《一个周末的光线追踪：第 1 部分》一书中的 ray_color(...)（光线追踪函数）是否正确？

Question

《周末光线追踪》书中的光线追踪（书中名为 ray_color）函数看起来像这样

color ray_color(const ray& r, int depth, const hittable& world) const {
        // If we've exceeded the ray bounce limit, no more light is gathered.
        if (depth <= 0)
            return color(0,0,0);

        hit_record rec;

        if (world.hit(r, interval(0.001, infinity), rec)) {
            ray scattered;
            color attenuation;
            if (rec.mat->scatter(r, rec, attenuation, scattered))
                return attenuation * ray_color(scattered, depth-1, world);
            return color(0,0,0);
        }

        vec3 unit_direction = unit_vector(r.direction());
        auto a = 0.5*(unit_direction.y() + 1.0);
        return (1.0-a)*color(1.0, 1.0, 1.0) + a*color(0.5, 0.7, 1.0);
    }

我怀疑由于某个特定原因这没有意义。

让

depth=1

当我们开始通过像素发射初始光线时。假设我们击中了一个物体，因此我们到达了

if(rec.mat->scatter(...))

。假设

scatter(...)

返回 true，因此我们返回

attenuation * ray_color(scattered, depth - 1, world)

。现在请注意，由于守卫

if(depth <= 0)

的 retval 为

color(0,0,0)

，递归调用将立即返回。这将使乘法

attenuation * ray_color(...)

变为

0

。这不是不正确吗，因为我们

确实

击中过某物并遮蔽了该点，但我们将返回黑色。我对此进行了测试，所有物体都变黑了。如果我设置 depth = 2 我会得到

。请注意，我们似乎获得了一次反射（从我们可以看到镜面反射的事实来看）......但反射的反射全部为黑色。 我真的无法理解这是如何正确的。我在谷歌上搜索了很多人对这本书的实现，他们似乎都做了完全相同的事情。这有什么意义？

编辑：

如果我添加一个守卫if (depth == 1) return attenuation; else return attenuation * ray_color(...);，我确实会得到你想要的东西，如果你有

，而且反射似乎用和着色更正确。尽管如此，结果对我来说仍然看起来很奇怪。请注意，我仍然得到完全黑色的反射，这可能是由于最初提到的与零相乘的问题。也许还有其他问题，可能是我自己的代码。我可能需要就此发表一篇新文章，因为这可能是一个与这个问题所涉及的问题不同的问题。

Color RayTracer::TraceRay(const Ray& ray, int depth, float weight)
{

    if (depth <= 0)
        return Utils::Colors::BLACK;

    HitPayload hp = FindClosestHit(ray);
    
    if (hp.t < 0.0f) {
        // We didn't hit anything, just return a sky color of some kind.
        const float alpha = 0.5f * (ray.Dir().y + 1.0f);
        const Color skyColor = (1.0f - alpha) * Utils::Colors::WHITE + alpha * Utils::Colors::SKY_COLOR;
        return skyColor * weight;
    }
    
    const Material* mat = m_Scene->GetMaterial(hp.Shape->GetMaterialIdx());

    Color colorOut{};
    Ray rayOut{};
    rayOut.SetOrigin(hp.Position + Utils::Constants::EPSILON * hp.Normal);

    // TODO: Cast shadow ray(s)
    if (mat->Shade(ray, rayOut, colorOut, hp))
        if (depth == 1)
            return colorOut;
        else
            return (weight * colorOut) * TraceRay(rayOut, depth - 1, 0.75f * weight);
    
    // Material is a black body
    return Utils::Colors::BLACK;

}

Answer 1

这有什么意义？

您可能已经知道这一点，但关于光线追踪，首先要记住的是它是向后完成的。我们从眼睛（或相机）发射光线，但实际上光线源自背景，从物体反射并最终进入眼睛。

示例中的球体不发光，它们只是反射/散射因反照率而减弱的背景光。

如果光线反射太多次，就会变成“黑色”。我们通过将

max_depth

设置为某个值来“加速”这个过程（以及我们的计算）。

如果深度太低，那么最终会出现黑点。但是，当深度足够高时，光线最终会“找到路径”到达背景。实际上，这意味着背景光通过多次反射（乘以反射物体的反照率）会到达眼睛/相机。

所以，你不会有黑点。这是一个非常非技术性（和隐喻性）的解释，但希望它有意义。

...尽管如此，结果对我来说仍然看起来很奇怪。

那是因为你的物理宇宙模型不准确。事实上，灯没有

max_depth

功能。它会反射多次，每次都会失去一些强度。