GAMES101 课程 作业 6 源代码概览
Written by PiscesAlpaca（双鱼座羊驼）
一、概述
本篇将从 main 函数为出发点，依照各 cpp 文件中函数的调用程序和层级嵌套关系，简略剖析本次作业代码的含意。鉴于自己是初学者，局部剖析恐有偏颇，欢送读者批评指正。
二、源码剖析
1 初始化
1.1 场景初始化
main.cpp
Scene scene(1280, 960);Scene.cpp
class Scene
{
public:
// setting up options
int width = 1280;
int height = 960;
Scene(int w, int h) : width(w), height(h)
{}}在 main 函数中，首先创立了一个场景，将场景的长和宽传入 Scene 类的构造函数中
1.2 模型加载与三角片元生成
main.cpp
MeshTriangle bunny("models/bunny/bunny.obj");紧接着，在 main 函数中调用了加载 obj 模型文件的语句，咱们跟进去看看里边做了什么
Triangle.hpp
MeshTriangle(const std::string& filename)
{
objl::Loader loader;
loader.LoadFile(filename); // 依据文件门路加载 obj 文件
assert(loader.LoadedMeshes.size() == 1);
auto mesh = loader.LoadedMeshes[0]; // 获取 mesh
Vector3f min_vert = Vector3f{std::numeric_limits<float>::infinity(),
std::numeric_limits<float>::infinity(),
std::numeric_limits<float>::infinity()};
Vector3f max_vert = Vector3f{-std::numeric_limits<float>::infinity(),
-std::numeric_limits<float>::infinity(),
-std::numeric_limits<float>::infinity()};
// 上述两个语句别离创立了 bounding_box 的 6 个面的记录，这些记录应用最小点和最大点示意
for (int i = 0; i < mesh.Vertices.size(); i += 3) {
std::array<Vector3f, 3> face_vertices; // 记录一个片元的三个顶点
for (int j = 0; j < 3; j++) {auto vert = Vector3f(mesh.Vertices[i + j].Position.X,
mesh.Vertices[i + j].Position.Y,
mesh.Vertices[i + j].Position.Z) *
60.f;
// 对于每一个定点，都将其后续两个定点进行遍历，造成一个片元的记录，并将其放大 60 倍
face_vertices[j] = vert;
min_vert = Vector3f(std::min(min_vert.x, vert.x),
std::min(min_vert.y, vert.y),
std::min(min_vert.z, vert.z));
max_vert = Vector3f(std::max(max_vert.x, vert.x),
std::max(max_vert.y, vert.y),
std::max(max_vert.z, vert.z));
// 在遍历中每次更新最大点和最小点
}
auto new_mat =
new Material(MaterialType::DIFFUSE_AND_GLOSSY,
Vector3f(0.5, 0.5, 0.5), Vector3f(0, 0, 0));
new_mat->Kd = 0.6;
new_mat->Ks = 0.0;
new_mat->specularExponent = 0;
// 创立一个材质，其具体系数将在下方介绍
triangles.emplace_back(face_vertices[0], face_vertices[1],
face_vertices[2], new_mat);
// 每个片元的三个顶点及其材质增加入 triangles 向量中，emplace_back 与 push_back 有殊途同归之妙
}
bounding_box = Bounds3(min_vert, max_vert);// 用两个最大点和最小点示意六个面
std::vector<Object*> ptrs;
for (auto& tri : triangles)
ptrs.push_back(&tri);
// 浅拷贝一份 triangels 的 vector
bvh = new BVHAccel(ptrs); // 创立 BVH 减速实例
}解释：
1、对于 43 行：triangles 是 Triangle 类的 vector，当调用 emplace_back 办法时，其实是调用了 Triangle 类的构造方法。办法的调用，确定了三角形片元的三个顶点，两条边，材质以及法向量。
class Triangle : public Object
{
public:
Vector3f v0, v1, v2; // 顶点 A, B ,C , 逆时针方向
