光線追蹤技術的理論和實踐(面向對象)
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{
return GVector3(m_Ka[0]*_material_Ka[0],
m_Ka[1]*_material_Ka[1],
m_Ka[2]*_material_Ka[2]);
}
漫反射的計算稍微比環境光復雜，漫反射的計算公式為
diffuse = Id•Kd• (N•L)
其中，Id是光源的漫反射成分，Kd是物體的漫反射系數，N是法線，L是入射光向量。
GVector3 CDirectionalLight::EvalDiffuse(const GVector3 _N, const GVector3 _L, constGVector3 _material_Kd)
{
GVector3 IdKd = GVector3( m_Kd[0]*_material_Kd[0],
m_Kd[1]*_material_Kd[1],
m_Kd[2]*_material_Kd[2]);
double NdotL = MAX(_N*_L, 0.0);
return IdKd*NdotL;
}
鏡面反射的計算又比環境光要復雜，鏡面反射的計算公式為
specular = Is•Ks• (V·R)n
其中
R = 2(L•N) •N-L
Is是光源鏡面反射成分，Ks是物體的鏡面反射系數，V是相機方向向量，R是反射向量，n就反射強度Shininess。為了提高計算效率，也可以利用HalfVector H來計算鏡面反射。
specular = Is•Ks• (N•H)n
其中
H=(L+V)/2
計算H要比計算反射向量R要快得多。
GVector3 CDirectionalLight::EvalSpecluar(const GVector3 _N, const GVector3 _L, constGVector3 _V,
const GVector3 _material_Ks,const double _shininess)
{
GVector3 IsKs = GVector3( m_Ks[0]*_material_Ks[0],
m_Ks[1]*_material_Ks[1],
m_Ks[2]*_material_Ks[2]);
GVector3 H = (_L+_V).Normalize();
double NdotL = MAX(_N*_L, 0.0);
double NdotH = pow(MAX(_N*H, 0.0), _shininess);
if(NdotL=0.0)
NdotH = 0.0;
return IsKs*NdotH;
}
分別計算出射線和物體交點處的環境光，漫反射和鏡面反射后，那么該射線對應像素的顏色c為
C = ambient + diffuse + specular
于是，我們可以在代碼中添加一個方法叫Tracer()，該方法就是遍歷場景中的每個物體，判斷射線和物體的交點，然后計算交點的顏色。
GVector3 Tracer(CRay R)
{
GVector3 color;
for(/*遍歷每一個物體*/)
{
if(/*如果有交點*/)
{
GVector3 p = R.getPoint(dist);
GVector3 N = m_pObj[k]->getNormal(p);
N.Normalize();
for(/*遍歷每一個光源*/)
{
GVector3 ambient = m_pLight[m]->EvalAmbient(m_pObj[k]->getKa());
GVector3 L = m_pLight[m]->getPosition()-p;
L.Normalize();
GVector3 diffuse = m_pLight[m]->EvalDiffuse(N, L, m_pObj[k]->getKd());
GVector3 V = m_CameraPosition - p;
V.Normalize();
GVector3 specular = m_pLight[m]->EvalSpecluar(N, L, V, m_pObj[k]->getKs(), m_pObj[k]->getShininess());
color = ambient + diffuse + specular;
}
}
}
}
如果要渲染可以反射周圍環境的物體，就需要稍微修改上面的Tracer()方法，因為反射是一個遞歸的過程，一但一條射線被物體反射，那么同樣的Tracer()方法就要被執行一次來計算被反射光線和其他物體是否還有交點。于是，在Tracer()方法中再傳入一個代表遞歸迭代深度的參數depth，它表示射線與物體相交后反射的次數，如果為1，說明射線與物體相交后不反射，為2表示射線反射一次，以此類推。
Tracer(CRay R, int depth)
{
GVector3 color;
// 計算C = ambient + diffuse + specular
if(TotalTraceDepth == depth)
return color;
else
{
//計算射線和物體交點處的反射射線 Reflect;
GVector3 c = Tracer(Reflect, ++depth);
color += GVector3(color[0]*c[0],color[1]*c[1],color[2]*c[2]);
return color;
}
}
創建一個場景，然后執行代碼，可以看到下面的效果。
如果設置Tracer的遞歸深度大于2的話，就可以看到兩個球相互反射的情況。雖然這個光線追蹤可以正常的執行，但是畫面看起來總覺得缺少點什么。仔細觀察你會發現畫面雖然有光源，但是物體沒有陰影，陰影可以增加場景的真實性。要計算陰影，我們應該從光源的出發，從光源出發的射線和物體如果有交點，而且這條射線與多個物體相交，那么除第一個交點外的后面所有交點都處于陰影中，這點很容易理解。于是，我們需要修改部分代碼。
GVector3 Tracer(CRay R, int depth)
{
GVector3 color;
double shade = 1.0
for(/*遍歷每一個物體*/)
{
for(/*遍歷每一個光源*/)
{
GVector3 L = pObj[k]->getCenter() - Intersection;
double dist = norm(L);
L *= (1.0f / dist);
CRay r = CRay( Intersection,L );
for ( /*遍歷每一個物體*/ )
{
CGObject* pr = pObj[s];
if (pr->isIntersected(r, dist)!=MISS)
{
shade = 0;
break;
}
}
}
}
if(shade>0)
{
// 計算C = ambient + diffuse + specular
// 遞歸計算反射
}
return color*shade;
}
增加了陰影計算后，再運行程序，就能看到下面的效果。
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