rayTriangleIntersect()函数，这个是要根据上课时的公式来写就行

代码如下：

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.
    Vector3f E1 = v1 - v0;
    Vector3f E2 = v2 - v0;
    Vector3f S = orig - v0;
    Vector3f S1,S2;
    S1 = crossProduct(dir,E2);
    S2 = crossProduct(S,E1);
    float num = dotProduct(S1,E1);

    tnear = dotProduct(S2,E2) / num;
    u = dotProduct(S1,S) / num;
    v = dotProduct(S2,dir) / num;

    if(tnear > 0 && u >= 0 && v >= 0 && (1-u-v) >= 0)   //重心坐标非负表示在三角形内
    return true;
    else
    return false;
}