Raytracer 未产生预期的输出
Raytracer not producing expected output
我有一个问题：我读过 article on scratchapixel 的光线追踪 C++ 代码。 C++没问题。我尝试将其转换为 Python，它起作用了（结果慢 17 倍，分辨率降低 4 倍）。我试图将其转换为 C#，但我的代码无法正常工作。我唯一能看到的是一张空白的白色 800x600 图片。请参阅之前链接的文章以获取 C++ 代码。
这是我对它作为 C# 代码的解释：
using System;
using System.Collections.Generic;
namespace raytracer
{
class Program
{
const int MAX_RAY_DEPTH = 8;
const float FAR = 100000000;
public static void Main(string[] args)
{
Sphere[] spheres = new Sphere[7];
spheres[0] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, -10004, -20), 10000, new Vec3f(0.20f, 0.20f, 0.20f), 0, 0.0f);
spheres[1] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, 0, -20), 4, new Vec3f(1.00f, 0.32f, 0.36f), 1, 0.5f);
spheres[2] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, -1, -15), 2, new Vec3f(0.90f, 0.76f, 0.46f), 1, 0.0f);
spheres[3] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, 0, -25), 3, new Vec3f(0.65f, 0.77f, 0.97f), 1, 0.0f);
spheres[4] = new Sphere(new Vec3f(-5.5f, 0, -15), 3, new Vec3f(0.90f, 0.90f, 0.90f), 1, 0.0f);
spheres[5] = new Sphere(new Vec3f( 2f, 2, -30), 4, new Vec3f(0.53f, 0.38f, 0.91f), 1, 0.7f);
spheres[6] = new Sphere(new Vec3f( 0, 20, -25), 3, new Vec3f(0.00f, 0.00f, 0.00f), 0, 0.0f, new Vec3f(3));
Render(spheres);
}
public class Collision
{
public float t0, t1;
public bool collide;
public Collision(bool col, float tt0 = 0, float tt1 = 0)
{
t0 = tt0;
t1 = tt1;
collide = col;
}
}
public class Vec3f
{
public float x, y, z;
public Vec3f(){ x = y = z = 0; }
public Vec3f(float v){ x = y = z = v; }
public Vec3f(float xx, float yy, float zz){ x = xx; y = yy; z = zz; }
public Vec3f normalize()
{
float nor2 = length2();
if (nor2 > 0)
{
float invNor = 1 / (float)Math.Sqrt(nor2);
x *= invNor; y *= invNor; z *= invNor;
}
return this;
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x * r.x, l.y * r.y, l.z * r.z);
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, float r)
{
return new Vec3f(l.x * r, l.y * r, l.z * r);
}
public float dot(Vec3f v)
{
return x * v.x + y * v.y + z * v.z;
}
public static Vec3f operator -(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x - r.x, l.y - r.y, l.z - r.z);
}
public static Vec3f operator +(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x + r.x, l.y + r.y, l.z + r.z);
}
public static Vec3f operator -(Vec3f v)
{
return new Vec3f(-v.x, -v.y, -v.z);
}
public float length2()
{
return x * x + y * y + z * z;
}
public float length()
{
return (float)Math.Sqrt(length2());
}
}
public class Sphere
{
public Vec3f center, surfaceColor, emissionColor;
public float radius, radius2;
public float transparency, reflection;
public Sphere(Vec3f c, float r, Vec3f sc, float refl = 0, float transp = 0, Vec3f ec = null)
{
center = c; radius = r; radius2 = r * r;
surfaceColor = sc; emissionColor = (ec == null) ? new Vec3f(0) : ec;
transparency = transp; reflection = refl;
}
public Collision intersect(Vec3f rayorig, Vec3f raydir)
{
Vec3f l = center - rayorig;
float tca = l.dot(raydir);
if (tca < 0){ return new Collision(false); }
float d2 = l.dot(l) - tca * tca;
if (d2 > radius2){ return new Collision(false); }
Collision coll = new Collision(true);
float thc = (float)Math.Sqrt(radius2 - d2);
coll.t0 = tca - thc;
coll.t1 = tca + thc;
return coll;
}
}
public static float mix(float a, float b, float mix)
{
return b * mix + a * (1 - mix);
}
public static Vec3f trace(Vec3f rayorig, Vec3f raydir, Sphere[] spheres, int depth)
{
float tnear = FAR;
Sphere sphere = null;
foreach(Sphere i in spheres)
{
float t0 = FAR, t1 = FAR;
Collision coll = i.intersect(rayorig, raydir);
if (coll.collide)
{
if (coll.t0 < 0) { coll.t0 = coll.t1; }
if (coll.t0 < tnear) { tnear = coll.t0; sphere = i; }
}
}
if (sphere == null){ return new Vec3f(2); }
Vec3f surfaceColor = new Vec3f(0);
Vec3f phit = rayorig + raydir * tnear;
