一种在基于路径追踪（Path_Tracing）的软光追渲染器中实现透射和折射的有效实现方案
软光追渲染器Demo的链接：
建议先了解软光追的实现原理过程再看，这里只是介绍实现折射的原理，完整代码在上面demo！！
展示
上图：
其中有聚焦效果，说明实现没有问题：
原理详细介绍
主要需要看下面的图
最终的目的是计算出
Color(light_in)的颜色,而这个颜色来源是反射颜色Color(reflect)和折射颜色Color(refract_light)的加权和，只需要用菲尼尔效应计算出各自的占比就行了，
1.反射光使用镜面反射的方式直接计算得出（项目里有详细代码）
2.折射光refract进去后需要重新找交点， 在出去的点再次计算出折射方向，形成一个新光线继续递归计算颜色，就得到了Color(refract_light)的值（注意向量都是由着色点为起点的）
所以材质类里面的一些函数如下：
菲尼尔:
void fresnel(const Vector3f &in, const Vector3f &N, float &ior, float &kr) //kr是反射的比例
{
in.normalized();
N.normalized();
float Ro = ((1.0 - ior) / (1.0 + ior)) * ((1.0 - ior) / (1.0 + ior));
float costheta = clamp( 0.0f , 1.0 , dotProduct(N, in));
float t = (1.0 - costheta) * (1.0 - costheta);
kr = Ro + (1 - Ro) * t;
return;
}
计算折射方向（考虑了全反射和射出和射入的方向）
Vector3f refract(const Vector3f &II, const Vector3f &N, const float &ior)
{
Vector3f I = II * -1;
// 计算入射角的余弦值
float cosi = clamp(-1, 1, dotProduct(I, N));
// 确定折射率比和法线方向
float etai = 1, etat = ior;
Vector3f n = N;
if (cosi < 0)cosi = -cosi; // 入射光线从外部进入物体内部
else{std::swap(etai, etat); n = N * -1;}
// 计算折射率比
float eta = etai / etat;
// 计算折射后的光线方向
float k = 1 - eta * eta * (1 - cosi * cosi);
if (k < 0) return Vector3f(0.0f);
else{
// 计算折射光线的方向
return (I* eta + ( n * (eta * cosi - sqrtf(k)))).normalized();
}
}
getBRDF需要加一个新的，因为射入时需要表面的材质颜色和射出不需要，所以要分开
Vector3f GetRefracBRDF(const Vector3f& wi, const Vector3f& wo, const Vector3f& N , int flag)
{
switch (flag)
{
case 1:
{
float ans = dotProduct(wo, N);
if (ans > 0.0f)
{
Vector3f res = 1.0 / ans;
return res;
}
return Vector3f(0);
}
case 2:
{
float ans = dotProduct(wo, N);
if (ans > 0.0f)
{
Vector3f res = 1.0 / ans;
res = (res * Kd);
return res;
}
return Vector3f(0);
break;
}
default:
break;
}
}
PDF的话， 如果角度正确就返回1
float pdf(const Vector3f &wi, const Vector3f &wo, const Vector3f &N)
{
switch (this->mtype)
{
case MIRCO:
case DIFFUSE:
{
float ans = dotProduct(wo, N);
if (ans > 0.0f)
{
return 0.5f / M_PI;
}
return 0.0f;
break;
}
case REFRACT: // 这个是折射的pdf
{
float ans = dotProduct(wo, N);
if (ans > 0.0)
{
return 1.0;
}
return 0.0f;
break;
}
case REFLC:
{
float ans = dotProduct(wo, N);
if (ans > 0.0)
{
return 1.0;
}
return 0.0f;
break;
}
default:
break;
}
}
其中操作这些函数的Scene.cpp类
//Path Tracing
Vector3f Scene::PathTracing( Ray &ray, int depth)
{
Vector3f L_dir(0.0), L_indir(0.0);
//if (depth >= 1)return L_dir;
HitPoint hit_to_scene;
hit_to_scene.happened = false;
Scene::FindHit(ray , hit_to_scene);
if (!hit_to_scene.happened) return Vector3f(0);
if (hit_to_scene.m->islight) return hit_to_scene.m->lightIntensity;
//取出所有光线在场景的第一个交点的信息
Vector3f hit_pos = hit_to_scene.hitcoord;
Vector3f N = hit_to_scene.hitN.normalized();
Material * mat = hit_to_scene.m;
Vector3f wi = (ray.dir * -1).normalized();
switch (mat->mtype)
{
case REFLC:
{
// 详细看项目代码
}
case MIRCO:
case DIFFUSE:
{
// 详细看项目代码
}
case REFRACT: //折射代码
{
float gs = RandomFloat();
if( gs < RussianRoulette)
{
Vector3f Color_rflcet(0), Color_rfract(0);
float K = 0.0;
mat->fresnel(wi, N, mat->ior, K);
//计算折射颜色
Vector3f futureDir1 = mat->refract(wi, N , mat->ior);
Ray newRay1(hit_pos - (N * 0.001), futureDir1);
HitPoint test1;
test1.happened = false;
FindHit(newRay1, test1);
if (test1.happened)
{
//取出所有光线在出去的点的信息
Vector3f hitpos = test1.hitcoord;
Vector3f nn = test1.hitN.normalized();
Material* mt = test1.m;
Vector3f new_wi = (newRay1.dir * -1).normalized();
Vector3f futureOutDir = mt->refract(new_wi, nn, mt->ior);
if (!(!futureOutDir.x && !futureOutDir.y && !futureOutDir.z)) {
//折射后射出去的光线
Ray outRay(hitpos + (nn * 0.001), futureOutDir);
HitPoint Obj_rfract_hit;
FindHit(outRay, Obj_rfract_hit);
if (Obj_rfract_hit.happened)
{
Vector3f Brdf_ = mt->GetRefracBRDF(new_wi, futureOutDir, nn , 1);
float costheta4 = dotProduct(futureOutDir, nn);
float Pdf_ = mt->pdf(new_wi, futureOutDir, nn);
if (Pdf_ > 0.0001)
Color_rfract = PathTracing(outRay, depth + 1) * Brdf_ * costheta4 / Pdf_ / RussianRoulette;
}
}
}
//计算折射体表面反射的颜色
Vector3f futureDir2 = mat->GetFutureDir(wi, N);
Ray newRay2(hit_pos, futureDir2);
HitPoint test2;
FindHit(newRay2, test2);
if (test2.happened)
{
Vector3f brdf_ = mat->GetRefracBRDF(wi, futureDir2, N , 2);
float costheta5 = dotProduct(futureDir2, N);
float pdf_ = mat->pdf(wi, futureDir2, N);
if (pdf_ > 0.0001)
Color_rflcet = PathTracing(newRay2, depth + 1) * brdf_ * costheta5 / pdf_ / RussianRoulette;
}
L_indir = (Color_rfract) * (1 - K) + (Color_rflcet)*K;
}
break;
}
default:
break;
}
Vector3f res = L_dir + L_indir;
res.x = clamp(0.0, 14, res.x);
res.y = clamp(0.0, 14, res.y);
res.z = clamp(0.0, 14, res.z);
return res;
}
这样就成功的得到了反射和折射的颜色，使用K 加权求和就是最终的Color
