《用两天学习光线追踪》4.封装成类

本项目参考自教程《Ray Tracing in One Weekend》，在跑通了所有例子之后，加上了自己的理解写成笔记，项目使用CPU多线程提速，并增加了GUI进度显示。
项目链接：https://github.com/maijiaquan/ray-tracing-with-imgui

目录：
《用两天学习光线追踪》1.项目介绍和ppm图片输出
《用两天学习光线追踪》2.射线、简单相机和背景输出
《用两天学习光线追踪》3.球体和表面法向量
《用两天学习光线追踪》4.封装成类
《用两天学习光线追踪》5.抗锯齿
《用两天学习光线追踪》6.漫反射材质
《用两天学习光线追踪》7.反射向量和金属材质
《用两天学习光线追踪》8.折射向量和电介质
《用两天学习光线追踪》9.可放置相机
《用两天学习光线追踪》10.散焦模糊

《用一周学习光线追踪》1.动态模糊
《用一周学习光线追踪》2.BVH树、AABB相交检测
《用一周学习光线追踪》3.纯色纹理和棋盘纹理
《用一周学习光线追踪》4.柏林噪声
《用一周学习光线追踪》5.球面纹理贴图
《用一周学习光线追踪》6.光照和轴对齐矩形
《用一周学习光线追踪》7.长方体和平移旋转

本节目标

场景中，如果有很多个球体怎么办呢？如果光线命中特殊材质后发射了反射怎么办？解决方案如下：
1.将球体封装成类。
2.一条射线的路径上可能会命中好几个球，因此要选出射线能命中的最近的球。
3.用数组存储这些球。
4.如果发射了反射等行为，则要记录上一条射线的命中信息，例如命中终点、命中点的法向量等。

上述需求实现后，我们会利用封装好的类，在数组中增加一个大球，放在上一节的小球下面，效果如下：

本节代码：main4.cpp

命中信息记录

我们可以用以下结构体来记录命中信息：

struct hit_record
{float t;     //命中射线的长度vec3 p;      //命中终点坐标vec3 normal; //命中点的法向量
};

如果想选出射线所命中的最近的球，可以循环遍历所有能命中的球，然后每一趟更新t值，最终能得到最小的t值。

定义物体的虚基类

物体的虚基类hittable只定义了一个虚函数hit()，该函数用于记录射线的命中信息，并返回是否击中。
t_min和t_max区间用于限定射线的长度，用于排除我们不想被命中的较远处的物体。

class hittable
{
public:virtual bool hit(const ray &r, float t_min, float t_max, hit_record &rec) const = 0;
};

实现球类

球类sphere继承了物体hittable，并实现了hit()函数，作用是记录射线在t_min和t_max区间内的命中信息

class sphere : public hittable
{
public:vec3 center;float radius;sphere() {}sphere(vec3 cen, float r) : center(cen), radius(r){};//如果命中了，命中记录保存到recvirtual bool hit(const ray &r, float t_min, float t_max, hit_record &rec) const{vec3 oc = r.origin() - center;float a = dot(r.direction(), r.direction());float b = dot(oc, r.direction());float c = dot(oc, oc) - radius * radius;float discriminant = b * b - a * c;if (discriminant > 0){float temp = (-b - sqrt(discriminant)) / a; //小根if (temp < t_max && temp > t_min){rec.t = temp;rec.p = r.point_at_parameter(rec.t);rec.normal = (rec.p - center) / radius;return true;}temp = (-b + sqrt(discriminant)) / a; //大根if (temp < t_max && temp > t_min){rec.t = temp;rec.p = r.point_at_parameter(rec.t);rec.normal = (rec.p - center) / radius;return true;}}return false;}
};

实现物体列表类

物体列表类hittable_list同样继承自hittable，成员函数有一个物体虚基类数组的指针。实现了hit()函数，作用是遍历数组中的所有物体，记录目前当前射线命中的最近的球，然后返回是否命中。

class hittable_list : public hittable
{
public:hittable **list;int list_size;hittable_list() {}hittable_list(hittable **l, int n){list = l;list_size = n;}//如果命中了，命中记录保存到recvirtual bool hit(const ray &r, float t_min, float t_max, hit_record &rec) const{hit_record temp_rec;bool hit_anything = false;double closest_so_far = t_max; //记录目前最近的t值for (int i = 0; i < list_size; i++){if (list[i]->hit(r, t_min, closest_so_far, temp_rec)){hit_anything = true;closest_so_far = temp_rec.t;rec = temp_rec; //只记录打到的最近的球}}return hit_anything;}
};

更新入口函数

下面注释为//new的地方为新增代码。
我们声明了一个名为world的变量，类型为hittable_list，用于存放的场景中的所有球类。
更新了之后，物体数组中除了上一节的小球，还添加一个半径为100的大球体，放在小球体的下面，且恰好跟小球相切，以突出球体顶部附近法向量坐标对应的颜色。

hittable *list[2];	//new
hittable *world;	//newvec3 lower_left_corner(-2.0, -1.0, -1.0); //左下角
vec3 horizontal(4.0, 0.0, 0.0);
vec3 vertical(0.0, 2.0, 0.0);
vec3 origin(0.0, 0.0, 0.0); // 相机原点void RayTracing()
{list[0] = new sphere(vec3(0, 0, -1), 0.5);	//newlist[1] = new sphere(vec3(0, -100.5, -1), 100);	//newworld = new hittable_list(list, 2);	//newfor (int j = ny - 1; j >= 0; j --){for (int i = 0; i < nx; i++){float u = float(i) / float(nx);float v = float(j) / float(ny);vec3 dir = lower_left_corner + u * horizontal + v * vertical - origin;ray r(origin, dir);vec3 col = color(r, world);	//new...}}
}

更新color()函数

更新之后，参数多了个world，也就是刚刚入口函数定义的一个hittable_list变量。对一条射线执行world->hit()，从而将该射线命中的最近的物体信息，记录到rec中，进行相应的处理，目前的处理仍然为上一节的法向量可视化。

//发射一条射线，并采样该射线最终输出到屏幕的颜色值
vec3 color(const ray &r, hittable *world)
{hit_record rec;if (world->hit(r, 0.001, MAXFLOAT, rec)) //射线命中物体{return 0.5 * vec3(rec.normal.x() + 1, rec.normal.y() + 1, rec.normal.z() + 1); //可视化RGB通道}else{vec3 unit_direction = unit_vector(r.direction());float t = 0.5 * (unit_direction.y() + 1.0);return (1.0 - t) * vec3(1.0, 1.0, 1.0) + t * vec3(0.5, 0.7, 1.0);}
}

最终效果如下：

参考资料：《Ray Tracing in One Weekend》