Vec3f nhit = phit - sphere.center;
nhit.normalize();
float bias = 1e-4f;
bool inside = false;
if (raydir.dot(nhit) > 0){ nhit = -nhit; inside = true; }
if ((sphere.transparency > 0 || sphere.reflection > 0) && depth < MAX_RAY_DEPTH)
{
float facingratio = -raydir.dot(nhit);
float fresneleffect = mix((float)Math.Pow(1 - facingratio, 3), 1, 0.1f);
Vec3f refldir = raydir - nhit * 2 * raydir.dot(nhit);
refldir.normalize();
Vec3f reflection = trace(phit + nhit * bias, refldir, spheres, depth + 1);
Vec3f refraction = new Vec3f(0);
if (sphere.transparency > 0)
{
float ior = 1.1f; float eta = 0;
if (inside){ eta = ior; } else { eta = 1 / ior; }
float cosi = -nhit.dot(raydir);
float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi);
Vec3f refrdir = raydir * eta + nhit * (eta * cosi - (float)Math.Sqrt(k));
refrdir.normalize();
refraction = trace(phit - nhit * bias, refrdir, spheres, depth + 1);
}
surfaceColor =
(
reflection * fresneleffect + refraction *
(1 - fresneleffect) * sphere.transparency) * sphere.surfaceColor;
}
else
{
foreach(Sphere i in spheres)
{
if (i.emissionColor.x > 0)
{
Vec3f transmission = new Vec3f(1);
Vec3f lightDirection = i.center - phit;
lightDirection.normalize();
foreach(Sphere j in spheres)
{
if (i != j)
{
Collision jcoll = j.intersect(phit + nhit * bias, lightDirection);
if (jcoll.collide)
{
transmission = new Vec3f(0);
break;
}
}
}
surfaceColor += sphere.surfaceColor * transmission * Math.Max(0, nhit.dot(lightDirection)) * i.emissionColor;
}
}
}
return surfaceColor;
}
public static void Render(Sphere[] spheres)
{
int width = 800, height = 600;
List<Vec3f> image = new List<Vec3f>();
float invWidth = 1 / width, invHeight = 1 / height;
float fov = 30, aspectratio = width / height;
float angle = (float)Math.Tan(Math.PI * 0.5 * fov / 180);
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for(int x = 0; x < width; x++)
{
float xx = (2 * ((x + 0.5f) * invWidth) - 1) * angle * aspectratio;
float yy = (1 - 2 * ((y + 0.5f) * invHeight)) * angle;
Vec3f raydir = new Vec3f(xx, yy, -1);
raydir.normalize();
image.Add(trace(new Vec3f(0), raydir, spheres, 0));
}
}
Console.Write("P3 800 600 255\r\n");
int line = 150;
for(int i = 0; i < width * height; ++i)
{
if(line <= 0) {line = 150; Console.Write("\r\n");}
line--;
Vec3f pixel = GetColor(image[i]);
Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z);
}
}
public static Vec3f GetColor(Vec3f col)
{
return new Vec3f(Math.Min(1, col.x)* 255, Math.Min(1, col.y)* 255, Math.Min(1, col.z)* 255);
}
}
}
有人看出哪里出了问题吗？
编辑
程序正在将描摹颜色写入控制台屏幕。然后我可以使用 windows 批处理文件写入 ppm 文件。
我正在使用 csc.exe 创建可执行文件
"csc.exe raytracer.cs"
和 运行 程序
"raytracer.exe > out.ppm"
您的 C# 代码存在的基本问题是在需要浮点结果的地方使用 int 值。就像在 C++ 代码中一样，原始 int 值在除法中使用它们之前被转换为 float，您也需要在 C# 代码中执行此操作。特别是，您的 invHeight、invWidth 和 aspectratio 计算都需要使用浮点数学而不是整数数学来执行：
float invWidth = 1f / width, invHeight = 1f / height;
float fov = 30, aspectratio = (float)width / height;
此外，您的文本输出实际上在像素之间缺少 spaces。在您的代码版本中，您可以通过在每个像素值之前插入 space 来解决此问题，除了一行中的第一个：
for(int i = 0; i < width * height; ++i)
{
if(line <= 0) {line = 150; Console.Write("\r\n");}
else if (line < 150) Console.Write(" ");
line--;
Vec3f pixel = GetColor(image[i]);
Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z);
}
当然，您也可以只写 space:
Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z + " ");
您在转换中也有一个小错误，您未能在 trace() 方法的末尾添加 sphere.emissionColor：
return surfaceColor + sphere.emissionColor;
这三个更改将修复您的代码并产生您想要的结果。
现在，也就是说，恕我直言，值得考虑一些其他更改。最值得注意的是对 Vec3f 和 Collision 使用 struct 类型而不是 class。与在 C++ 中 struct 和 class 之间唯一真正的区别是成员的默认可访问性不同，在 C# 中，这两种类型的基本行为非常不同。在这样的程序中，使用 struct 而不是 class 来表示这些经常使用的值可以显着提高性能，方法是最大限度地减少堆分配的数据量，尤其是仅临时存在且将需要的数据在您的程序尝试执行其他工作时由垃圾收集器收集。
您可能还想考虑将数据类型从 float 更改为 double。我用两种方式测试了代码；它对视觉输出没有影响，但我看到 double 渲染平均需要 2.1 秒，float 平均需要 2.8 秒。速度提高 25% 可能是您想要的。 :)
