14 相機(jī)

發(fā)布時(shí)間：2023-06-13 19:08:39

目標(biāo)完善相機(jī)類，支持視野（fov），位置，朝向和散焦模糊。第八版渲染器結(jié)構(gòu)如下：光源：無。場景：地面，一個(gè)漫反射材質(zhì)的球，一個(gè)金屬球，一個(gè)中空玻

目標(biāo)

完善相機(jī)類，支持視野（fov），位置，朝向和散焦模糊。第八版渲染器結(jié)構(gòu)如下：

光源：無。
場景：地面，一個(gè)漫反射材質(zhì)的球，一個(gè)金屬球，一個(gè)中空玻璃球。
攝像機(jī)：參數(shù)可調(diào)。
光線：每像素16個(gè)。
渲染算法：光線多次彈射，顏色依據(jù)物體材質(zhì)計(jì)算。
輸出：400 * 225像素的無鋸齒圖像。

數(shù)學(xué)模型

視野

視野指一個(gè)鏡頭能覆蓋的范圍，用角度來表示。

根據(jù)視野和焦距，可以求出視窗大小。

位置和朝向

相機(jī)的位置和朝向決定了如何將相機(jī)坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)系中。

相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)映射到世界坐標(biāo)系的相機(jī)位置(lookfrom)。
相加坐標(biāo)系的z軸映射到-w，也就是lookfrom - lookat
x軸映射到u
y軸映射到v
一般指定一個(gè)相機(jī)朝上的大概方向vup，然后計(jì)算與w和vup所在平面垂直的朝右方向u，再利用w和u的叉積求出v。

散焦模糊

真實(shí)相機(jī)不是完美的小孔，只能清晰成像景深范圍內(nèi)的物體。

渲染器的鏡頭是完美的小孔，需要模擬鏡頭模糊效果。

計(jì)算模型

添加新參數(shù)到Camera類。
修改坐標(biāo)變換
光線起點(diǎn)做隨機(jī)偏移，模擬焦散。

代碼

camera.rs

根據(jù)fov和焦距求出視窗尺寸
求出uvw向量
將相機(jī)坐標(biāo)系映射到世界坐標(biāo)系下。
在光圈范圍內(nèi)隨機(jī)一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，從這里發(fā)射光線到成像平面

use crate::math::random;nuse crate::math::ray;nuse crate::math::vector;npub struct Camera {n origin: vector::Point3,n lower_left_corner_world: vector::Point3,n horizontal: vector::Point3,n vertical: vector::Point3,n u : vector::Point3,n v : vector::Point3,n lens_radius: f64,n}nimpl Camera {n pub fn new(n look_from: vector::Point3,n look_at: vector::Point3,n vup: vector::Dir3,n vfov: f64,n aspect_ratio: f64,n aperture: f64,n focus_dist: f64,n ) -> Camera {n // 1n let theta = vfov * std::f64::consts::PI / 180.0;n let h = (theta * 0.5).tan() * focus_dist;n let viewport_height = 2.0 * h;n let viewport_width = viewport_height * aspect_ratio;n // 2 n let mut w = look_from.clone() - look_at;n w.normalize();n let mut u = vector::Vec3::cross(&vup, &w);n u.normalize();n let v = vector::Vec3::cross(&w, &u);n // 3n let horizontal = u.clone() * viewport_width;n let vertical = v.clone() * viewport_height;n let origin = look_from;n let lower_left_corner_view =n -horizontal.clone() / 2.0 - vertical.clone() / 2.0 - w * focus_dist;n let lower_left_corner_world = origin.clone() + lower_left_corner_view;n Camera {n origin: origin,n lower_left_corner_world: lower_left_corner_world,n horizontal: horizontal,n vertical: vertical,n u : u,n v : v,n lens_radius: aperture / 2.0,n }n }n pub fn get_ray(&self, s: f64, t: f64) -> ray::Ray {n // 4n let rd = Camera::random_in_unit_disk() * self.lens_radius;n let offset = self.u.clone() * rd.x() + self.v.clone() * rd.y();n let p = self.lower_left_corner_world.clone()n + self.horizontal.clone() * sn + self.vertical.clone() * t;n let dir = p - &self.origin - &offset;n ray::Ray::new(self.origin.clone() + offset, dir)n }n fn random_in_unit_disk() -> vector::Vec3 {n loop {n let p = vector::Vec3::new(n random::generate_range(-1.0, 1.0),n random::generate_range(-1.0, 1.0),n 0.0,n );n if p.length_squared() < 1.0 {n return p;n }n }n }n

main.rs

設(shè)置參數(shù)

let look_from = vector::Point3::new(3.0, 3.0, 2.0);n let look_at = vector::Point3::new(0.0, 0.0, -1.0);n let focus_dist = (look_from.clone() - &look_at).length();n let cam = camera::Camera::new(look_from, look_at, vector::Dir3::new(0.0, 1.0, 0.0), 20.0, aspect_ratio, 2.0, focus_dist);n