Vector3f e1, e2; // 2 个边 v1-v0, v2-v0;
Vector3f t0, t1, t2; // texture coords 纹理坐标
Vector3f normal;// 法向量
Material* m;// 材质
// 构造方法
Triangle(Vector3f _v0, Vector3f _v1, Vector3f _v2, Material* _m = nullptr)
: v0(_v0), v1(_v1), v2(_v2), m(_m)
{
e1 = v1 - v0;
e2 = v2 - v0;
normal = normalize(crossProduct(e1, e2)); // 确定法向量
}
}2、bounding_box 是对每个 object 模型物体的包装盒，应用两个点示意六个面（绝妙的示意办法）。Bounds3 bounding_box;它定义在 Triangle.hpp 文件中
3、objl::Loader 是内部引入的加载器，在这里暂不做解读，前期有工夫补上。
1.3 BVH 减速类实例化与生成工夫记录
BVH.hpp
BVHAccel(std::vector<Object*> p, int maxPrimsInNode = 1, SplitMethod splitMethod = SplitMethod::NAIVE);
BVH.cpp
BVHAccel::BVHAccel(std::vector<Object*> p, int maxPrimsInNode,
SplitMethod splitMethod)
: maxPrimsInNode(std::min(255, maxPrimsInNode)), splitMethod(splitMethod),
primitives(std::move(p))
{
time_t start, stop;
time(&start);
if (primitives.empty())
return;
root = recursiveBuild(primitives); // 递归的结构 BVH 树
time(&stop);
double diff = difftime(stop, start);
int hrs = (int)diff / 3600;
int mins = ((int)diff / 60) - (hrs * 60);
int secs = (int)diff - (hrs * 3600) - (mins * 60);
printf(
"\rBVH Generation complete: \nTime Taken: %i hrs, %i mins, %i secs\n\n",
hrs, mins, secs);
}上文中的最初一行代码创立了 BVH 减速实例，在这里，咱们跟进这行代码，浏览一下构造函数的定义和实现。
1、在这里 maxPrimsInNode 示意最大片元，primitives 负责记录所有三角形片元的信息
2、在构造函数中，最为重要一句话是root = recursiveBuild(primitives);，咱们将在上面具体解析，其余操作便是记录开始工夫和完结工夫，计算 BVH 减速总用时，并非代码外围，故不再开展。
1.4 灯光的加载
main.cpp
scene.Add(std::make_unique<Light>(Vector3f(-20, 70, 20), 1));
scene.Add(std::make_unique<Light>(Vector3f(20, 70, 20), 1));Light.hpp
class Light
{
public:
Light(const Vector3f &p, const Vector3f &i) : position(p), intensity(i) {}
Vector3f position;
Vector3f intensity;
};在 main 函数中，咱们能够看到灯光被增加到了场景中，Light 的构造函数比较简单，仅仅是设置了地位和强度。
1.5 递归化的 BVH 树生成
BVH.cpp
接下来，咱们具体的理解一下 recursiveBuild 函数到底做了什么，这里咱们将这个函数宰割成几段，逐个解析。
<u>step1:</u> 遍历片元包装盒，生成所有片元的最大包装盒
（不过 6 - 9 行语句看起来并没有什么作用，但 解释 局部能够帮忙咱们理解调用过程，帮忙后续程序了解）
BVHBuildNode* BVHAccel::recursiveBuild(std::vector<Object*> objects)
{BVHBuildNode* node = new BVHBuildNode(); // 创立一棵树的根节点
// Compute bounds of all primitives in BVH node
Bounds3 bounds;
for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
bounds = Union(bounds, objects[i]->getBounds());
解释：上述代码对每一个三角片元进行 bounds 的合并，通过调用 Bounds3.hpp 中 Union(const Bounds3 &b1, const Bounds3 &b2) 办法实现，以下是该函数的实现：
inline Bounds3 Union(const Bounds3 &b1, const Bounds3 &b2)