就 struct 与 class 问题而言，在我的测试中，使用更快的 double 类型进行算术运算，我发现使用 [= 速度提高了 36% =23=] 而不是 class（对这些类型使用 class 在 3.3 秒内运行，而使用 struct 在 2.1 秒内运行）。
同时，struct 可以修改值的类型可能会导致难以发现的错误。 struct 确实应该是不可变的，因此作为更改的一部分，我调整了类型以使其成为不可变的。这对于 Collision 类型来说相对简单，但在 Vec3f 的情况下，您的代码有许多地方修改了这些值（通过调用 normalize()）。为了使对不可变 struct 值的更改生效，这些都必须更改，以便使用 normalize() 方法的 return 值代替原始值。
我所做的其他更改包括：
- 删除
Vec3f() 构造函数。 struct 类型无论如何都不允许这样做，也不需要它，因为默认构造函数会做正确的事情。
- 将
t0 < 0 的碰撞检查移至 Collision 类型，以支持该类型的不变性。
- 将您的
Sphere 迭代循环改回使用整数索引，就像在原始 C++ 中一样。 foreach 语句涉及为每个循环分配一个枚举器；通过直接索引数组，你可以避免这些不必要的分配，这意味着变量名也更有意义（i 和 j 通常为索引保留，所以在它们代表的地方阅读代码很奇怪别的东西）。
- 我也在其他地方return将代码改回更类似于C++代码，例如
eta的初始化和排列更类似于C++代码的代码。
- 我将代码从使用
List<Vec3f> 更改为使用数组。这样效率更高，并且避免了必须定期为列表重新分配后备存储。
最后，我对程序的输出进行了重大更改。我没有兴趣等待控制台 window 打印所有输出，也没有兴趣尝试追踪并安装一个程序来读取和显示基于文本的图像输出。
因此，我更改了文本输出，使其仅写入内存中的字符串，并添加了代码，以便程序生成一个我可以直接打开的实际 PNG 文件，而无需经过第三方-派对节目。
总而言之，这就是我得到的：
这是我的代码的最终版本：
class Program
{
const int MAX_RAY_DEPTH = 8;
const float FAR = 100000000;
public static void Main(string[] args)
{
Sphere[] spheres = new Sphere[7];
spheres[0] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, -10004, -20), 10000, new Vec3f(0.20f, 0.20f, 0.20f), 0, 0.0f);
spheres[1] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, 0, -20), 4, new Vec3f(1.00f, 0.32f, 0.36f), 1, 0.5f);
spheres[2] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, -1, -15), 2, new Vec3f(0.90f, 0.76f, 0.46f), 1, 0.0f);
spheres[3] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, 0, -25), 3, new Vec3f(0.65f, 0.77f, 0.97f), 1, 0.0f);
spheres[4] = new Sphere(new Vec3f(-5.5f, 0, -15), 3, new Vec3f(0.90f, 0.90f, 0.90f), 1, 0.0f);
spheres[5] = new Sphere(new Vec3f( 2f, 2, -30), 4, new Vec3f(0.53f, 0.38f, 0.91f), 1, 0.7f);
spheres[6] = new Sphere(new Vec3f( 0, 20, -30), 3, new Vec3f(0.00f, 0.00f, 0.00f), 0, 0.0f, new Vec3f(3));
Render(spheres);
}
public struct Collision
{
public readonly float t0, t1;
public readonly bool collide;
public Collision(bool col, float tt0, float tt1)
{
t0 = tt0 < 0 ? tt1 : tt0;
t1 = tt1;
collide = col;
}
}
public struct Vec3f
{
public readonly float x, y, z;
public Vec3f(float v) { x = y = z = v; }
public Vec3f(float xx, float yy, float zz) { x = xx; y = yy; z = zz; }
public Vec3f normalize()
{
float nor2 = length2();
if (nor2 > 0)
{
float invNor = 1 / (float)Math.Sqrt(nor2);
return new Vec3f(x * invNor, y * invNor, z * invNor);
}
return this;
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x * r.x, l.y * r.y, l.z * r.z);
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, float r)
{
return new Vec3f(l.x * r, l.y * r, l.z * r);
}
public float dot(Vec3f v)
{
return x * v.x + y * v.y + z * v.z;
}
public static Vec3f operator -(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x - r.x, l.y - r.y, l.z - r.z);
}
public static Vec3f operator +(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x + r.x, l.y + r.y, l.z + r.z);
}
public static Vec3f operator -(Vec3f v)
{
return new Vec3f(-v.x, -v.y, -v.z);
}
public float length2()
{
return x * x + y * y + z * z;
}
public float length()
{
return (float)Math.Sqrt(length2());
}
}
public class Sphere
{
public readonly Vec3f center, surfaceColor, emissionColor;
public readonly float radius, radius2;
public readonly float transparency, reflection;
public Sphere(Vec3f c, float r, Vec3f sc, float refl = 0, float transp = 0, Vec3f? ec = null)
{
center = c; radius = r; radius2 = r * r;
surfaceColor = sc; emissionColor = (ec == null) ? new Vec3f() : ec.Value;
transparency = transp; reflection = refl;
}
public Collision intersect(Vec3f rayorig, Vec3f raydir)
{
Vec3f l = center - rayorig;
float tca = l.dot(raydir);
if (tca < 0) { return new Collision(); }
float d2 = l.dot(l) - tca * tca;
if (d2 > radius2) { return new Collision(); }
float thc = (float)Math.Sqrt(radius2 - d2);
