[MetalKit]Ray tracing in a Swift

本系列文章是对 http://metalkit.org 上面MetalKit内容的全面翻译和学习.

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让我们继续上周的工作完成ray tracer射线追踪器.如果我们想要用更多不同材料来渲染球体,Peter Shirley推荐创建一个囊括了行为的抽象材料类.我自己作为一个计算机科学家,再同意不过了!

material类能让我们产生一个扩散射线并用它的反射系数来计算计算吸收多少减弱多少.让我们创建一个新文件命名为material.swift或其他你喜欢的名字.在这个文件里边,让我们创建一个protocol协议,以适用于Swift中的抽象类:

protocol material {
    func scatter(ray_in: ray, _ rec: hit_record, inout _ attenuation: float3, inout _ scattered: ray) -> Bool
}

现在我们有了material的蓝图,我们可以渲染我们的漫反射(Lambertian郎伯特)球体,只要用一个遵守material协议的新的类就可以了.我们给它一个衰减因子,一个初始化方法,并实现协议中的scatter方法:

class lambertian: material {
    var albedo: float3
    init(a: float3) {
        albedo = a
    }
    func scatter(ray_in: ray, _ rec: hit_record, inout _ attenuation: float3, inout _ scattered: ray) -> Bool {
        let target = rec.p + rec.normal + random_in_unit_sphere()
        scattered = ray(origin: rec.p, direction: target - rec.p)
        attenuation = albedo
        return true
    }
}

对于metallic金属质地材料,射线并不是像Lambertian材料那样随机扩散到其它方向,而是几乎以入射角相同的度数沿法线进行反射,同样的,我们的类有一个衰减因子,一个初始化方法,scatter函数,还有一个fuzz模糊因子,可以用它来调节材料表面反射,从高反射率到几乎不反射都可调整:

class metal: material {
    var albedo: float3
    var fuzz: Float
    init(a: float3, f: Float) {
        albedo = a
        if f < 1 {
            fuzz = f
        } else {
            fuzz = 1
        }
    }
    func scatter(ray_in: ray, _ rec: hit_record, inout _ attenuation: float3, inout _ scattered: ray) -> Bool {
        let reflected = reflect(normalize(ray_in.direction), n: rec.normal)
        scattered = ray(origin: rec.p, direction: reflected + fuzz * random_in_unit_sphere())
        attenuation = albedo
        return dot(scattered.direction, rec.normal) > 0
    }
}

我们还需要在objects.swift文件中的hit_record结构体中,加一个指向material颜色的指针.当我们稍后计算出颜色后可以更新指针:

var mat_ptr: material

下一步,我们需要调整ray.swift文件中的color()函数,将material指针考虑进去.注意我们还添加了一个depth深度因子,这样当射线接触到物体时我们就能够通过递归调用这个函数来更精确地计算颜色:

func color(r: ray, _ world: hitable, _ depth: Int) -> float3 {
    var rec = hit_record()
    if world.hit(r, 0.001, Float.infinity, &rec) {
        var scattered = r
        var attenuantion = float3()
        if depth < 50 && rec.mat_ptr.scatter(r, rec, &attenuantion, &scattered) {
            return attenuantion * color(scattered, world, depth + 1)
        } else {
            return float3(x: 0, y: 0, z: 0)
        }
    } else {
        let unit_direction = normalize(r.direction)
        let t = 0.5 * (unit_direction.y + 1)
        return (1.0 - t) * float3(x: 1, y: 1, z: 1) + t * float3(x: 0.5, y: 0.7, z: 1.0)
    }
}

最后,在pixel.swift文件中,我们可以用我们新的material类来创建多个物体:

var object = sphere(c: float3(x: 0, y: -100.5, z: -1), r: 100, m: lambertian(a: float3(x: 0, y: 0.7, z: 0.3)))
world.add(object)
object = sphere(c: float3(x: 1, y: 0, z: -1.1), r: 0.5, m: metal(a: float3(x: 0.8, y: 0.6, z: 0.2), f: 0.7))
world.add(object)
object = sphere(c: float3(x: -1, y: 0, z: -1.1), r: 0.5, m: metal(a: float3(x: 0.8, y: 0.8, z: 0.8), f: 0.1))
world.add(object)
object = sphere(c: float3(x: 0, y: 0, z: -1), r: 0.5, m: lambertian(a: float3(x: 0.3, y: 0, z: 0)))
world.add(object)

在playground主页面中,看看新产生的图像:

raytracing7.png

敬请期待本系列的下一部分,我们将会深入研究不同类型的材料及如何旋转摄像机来获得更好的观察角度,这样两边的球体将不会看起来扭曲了.
源代码source code 已发布在Github上.
下次见!