{
Bounds3 ret;
ret.pMin = Vector3f::Min(b1.pMin, b2.pMin);
ret.pMax = Vector3f::Max(b1.pMax, b2.pMax);
return ret;
}这段代码的粗心是，将传入的两个 Bounds（权且称为突围盒），将两个突围盒中最小的顶点和最大的顶点找进去，将他们作为新的突围盒边界，从而达成了边界合并的成果，生成新的突围盒。利用于三角形片元中，咱们能够晓得，这是对上述提到过的 object 中所有三角形片元进行突围盒的合并。（突围盒的六个面仍然应用最大点和最小点示意，对应了老师上课讲的 Axis-Aligned 模式）
对于 objects[i]->getBounds() 这段代码，咱们能够在 Triangle.hpp 中找到其对 Object 类继承后办法的重载：
inline Bounds3 Triangle::getBounds() { return Union(Bounds3(v0, v1), v2); }它实际上先后调用了构造函数 Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2) 和重载办法Union(const Bounds3 &b, const Vector3f &p)，从而获取了每一个片元的包装盒。以下为源代码，咱们能够在 Bounds3.hpp 中找到他们：
Bounds3(const Vector3f p1, const Vector3f p2)
{pMin = Vector3f(fmin(p1.x, p2.x), fmin(p1.y, p2.y), fmin(p1.z, p2.z));
pMax = Vector3f(fmax(p1.x, p2.x), fmax(p1.y, p2.y), fmax(p1.z, p2.z));
}inline Bounds3 Union(const Bounds3 &b, const Vector3f &p)
{
Bounds3 ret;
ret.pMin = Vector3f::Min(b.pMin, p);
ret.pMax = Vector3f::Max(b.pMax, p);
return ret;
}<u>step2:</u> 对于一个或两个片元的状况（叶子结点）
// 如果仅有一个片元，则创立一个叶子结点
if (objects.size() == 1) {
// Create leaf _BVHBuildNode_
node->bounds = objects[0]->getBounds();
node->object = objects[0];
node->left = nullptr;
node->right = nullptr;
return node;
}
// 如果有两个片元，则生成的节点别离记录指向的节点，且该节点理论记录的是两个子节点独特的大包装盒
else if (objects.size() == 2) {node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]});
node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]});
node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);
return node;
}
<u>step3：</u> 取得所有片元质心的最大包装盒并依照质心散布从新排序
else {
// 以质心作为次要点，生成所有三角片元质心的大包装盒
Bounds3 centroidBounds;
for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
centroidBounds =
Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid());
int dim = centroidBounds.maxExtent();
解释：这里咱们看到了一个新的函数Centroid()，让咱们来看看它做了什么。事实上，在 Bounds3.hpp 中，这个函数利用最小点和最大点的性质失去了片元的质心，通过 union 函数的一直调用，最终失去了包裹物体所有片元质心的最小点和最大点，即所有质心的包装盒
Vector3f Centroid() { return 0.5 * pMin + 0.5 * pMax;}在第 8 行咱们又看到了一个新的函数maxExtent()，同样它位于 Bounds3.hpp 中，以下是代码：
Vector3f Diagonal() const { return pMax - pMin;}
int maxExtent() const
{Vector3f d = Diagonal();
if (d.x > d.y && d.x > d.z) // x 重量最大
return 0;
else if (d.y > d.z) // y 重量最大
return 1;
else // z 重量最大
return 2;
}在这里，咱们能够晓得 maxExtent() 调用了 Diagonal() 函数取得了最小点和最大点的对角向量，由最小点指向最大点，当对角向量 x 重量最大，则返回 0；y 重量最大，则返回 1；z 重量最大，则返回 2。
返回 BVH.cpp，咱们能够看到，实际上是依据整个物体质心在重量上的布局，对所有片原进行排序，不便后续构建 BVH 树.