return new Collision(true, tca - thc, tca + thc);
}
}
public static float mix(float a, float b, float mix)
{
return b * mix + a * (1 - mix);
}
public static Vec3f trace(Vec3f rayorig, Vec3f raydir, Sphere[] spheres, int depth)
{
float tnear = FAR;
Sphere sphere = null;
for (int i = 0; i < spheres.Length; i++)
{
Collision coll = spheres[i].intersect(rayorig, raydir);
if (coll.collide && coll.t0 < tnear)
{
tnear = coll.t0;
sphere = spheres[i];
}
}
if (sphere == null) { return new Vec3f(2); }
Vec3f surfaceColor = new Vec3f();
Vec3f phit = rayorig + raydir * tnear;
Vec3f nhit = (phit - sphere.center).normalize();
float bias = 1e-4f;
bool inside = false;
if (raydir.dot(nhit) > 0) { nhit = -nhit; inside = true; }
if ((sphere.transparency > 0 || sphere.reflection > 0) && depth < MAX_RAY_DEPTH)
{
float facingratio = -raydir.dot(nhit);
float fresneleffect = mix((float)Math.Pow(1 - facingratio, 3), 1, 0.1f);
Vec3f refldir = (raydir - nhit * 2 * raydir.dot(nhit)).normalize();
Vec3f reflection = trace(phit + nhit * bias, refldir, spheres, depth + 1);
Vec3f refraction = new Vec3f();
if (sphere.transparency > 0)
{
float ior = 1.1f; float eta = inside ? ior : 1 / ior;
float cosi = -nhit.dot(raydir);
float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi);
Vec3f refrdir = (raydir * eta + nhit * (eta * cosi - (float)Math.Sqrt(k))).normalize();
refraction = trace(phit - nhit * bias, refrdir, spheres, depth + 1);
}
surfaceColor = (
reflection * fresneleffect +
refraction * (1 - fresneleffect) * sphere.transparency) * sphere.surfaceColor;
}
else
{
for (int i = 0; i < spheres.Length; i++)
{
if (spheres[i].emissionColor.x > 0)
{
Vec3f transmission = new Vec3f(1);
Vec3f lightDirection = (spheres[i].center - phit).normalize();
for (int j = 0; j < spheres.Length; j++)
{
if (i != j)
{
Collision jcoll = spheres[j].intersect(phit + nhit * bias, lightDirection);
if (jcoll.collide)
{
transmission = new Vec3f();
break;
}
}
}
surfaceColor += sphere.surfaceColor * transmission *
Math.Max(0, nhit.dot(lightDirection)) * spheres[i].emissionColor;
}
}
}
return surfaceColor + sphere.emissionColor;
}
public static void Render(Sphere[] spheres)
{
int width = 800, height = 600;
Vec3f[] image = new Vec3f[width * height];
int pixelIndex = 0;
float invWidth = 1f / width, invHeight = 1f / height;
float fov = 30, aspectratio = (float)width / height;
float angle = (float)Math.Tan(Math.PI * 0.5 * fov / 180);
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for (int x = 0; x < width; x++, pixelIndex++)
{
float xx = (2 * ((x + 0.5f) * invWidth) - 1) * angle * aspectratio;
float yy = (1 - 2 * ((y + 0.5f) * invHeight)) * angle;
Vec3f raydir = new Vec3f(xx, yy, -1).normalize();
image[pixelIndex] = trace(new Vec3f(), raydir, spheres, 0);
}
}
StringWriter writer = new StringWriter();
WriteableBitmap bitmap = new WriteableBitmap(width, height, 96, 96, PixelFormats.Rgb24, null);
bitmap.Lock();
unsafe
{
byte* buffer = (byte*)bitmap.BackBuffer;
{
writer.Write("P3 800 600 255\r\n");
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for (int x = 0; x < width; ++x)
{
if (x > 0) { writer.Write(" "); }
Vec3f pixel = GetColor(image[y * width + x]);
writer.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z);
int bufferOffset = y * bitmap.BackBufferStride + x * 3;
buffer[bufferOffset] = (byte)pixel.x;
buffer[bufferOffset + 1] = (byte)pixel.y;
buffer[bufferOffset + 2] = (byte)pixel.z;
}
writer.WriteLine();
}
}
}
bitmap.Unlock();
var encoder = new PngBitmapEncoder();
using (Stream stream = File.OpenWrite("temp.png"))
{
encoder.Frames.Add(BitmapFrame.Create(bitmap));
encoder.Save(stream);
}
string result = writer.ToString();
}
public static Vec3f GetColor(Vec3f col)
{
return new Vec3f(Math.Min(1, col.x) * 255, Math.Min(1, col.y) * 255, Math.Min(1, col.z) * 255);
}
}
