0199-漫反射和伽马校正

环境

• Time 2022-11-16
• WSL-Ubuntu 22.04
• Rust 1.65.0

前言

说明

参考：https://raytracing.github.io/books/RayTracingInOneWeekend.html

目标

对物体上的光线进行漫反射，然后增加伽马校正。

颜色显示函数

pub fn format_str(&self, samples: f64) -> String {
    let ir = (256.0 * (self.x / samples).sqrt().clamp(0.0, 0.999)) as u64;
    let ig = (256.0 * (self.y / samples).sqrt().clamp(0.0, 0.999)) as u64;
    let ib = (256.0 * (self.z / samples).sqrt().clamp(0.0, 0.999)) as u64;

    format!("{ir} {ig} {ib}\n")
}

支持加等操作

// 向量的加法
impl AddAssign for Vector3 {
    fn add_assign(&mut self, rhs: Self) {
        *self = self.add(rhs)
    }
}

在单位小球里的点

pub fn random_in_unit() -> Self {
    loop {
        let mut rand = rand::thread_rng();

        let vector3 = Vector3 {
            x: rand.gen_range(-1.0..1.0),
            y: rand.gen_range(-1.0..1.0),
            z: rand.gen_range(-1.0..1.0),
        };

        if vector3.length() < 1.0 {
            return vector3;
        }
    }
}

main.rs

use camera::Camera;
use hittable::{Hit, World};
use rand::Rng;
use ray::Ray;
use sphere::Sphere;
use vector3::{Color, Point3, Vector3};

mod camera;
mod hittable;
mod ray;
mod sphere;
mod vector3;

fn main() {
    // 图片的比例，和宽高
    const WIDTH: u64 = 400;
    const HEIGHT: u64 = (WIDTH as f64 / camera::RATIO) as u64;
    const SAMPLES_PER_PIXEL: u64 = 100;
    const MAX_DEPTH: u64 = 5;

    // 相机
    let camera = Camera::new();

    // 输出图片，第一行输出 P3，表示像素图
    let mut content = String::from("P3");
    // 输出宽和高，和最大颜色值
    content.push_str(&format!("\n{WIDTH} {HEIGHT}\n255\n"));

    let world: World = vec![
        Box::new(Sphere::new(Point3::new(0.0, 0.0, -1.0), 0.5)),
        Box::new(Sphere::new(Point3::new(0.0, -100.5, -1.0), 100.0)),
    ];

    let mut rng = rand::thread_rng();
    for j in (0..HEIGHT).rev() {
        // 进度
        eprintln!("Scan lines remaining: {j}");
        for i in 0..WIDTH {
            let mut color = Color::default();
            for _ in 0..SAMPLES_PER_PIXEL {
                let random_u: f64 = rng.gen();
                let random_v: f64 = rng.gen();

                let u = ((i as f64) + random_u) / ((WIDTH - 1) as f64);
                let v = ((j as f64) + random_v) / ((HEIGHT - 1) as f64);

                color += ray_color(&camera.get_ray(u, v), &world, MAX_DEPTH);
            }
            content.push_str(&color.format_str(SAMPLES_PER_PIXEL as f64));
        }
    }
    println!("{}", content);
    eprintln!("Done.");
}

// 光线的颜色计算
fn ray_color(ray: &Ray, hittable: &dyn Hit, depth: u64) -> Color {
    // 超过最大深度，直接变成黑色
    if depth == 0 {
        return Color::new(0.0, 0.0, 0.0);
    }

    if let Some(record) = hittable.hit(ray, 0.0, f64::INFINITY) {
        let target = record.point + record.normal + Vector3::random_in_unit();
        let ray = Ray::new(record.point, target - record.point);
        return 0.5 * ray_color(&ray, hittable, depth - 1);
    }

    // 射线的单位向量
    let unit = ray.direction().unit();
    // 因为需要得到上下渐变的背景图，所以需要对 y 进行插值。
    let t = 0.5 * (unit.y + 1.0);
    // 线性插值，根据不同的光线得到在下面这个范围里的不同的颜色，并且是渐变色。
    (1.0 - t) * Color::new(1.0, 1.0, 1.0) + t * Color::new(0.5, 0.7, 1.0)
}

效果

总结

给图片增加漫反射的功能。

附录