std::sort 函数，依照给定的办法中比拟的策略对整个数组进行排布（从小到大）
switch (dim) {
case 0:
std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {return f1->getBounds().Centroid().x <
f2->getBounds().Centroid().x;
});
break;
case 1:
std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {return f1->getBounds().Centroid().y <
f2->getBounds().Centroid().y;
});
break;
case 2:
std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {return f1->getBounds().Centroid().z <
f2->getBounds().Centroid().z;
});
break;
}
<u>step4：</u> 划分初始的两个局部，递归的构建 BVH 树
auto beginning = objects.begin(); // 获取头指针
auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2); // 获取两头指针
auto ending = objects.end(); // 获取尾指针
auto leftshapes = std::vector<Object*>(beginning, middling); // 失去左侧区域
auto rightshapes = std::vector<Object*>(middling, ending); // 失去右侧区域
assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size()));
node->left = recursiveBuild(leftshapes); // 根节点的左子节点
node->right = recursiveBuild(rightshapes); // 根节点的右子节点
node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds); // 最大包装盒
}
return node;
}小结：能够看出，构建 BVH 树是以质心作为根据递归的划分区域的，非叶子结点仅仅寄存 bounds 的范畴，叶子结点会寄存每个三角片元的 bounds 和片元指针，这与上课所讲的是统一的。至此初始化工作完结，接下来咱们看到第二篇章，渲染。
2 渲染
2.1 屏幕坐标与世界坐标的转换——获取眼睛朝各个像素看的方向
Renderer.cpp
void Renderer::Render(const Scene& scene)
{std::vector<Vector3f> framebuffer(scene.width * scene.height);
float scale = tan(deg2rad(scene.fov * 0.5));
float imageAspectRatio = scene.width / (float)scene.height;
Vector3f eye_pos(-1, 5, 10);
int m = 0;
for (uint32_t j = 0; j < scene.height; ++j) {for (uint32_t i = 0; i < scene.width; ++i) {
// generate primary ray direction
// 这里仅仅是通过将相机坐标转化为一个归一化的世界坐标，并假如相机在 0,0,0 点，从而求出眼睛看各个像素的方向向量，eye_pos 才是世界坐标中眼睛真正的地位
float x = (2 * (i + 0.5) / (float)scene.width - 1) * imageAspectRatio * scale;
float y = (1 - 2 * (j + 0.5) / (float)scene.height) * 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*
// Don't forget to normalize this direction!
Vector3f dir = Vector3f(x, y, -1); // 实际上减去了相机 0,0,0 的坐标，归一化后是方向向量
dir = normalize(dir);
Ray r(eye_pos, dir); // 此时流传工夫未定，t 实际上是 0
framebuffer[m++] = scene.castRay(r, 0);
}
UpdateProgress(j / (float)scene.height);
}
UpdateProgress(1.f);解释：重要语句的根本含意曾经在正文中体现，这里再进行一些小结。
1、上述代码利用双重循环对图片区域每个像素进行遍历，对每个像素获得其中点，并转换为归一化的世界坐标，从而获取眼睛所看到的方向（利用了向量的自在挪动的性质）。
2、第 13、14 行，是栅格空间和世界坐标的转换过程，具体推导可参阅以下文章：
https://blog.csdn.net/dong898…
3、在 23 行，仅仅是假如相机与可视立体的间隔为 1，利用缩放的性质失去方向向量，进而进行归一化操作，理论的眼睛终点仍然是第 7 行的坐标；而相机坐标为（0，0，0）因而各个像素在可视立体上的坐标即为眼睛看到的方向。
2.2 真正的光线追踪过程
<u>step1:</u> 在 castRay 函数中判断光的最大深度是否超出场景的最大深度
Scene.cpp
if (depth > this->maxDepth) { // 光的最大深度超出场景的最大深度，则不会被渲染间接返回 0，0，0 彩色
return Vector3f(0.0,0.0,0.0);
}<u>step2:</u> 算出眼睛与物体最近的交点
这里调用了 Intersection intersection = Scene::intersect(ray); 一条语句，实际上这是光线追踪过程中嵌套调用最简单的一个语句，让咱们跟进它来看一看。
Scene.cpp
Intersection Scene::intersect(const Ray &ray) const
{return this->bvh->Intersect(ray);
}BVH.cpp
Intersection BVHAccel::Intersect(const Ray& ray) const
{
Intersection isect;
if (!root) // 如果 bvh 树根节点是空的
return isect;
isect = BVHAccel::getIntersection(root, ray);