请注意，要编译以上内容，您需要在项目中添加对 PresentationCore、WindowsBase 和 System.Xaml 程序集的引用。您还需要检查项目设置中的 "Allow unsafe code" 选项。
我有一个问题：我读过 article on scratchapixel 的光线追踪 C++ 代码。 C++没问题。我尝试将其转换为 Python，它起作用了（结果慢 17 倍，分辨率降低 4 倍）。我试图将其转换为 C#，但我的代码无法正常工作。我唯一能看到的是一张空白的白色 800x600 图片。请参阅之前链接的文章以获取 C++ 代码。
这是我对它作为 C# 代码的解释：
using System;
using System.Collections.Generic;
namespace raytracer
{
class Program
{
const int MAX_RAY_DEPTH = 8;
const float FAR = 100000000;
public static void Main(string[] args)
{
Sphere[] spheres = new Sphere[7];
spheres[0] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, -10004, -20), 10000, new Vec3f(0.20f, 0.20f, 0.20f), 0, 0.0f);
spheres[1] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, 0, -20), 4, new Vec3f(1.00f, 0.32f, 0.36f), 1, 0.5f);
spheres[2] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, -1, -15), 2, new Vec3f(0.90f, 0.76f, 0.46f), 1, 0.0f);
spheres[3] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, 0, -25), 3, new Vec3f(0.65f, 0.77f, 0.97f), 1, 0.0f);
spheres[4] = new Sphere(new Vec3f(-5.5f, 0, -15), 3, new Vec3f(0.90f, 0.90f, 0.90f), 1, 0.0f);
spheres[5] = new Sphere(new Vec3f( 2f, 2, -30), 4, new Vec3f(0.53f, 0.38f, 0.91f), 1, 0.7f);
spheres[6] = new Sphere(new Vec3f( 0, 20, -25), 3, new Vec3f(0.00f, 0.00f, 0.00f), 0, 0.0f, new Vec3f(3));
Render(spheres);
}
public class Collision
{
public float t0, t1;
public bool collide;
public Collision(bool col, float tt0 = 0, float tt1 = 0)
{
t0 = tt0;
t1 = tt1;
collide = col;
}
}
public class Vec3f
{
public float x, y, z;
public Vec3f(){ x = y = z = 0; }
public Vec3f(float v){ x = y = z = v; }
public Vec3f(float xx, float yy, float zz){ x = xx; y = yy; z = zz; }
public Vec3f normalize()
{
float nor2 = length2();
if (nor2 > 0)
{
float invNor = 1 / (float)Math.Sqrt(nor2);
x *= invNor; y *= invNor; z *= invNor;
}
return this;
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x * r.x, l.y * r.y, l.z * r.z);
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, float r)
{
return new Vec3f(l.x * r, l.y * r, l.z * r);
}
public float dot(Vec3f v)
{
return x * v.x + y * v.y + z * v.z;
}
public static Vec3f operator -(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x - r.x, l.y - r.y, l.z - r.z);
}
public static Vec3f operator +(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x + r.x, l.y + r.y, l.z + r.z);
}
public static Vec3f operator -(Vec3f v)
{
return new Vec3f(-v.x, -v.y, -v.z);
}
public float length2()
{
return x * x + y * y + z * z;
}
public float length()
{
return (float)Math.Sqrt(length2());
}
}
public class Sphere
{
public Vec3f center, surfaceColor, emissionColor;
public float radius, radius2;
public float transparency, reflection;
public Sphere(Vec3f c, float r, Vec3f sc, float refl = 0, float transp = 0, Vec3f ec = null)
{
center = c; radius = r; radius2 = r * r;
surfaceColor = sc; emissionColor = (ec == null) ? new Vec3f(0) : ec;
transparency = transp; reflection = refl;
}
public Collision intersect(Vec3f rayorig, Vec3f raydir)
{
Vec3f l = center - rayorig;
float tca = l.dot(raydir);
if (tca < 0){ return new Collision(false); }
float d2 = l.dot(l) - tca * tca;
if (d2 > radius2){ return new Collision(false); }
Collision coll = new Collision(true);
float thc = (float)Math.Sqrt(radius2 - d2);
coll.t0 = tca - thc;
coll.t1 = tca + thc;
return coll;
}
}
public static float mix(float a, float b, float mix)
{
return b * mix + a * (1 - mix);
}
public static Vec3f trace(Vec3f rayorig, Vec3f raydir, Sphere[] spheres, int depth)
{
float tnear = FAR;
Sphere sphere = null;
foreach(Sphere i in spheres)
{
float t0 = FAR, t1 = FAR;
Collision coll = i.intersect(rayorig, raydir);
if (coll.collide)
{
if (coll.t0 < 0) { coll.t0 = coll.t1; }
if (coll.t0 < tnear) { tnear = coll.t0; sphere = i; }
}
}
if (sphere == null){ return new Vec3f(2); }
Vec3f surfaceColor = new Vec3f(0);