return isect;
}BVH.cpp
Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const
{
// TODO Traverse the BVH to find intersection
Intersection inter;
//lights direction
float x = ray.direction.x;
float y = ray.direction.y;
float z = ray.direction.z;
//define lights direction whether is negtive 判断光线是否反向
std::array<int, 3> dirIsNeg = {int(x<0),int(y<0),int(z<0) };
//if bounds crash the ray
if (node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, dirIsNeg)) {
// condition1: leaf node
if(node->left == nullptr && node->right == nullptr) {inter = node->object->getIntersection((ray));
return inter;
} else {Intersection left = getIntersection(node->left, ray);
Intersection right = getIntersection(node->right, ray);
Intersection result;
left.distance < right.distance ? result = left : result = right;
return result;
}
}
return inter;
}解释：对于这一求交点的过程，程序先后调用了多个获取交点的函数，曾经依照调用程序在上方代码块给出。最为重要的是 BVHAccel::getIntersection 函数，它的次要思维是依照眼睛可视方向的 x y z 方向的重量和事后生成好的每个节点的 bounds，以二叉树深度遍历的形式遍历 BVH 树，并在子节点判断是否与三角形片元相交，并返回交点的各个属性。
1、判断包装盒是否与眼睛可视方向相交
咱们跟进第 12 行的函数，这是在作业中自行实现的办法，const Vector3f &invDir参数理论是光线向量矩阵的逆矩阵，在这里仅仅为了放慢程序计算速度（正文里也说了乘法比除法快），能够了解 x y z 重量为方向，也能够了解为速度。
咱们在这里获取每条光线各个重量与包装盒射入和射出时的工夫，(pMin – ray.origin)为途程，invDir 为速度分之一，则 6 个 float 为具体的工夫。
当光线是从远离坐标原点方向射向坐标原点时，此时射入的工夫会记录到 max 中，射出的工夫会记录到 min 中，因而须要调换程序。
在这之后就是对包装盒原理的使用，具体可参阅文章：
https://blog.csdn.net/weixin_…
inline bool Bounds3::IntersectP(const Ray &ray, const Vector3f &invDir,
const std::array<int, 3> &dirIsNeg) const
{// invDir: ray direction(x,y,z), invDir=(1.0/x,1.0/y,1.0/z), use this because Multiply is faster that Division
// dirIsNeg: ray direction(x,y,z), dirIsNeg=[int(x>0),int(y>0),int(z>0)], use this to simplify your logic
// TODO test if ray bound intersects
float x_min = (pMin.x - ray.origin.x) * invDir.x; //invDir 能够了解为方向，能够了解为速度
float x_max = (pMax.x - ray.origin.x) * invDir.x;
float y_min = (pMin.y - ray.origin.y) * invDir.y;
float y_max = (pMax.y - ray.origin.y) * invDir.y;
float z_min = (pMin.z - ray.origin.z) * invDir.z;
float z_max = (pMax.z - ray.origin.z) * invDir.z;
if (dirIsNeg[0])
{std::swap(x_min, x_max);
}
if (dirIsNeg[1])
{std::swap(y_min, y_max);
}
if (dirIsNeg[2])
{std::swap(z_min, z_max);
}
float max = std::min(x_max, std::min(y_max, z_max));
float min = std::max(x_min, std::max(y_min, z_min));
if(min < max && max >= 0) return true;
return false;
}2、对叶子节点的解决
BVH.cpp
if(node->left == nullptr && node->right == nullptr) {inter = node->object->getIntersection((ray));
return inter;如上述代码所示，这是对叶子结点的操作，咱们跟进 getIntersection() 函数。留神：这是对三角形片元的求交操作，故调用的是 Triangle 类的办法。
Triangle.hpp
inline Intersection Triangle::getIntersection(Ray ray) // 为了计算流传工夫，计算重心坐标是否在三角形内
{
Intersection inter;
if (dotProduct(ray.direction, normal) > 0) // 此时阐明可视方向与片元朝向雷同，眼睛看不到
return inter;
double u, v, t_tmp = 0;
Vector3f pvec = crossProduct(ray.direction, e2);
double det = dotProduct(e1, pvec);
if (fabs(det) < EPSILON)
return inter;
double det_inv = 1. / det;
Vector3f tvec = ray.origin - v0;
u = dotProduct(tvec, pvec) * det_inv; //b1