Vec3f phit = rayorig + raydir * tnear;
Vec3f nhit = phit - sphere.center;
nhit.normalize();
float bias = 1e-4f;
bool inside = false;
if (raydir.dot(nhit) > 0){ nhit = -nhit; inside = true; }
if ((sphere.transparency > 0 || sphere.reflection > 0) && depth < MAX_RAY_DEPTH)
{
float facingratio = -raydir.dot(nhit);
float fresneleffect = mix((float)Math.Pow(1 - facingratio, 3), 1, 0.1f);
Vec3f refldir = raydir - nhit * 2 * raydir.dot(nhit);
refldir.normalize();
Vec3f reflection = trace(phit + nhit * bias, refldir, spheres, depth + 1);
Vec3f refraction = new Vec3f(0);
if (sphere.transparency > 0)
{
float ior = 1.1f; float eta = 0;
if (inside){ eta = ior; } else { eta = 1 / ior; }
float cosi = -nhit.dot(raydir);
float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi);
Vec3f refrdir = raydir * eta + nhit * (eta * cosi - (float)Math.Sqrt(k));
refrdir.normalize();
refraction = trace(phit - nhit * bias, refrdir, spheres, depth + 1);
}
surfaceColor =
(
reflection * fresneleffect + refraction *
(1 - fresneleffect) * sphere.transparency) * sphere.surfaceColor;
}
else
{
foreach(Sphere i in spheres)
{
if (i.emissionColor.x > 0)
{
Vec3f transmission = new Vec3f(1);
Vec3f lightDirection = i.center - phit;
lightDirection.normalize();
foreach(Sphere j in spheres)
{
if (i != j)
{
Collision jcoll = j.intersect(phit + nhit * bias, lightDirection);
if (jcoll.collide)
{
transmission = new Vec3f(0);
break;
}
}
}
surfaceColor += sphere.surfaceColor * transmission * Math.Max(0, nhit.dot(lightDirection)) * i.emissionColor;
}
}
}
return surfaceColor;
}
public static void Render(Sphere[] spheres)
{
int width = 800, height = 600;
List<Vec3f> image = new List<Vec3f>();
float invWidth = 1 / width, invHeight = 1 / height;
float fov = 30, aspectratio = width / height;
float angle = (float)Math.Tan(Math.PI * 0.5 * fov / 180);
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for(int x = 0; x < width; x++)
{
float xx = (2 * ((x + 0.5f) * invWidth) - 1) * angle * aspectratio;
float yy = (1 - 2 * ((y + 0.5f) * invHeight)) * angle;
Vec3f raydir = new Vec3f(xx, yy, -1);
raydir.normalize();
image.Add(trace(new Vec3f(0), raydir, spheres, 0));
}
}
Console.Write("P3 800 600 255\r\n");
int line = 150;
for(int i = 0; i < width * height; ++i)
{
if(line <= 0) {line = 150; Console.Write("\r\n");}
line--;
Vec3f pixel = GetColor(image[i]);
Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z);
}
}
public static Vec3f GetColor(Vec3f col)
{
return new Vec3f(Math.Min(1, col.x)* 255, Math.Min(1, col.y)* 255, Math.Min(1, col.z)* 255);
}
}
}
有人看出哪里出了问题吗？
编辑 程序正在将描摹颜色写入控制台屏幕。然后我可以使用 windows 批处理文件写入 ppm 文件。 我正在使用 csc.exe 创建可执行文件 "csc.exe raytracer.cs" 和 运行 程序 "raytracer.exe > out.ppm"
您的 C# 代码存在的基本问题是在需要浮点结果的地方使用 int 值。就像在 C++ 代码中一样，原始 int 值在除法中使用它们之前被转换为 float，您也需要在 C# 代码中执行此操作。特别是，您的 invHeight、invWidth 和 aspectratio 计算都需要使用浮点数学而不是整数数学来执行：
float invWidth = 1f / width, invHeight = 1f / height;
float fov = 30, aspectratio = (float)width / height;
此外，您的文本输出实际上在像素之间缺少 spaces。在您的代码版本中，您可以通过在每个像素值之前插入 space 来解决此问题，除了一行中的第一个：
for(int i = 0; i < width * height; ++i)
{
if(line <= 0) {line = 150; Console.Write("\r\n");}
else if (line < 150) Console.Write(" ");
line--;
Vec3f pixel = GetColor(image[i]);
Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z);
}
当然，您也可以只写 space:
Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z + " ");
您在转换中也有一个小错误，您未能在 trace() 方法的末尾添加 sphere.emissionColor：
return surfaceColor + sphere.emissionColor;
这三个更改将修复您的代码并产生您想要的结果。
现在，也就是说，恕我直言，值得考虑一些其他更改。最值得注意的是对 Vec3f 和 Collision 使用 struct 类型而不是 class。与在 C++ 中 struct 和 class 之间唯一真正的区别是成员的默认可访问性不同，在 C# 中，这两种类型的基本行为非常不同。在这样的程序中，使用 struct 而不是 class 来表示这些经常使用的值可以显着提高性能，方法是最大限度地减少堆分配的数据量，尤其是仅临时存在且将需要的数据在您的程序尝试执行其他工作时由垃圾收集器收集。
您可能还想考虑将数据类型从 float 更改为 double。我用两种方式测试了代码；它对视觉输出没有影响，但我看到 double 渲染平均需要 2.1 秒，float 平均需要 2.8 秒。速度提高 25% 可能是您想要的。 :)
就 struct 与 class 问题而言，在我的测试中，使用更快的 double 类型进行算术运算，我发现使用 [= 速度提高了 36% =23=] 而不是 class（对这些类型使用 class 在 3.3 秒内运行，而使用 struct 在 2.1 秒内运行）。
同时，struct 可以修改值的类型可能会导致难以发现的错误。 struct 确实应该是不可变的，因此作为更改的一部分，我调整了类型以使其成为不可变的。这对于 Collision 类型来说相对简单，但在 Vec3f 的情况下，您的代码有许多地方修改了这些值（通过调用 normalize()）。为了使对不可变 struct 值的更改生效，这些都必须更改，以便使用 normalize() 方法的 return 值代替原始值。
我所做的其他更改包括：
- 删除
Vec3f()构造函数。struct类型无论如何都不允许这样做，也不需要它，因为默认构造函数会做正确的事情。 - 将
t0 < 0的碰撞检查移至Collision类型，以支持该类型的不变性。 - 将您的
Sphere迭代循环改回使用整数索引，就像在原始 C++ 中一样。foreach语句涉及为每个循环分配一个枚举器；通过直接索引数组，你可以避免这些不必要的分配，这意味着变量名也更有意义（i和j通常为索引保留，所以在它们代表的地方阅读代码很奇怪别的东西）。 - 我也在其他地方return将代码改回更类似于C++代码，例如
eta的初始化和排列更类似于C++代码的代码。 - 我将代码从使用
List<Vec3f>更改为使用数组。这样效率更高，并且避免了必须定期为列表重新分配后备存储。
最后，我对程序的输出进行了重大更改。我没有兴趣等待控制台 window 打印所有输出，也没有兴趣尝试追踪并安装一个程序来读取和显示基于文本的图像输出。
因此，我更改了文本输出，使其仅写入内存中的字符串，并添加了代码，以便程序生成一个我可以直接打开的实际 PNG 文件，而无需经过第三方-派对节目。
总而言之，这就是我得到的：
这是我的代码的最终版本：
class Program
{
const int MAX_RAY_DEPTH = 8;
const float FAR = 100000000;
public static void Main(string[] args)
{
Sphere[] spheres = new Sphere[7];
spheres[0] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, -10004, -20), 10000, new Vec3f(0.20f, 0.20f, 0.20f), 0, 0.0f);
spheres[1] = new Sphere(new Vec3f( 0.0f, 0, -20), 4, new Vec3f(1.00f, 0.32f, 0.36f), 1, 0.5f);
spheres[2] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, -1, -15), 2, new Vec3f(0.90f, 0.76f, 0.46f), 1, 0.0f);
spheres[3] = new Sphere(new Vec3f( 5.0f, 0, -25), 3, new Vec3f(0.65f, 0.77f, 0.97f), 1, 0.0f);
spheres[4] = new Sphere(new Vec3f(-5.5f, 0, -15), 3, new Vec3f(0.90f, 0.90f, 0.90f), 1, 0.0f);
spheres[5] = new Sphere(new Vec3f( 2f, 2, -30), 4, new Vec3f(0.53f, 0.38f, 0.91f), 1, 0.7f);
spheres[6] = new Sphere(new Vec3f( 0, 20, -30), 3, new Vec3f(0.00f, 0.00f, 0.00f), 0, 0.0f, new Vec3f(3));
Render(spheres);
}
public struct Collision
{
public readonly float t0, t1;
public readonly bool collide;
public Collision(bool col, float tt0, float tt1)
{
t0 = tt0 < 0 ? tt1 : tt0;
t1 = tt1;
collide = col;
}
}
public struct Vec3f
{
public readonly float x, y, z;
public Vec3f(float v) { x = y = z = v; }
public Vec3f(float xx, float yy, float zz) { x = xx; y = yy; z = zz; }
public Vec3f normalize()
{
float nor2 = length2();
if (nor2 > 0)
{
float invNor = 1 / (float)Math.Sqrt(nor2);
return new Vec3f(x * invNor, y * invNor, z * invNor);
}
return this;
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x * r.x, l.y * r.y, l.z * r.z);
}
public static Vec3f operator *(Vec3f l, float r)
{
return new Vec3f(l.x * r, l.y * r, l.z * r);
}
public float dot(Vec3f v)
{
return x * v.x + y * v.y + z * v.z;
}
public static Vec3f operator -(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x - r.x, l.y - r.y, l.z - r.z);
}
public static Vec3f operator +(Vec3f l, Vec3f r)
{
return new Vec3f(l.x + r.x, l.y + r.y, l.z + r.z);
}
public static Vec3f operator -(Vec3f v)
{
return new Vec3f(-v.x, -v.y, -v.z);
}
public float length2()
{
return x * x + y * y + z * z;
}
public float length()
{
return (float)Math.Sqrt(length2());
}
}
public class Sphere
{
public readonly Vec3f center, surfaceColor, emissionColor;
public readonly float radius, radius2;
public readonly float transparency, reflection;
public Sphere(Vec3f c, float r, Vec3f sc, float refl = 0, float transp = 0, Vec3f? ec = null)
{
center = c; radius = r; radius2 = r * r;
surfaceColor = sc; emissionColor = (ec == null) ? new Vec3f() : ec.Value;
transparency = transp; reflection = refl;
}
public Collision intersect(Vec3f rayorig, Vec3f raydir)
{
Vec3f l = center - rayorig;
float tca = l.dot(raydir);
if (tca < 0) { return new Collision(); }
float d2 = l.dot(l) - tca * tca;
if (d2 > radius2) { return new Collision(); }
float thc = (float)Math.Sqrt(radius2 - d2);
return new Collision(true, tca - thc, tca + thc);
}
}
public static float mix(float a, float b, float mix)