if (u < 0 || u > 1)
return inter;
Vector3f qvec = crossProduct(tvec, e1);
v = dotProduct(ray.direction, qvec) * det_inv; //b2
if (v < 0 || u + v > 1)
return inter;
t_tmp = dotProduct(e2, qvec) * det_inv;
// TODO find ray triangle intersection
if (t_tmp < 0)
return inter;
inter.distance = t_tmp; // 点到眼睛的流传工夫
inter.happened = true;
inter.m = m; // 点的材质就是三角形的材质
inter.obj = this; // 点所在的物体就是该片元的物体
inter.normal = normal; // 点的法线是三角形片元的法线
inter.coords = ray(t_tmp); // 理论的交点坐标 origin+direction*t
return inter;
}事实上，这段函数就是对 Möller-Trumbore 算法的使用，其最终求出了眼睛可视方向射线与三角形片元相交的工夫，并且利用 u v 变量作为公式中的 b1 b2 参数判断了交点是否位于三角形内（使用重心坐标），次要正文已在上方给出。
对于 Möller-Trumbore 算法的具体推导，能够参阅文章：
https://blog.csdn.net/zhanxi1…
3、对非叶子节点的解决
对非叶子节点的解决便是简略的递归的调用左右两个子节点，直到遇到叶子节点地位。每次从子节点返回，便比拟两子节点的 distance 值（工夫），取最小的值所属的点为最终眼睛所见的交点
<u>step3</u>: 获取片元属性并判断是否相交
让咱们在上述多级的嵌套中回过神，持续回到 Scene::castRay 函数中。此时咱们曾经取得了
Intersection intersection = Scene::intersect(ray); // 算出眼睛与物体最近的交点这一语句的返回后果，接下来的步骤是对返回后果交点实例的属性的获取，大抵包含物体、法向量、交点坐标、流传工夫等属性，曾经具体的列举在下方代码块中：
Material *m = intersection.m;
Object *hitObject = intersection.obj; // 三角形片元的物体
Vector3f hitColor = this->backgroundColor;
// float tnear = kInfinity;
Vector2f uv;
uint32_t index = 0;
if(intersection.happened) { // 阐明交点无效，与物体相交了
Vector3f hitPoint = intersection.coords; // 理论的交点坐标
Vector3f N = intersection.normal; // normal 法向量
Vector2f st; // st coordinates
hitObject->getSurfaceProperties(hitPoint, ray.direction, index, uv, N, st);<u>step4</u>: 材质类型的抉择与光照模型的利用
咱们能够在函数中看到这句话：
switch (m->getType())这便是对咱们刚刚失去的交点中属性材质的筛选语句，因为本次试验中采纳的材质类型是DIFFUSE_AND_GLOSSY，因而在本品文章中仅对这部分材质的代码块进行解析。
对于材质的类型，它们被定义在 Material.hpp 中
Material.hpp
enum MaterialType {DIFFUSE_AND_GLOSSY, REFLECTION_AND_REFRACTION, REFLECTION};以下为本次实验所使用的 Phone 光照模型的实现：
default: //DIFFUSE_AND_GLOSSY
{// [comment]
// We use the Phong illumation model int the default case. The phong model
// is composed of a diffuse and a specular reflection component.
// [/comment]
// 环境光 Ambient 高光 specular
Vector3f lightAmt = 0, specularColor = 0;
Vector3f shadowPointOrig = (dotProduct(ray.direction, N) < 0) ?
hitPoint + N * EPSILON :
hitPoint - N * EPSILON;
// 判断眼睛观看方向与法线的夹角，如果夹角在 0 -90 度之间，则阐明光线照耀方向雷同；否则光线照耀相同
// [comment]
// Loop over all lights in the scene and sum their contribution up
// We also apply the lambert cosine law
// [/comment]
for (uint32_t i = 0; i < get_lights().size(); ++i)
{
// 区域光（无意义）auto area_ptr = dynamic_cast<AreaLight*>(this->get_lights()[i].get());
if (area_ptr)
{// Do nothing for this assignment}
else
{Vector3f lightDir = get_lights()[i]->position - hitPoint; // 理论交点与光照收回点之间的向量，与光线照耀方向是相同的
// square of the distance between hitPoint and the light
float lightDistance2 = dotProduct(lightDir, lightDir); // 模的平方（无意义）lightDir = normalize(lightDir); // 理论交点与光照收回点之间的向量归一化
float LdotN = std::max(0.f, dotProduct(lightDir, N)); // 只有照耀在外表才有意义
Object *shadowHitObject = nullptr;//（无意义）float tNearShadow = kInfinity;//（无意义）// is the point in shadow, and is the nearest occluding object closer to the object than the light itself?
// 判断暗影点沿着光的逆方向是否能与其余片元相交，如果能相交则此处必然是暗影，如果不能相交，此处不是暗影
bool inShadow = bvh->Intersect(Ray(shadowPointOrig, lightDir)).happened;
lightAmt += (1 - inShadow) * get_lights()[i]->intensity * LdotN;
Vector3f reflectionDirection = reflect(-lightDir, N); // 获取立体反射状况下的反射光
specularColor += powf(std::max(0.f, -dotProduct(reflectionDirection, ray.direction)), m->specularExponent) * get_lights()[i]->intensity;
}
}
hitColor = lightAmt * (hitObject->evalDiffuseColor(st) * m->Kd + specularColor * m->Ks);
break;
}解释：其次要步骤如下
1、判断眼睛观看方向与法线的夹角，如果夹角在 0 -90 度之间，则阐明光线照耀方向雷同，否则光线照耀相同。如果雷同则阐明照耀的是三角片元的反面，暗影点理当向与法线相同方向挪动肯定间隔；如果光线照耀相同，则阐明照耀的是三角片元的侧面，暗影点理当向与法线雷同方向挪动肯定间隔。（代码 8 -13 行）
2、生成了一个与光照方向相同的向量，用它来判断光是否照射到了外表。因为是相同的，则当大于 0 时，理论的光照其实是可能照射到外表的。（代码 28-32 行）
3、对于眼睛所看到的每一个像素，遍历场景中生成的所有光线，为照射到的交点生成环境光 lightAmt 和高光 specular。
[important]其中略微难以了解的是 37 行的代码，其实际上应用了和 判断眼睛可能看见的最近的交点 这一过程所应用到的雷同的一系列函数。只不过这里因为 shadowPointOrig 是与光照方向相同的向量，咱们能够了解为从交点射出一条光线，判断其在流传过程中是否会与物体中其余片元相交，只有可能相交，便能使这一交点实例中 happened 变量变为 true，那么就阐明以后的点会被其余交点遮挡，此时为它生成暗影即可。
反过来想，如果从光线流传方向正向判断，实际上是较为艰难的事件，这一点的解决是很奇妙地。不过我认为间接调用 bvh->Intersect 办法未免影响效率，毕竟最终失去的还是最近间隔的点，这须要再次遍历整个二叉树，不如改为只有遇到交点就返回，能够进步肯定的效率。
对于环境光 lightAmt 和高光 specular 的计算便是 38、40 和 43 行的代码，其使用了 Phone 模型的公式，但该程序解法（evalDiffuseColor(st)）函数与公式有所不同，这里不再认真钻研，可参阅：
https://blog.csdn.net/qjh5606…
4、上述函数蕴含一些无意义的变量，不知是否是课程组无心搁置的。
至此，castRay函数所有执行和调用便完结了，咱们得以返回到 Renderer::Render 最后的中央。
小结：上述过程次要是先判断包装盒是否与眼睛可视方向相交，并进一步判断是否与片元相交，最终返回这一交点，并依照 Phone 模型生成最终光照的色彩，返回并存入 framebuffer 当中。
3 生成
// 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] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].x));
color[1] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].y));
color[2] = (unsigned char)(255 * clamp(0, 1, framebuffer[i].z));
fwrite(color, 1, 3, fp); // 此函数将从指定流中写入 n 个大小为 size 的对象
}
fclose(fp); 最终的帧缓存输入过程如上述代码所示，这一过程应用了 ppm 文件格式，第 3 行实际上是 ppm 文件的文件头，以 P6 开始，申明图像长宽，并设置最大像素；6- 8 行管制了 RGB 三种色彩的数值，确保它们在 0 -255 之间。
若想理解 ppm 文件构造，能够参阅：
https://blog.csdn.net/kinghzk…
三、结语
至此，源代码整体调用过程解读到此结束了。
十分荣幸可能参加 GAMES101 课程，这使得我对图形学中的光栅化和光线追踪有了粗疏的理解。
本篇文章的撰写略显仓促，源码浏览破费的工夫也较少，兴许在整体的了解和细节的把握上有失偏颇，欢送宽广网友批评指正。
欢送指出谬误和有余~
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