{
return b * mix + a * (1 - mix);
}
public static Vec3f trace(Vec3f rayorig, Vec3f raydir, Sphere[] spheres, int depth)
{
float tnear = FAR;
Sphere sphere = null;
for (int i = 0; i < spheres.Length; i++)
{
Collision coll = spheres[i].intersect(rayorig, raydir);
if (coll.collide && coll.t0 < tnear)
{
tnear = coll.t0;
sphere = spheres[i];
}
}
if (sphere == null) { return new Vec3f(2); }
Vec3f surfaceColor = new Vec3f();
Vec3f phit = rayorig + raydir * tnear;
Vec3f nhit = (phit - sphere.center).normalize();
float bias = 1e-4f;
bool inside = false;
if (raydir.dot(nhit) > 0) { nhit = -nhit; inside = true; }
if ((sphere.transparency > 0 || sphere.reflection > 0) && depth < MAX_RAY_DEPTH)
{
float facingratio = -raydir.dot(nhit);
float fresneleffect = mix((float)Math.Pow(1 - facingratio, 3), 1, 0.1f);
Vec3f refldir = (raydir - nhit * 2 * raydir.dot(nhit)).normalize();
Vec3f reflection = trace(phit + nhit * bias, refldir, spheres, depth + 1);
Vec3f refraction = new Vec3f();
if (sphere.transparency > 0)
{
float ior = 1.1f; float eta = inside ? ior : 1 / ior;
float cosi = -nhit.dot(raydir);
float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi);
Vec3f refrdir = (raydir * eta + nhit * (eta * cosi - (float)Math.Sqrt(k))).normalize();
refraction = trace(phit - nhit * bias, refrdir, spheres, depth + 1);
}
surfaceColor = (
reflection * fresneleffect +
refraction * (1 - fresneleffect) * sphere.transparency) * sphere.surfaceColor;
}
else
{
for (int i = 0; i < spheres.Length; i++)
{
if (spheres[i].emissionColor.x > 0)
{
Vec3f transmission = new Vec3f(1);
Vec3f lightDirection = (spheres[i].center - phit).normalize();
for (int j = 0; j < spheres.Length; j++)
{
if (i != j)
{
Collision jcoll = spheres[j].intersect(phit + nhit * bias, lightDirection);
if (jcoll.collide)
{
transmission = new Vec3f();
break;
}
}
}
surfaceColor += sphere.surfaceColor * transmission *
Math.Max(0, nhit.dot(lightDirection)) * spheres[i].emissionColor;
}
}
}
return surfaceColor + sphere.emissionColor;
}
public static void Render(Sphere[] spheres)
{
int width = 800, height = 600;
Vec3f[] image = new Vec3f[width * height];
int pixelIndex = 0;
float invWidth = 1f / width, invHeight = 1f / height;
float fov = 30, aspectratio = (float)width / height;
float angle = (float)Math.Tan(Math.PI * 0.5 * fov / 180);
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for (int x = 0; x < width; x++, pixelIndex++)
{
float xx = (2 * ((x + 0.5f) * invWidth) - 1) * angle * aspectratio;
float yy = (1 - 2 * ((y + 0.5f) * invHeight)) * angle;
Vec3f raydir = new Vec3f(xx, yy, -1).normalize();
image[pixelIndex] = trace(new Vec3f(), raydir, spheres, 0);
}
}
StringWriter writer = new StringWriter();
WriteableBitmap bitmap = new WriteableBitmap(width, height, 96, 96, PixelFormats.Rgb24, null);
bitmap.Lock();
unsafe
{
byte* buffer = (byte*)bitmap.BackBuffer;
{
writer.Write("P3 800 600 255\r\n");
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for (int x = 0; x < width; ++x)
{
if (x > 0) { writer.Write(" "); }
Vec3f pixel = GetColor(image[y * width + x]);
writer.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z);
int bufferOffset = y * bitmap.BackBufferStride + x * 3;
buffer[bufferOffset] = (byte)pixel.x;
buffer[bufferOffset + 1] = (byte)pixel.y;
buffer[bufferOffset + 2] = (byte)pixel.z;
}
writer.WriteLine();
}
}
}
bitmap.Unlock();
var encoder = new PngBitmapEncoder();
using (Stream stream = File.OpenWrite("temp.png"))
{
encoder.Frames.Add(BitmapFrame.Create(bitmap));
encoder.Save(stream);
}
string result = writer.ToString();
}
public static Vec3f GetColor(Vec3f col)
{
return new Vec3f(Math.Min(1, col.x) * 255, Math.Min(1, col.y) * 255, Math.Min(1, col.z) * 255);
}
}
请注意，要编译以上内容，您需要在项目中添加对 PresentationCore、WindowsBase 和 System.Xaml 程序集的引用。您还需要检查项目设置中的 "Allow unsafe code" 选项。