c++ - 为什么我的光线追踪器出现如此严重的边缘扭曲？

Question

我正在从头开始编写光线追踪器。该示例使用射线球体相交检测来渲染两个球体。当球体靠近屏幕中心时，它们看起来很好。但是，当我移动相机，或者调整球体位置以使它们更靠近边缘时，它们会变形。

这是光线转换代码:

void Renderer::RenderThread(int start, int span)
{

    // pCamera holds the position, rotation, and fov of the camera
    // pRenderTarget is the screen to render to

    // calculate the camera space to world space matrix
    Mat4 camSpaceMatrix = Mat4::Get3DTranslation(pCamera->position.x, pCamera->position.y, pCamera->position.z) *
        Mat4::GetRotation(pCamera->rotation.x, pCamera->rotation.y, pCamera->rotation.z);

    // use the cameras origin as the rays origin
    Vec3 origin(0, 0, 0);
    origin = (camSpaceMatrix * origin.Vec4()).Vec3();

    // this for loop loops over all the pixels on the screen
    for ( int p = start; p < start + span; ++p ) {

        // get the pixel coordinates on the screen
        int px = p % pRenderTarget->GetWidth();
        int py = p / pRenderTarget->GetWidth();

        // in ray tracing, ndc space is from [0, 1]
        Vec2 ndc((px + 0.75f) / pRenderTarget->GetWidth(), (py + 0.75f) / pRenderTarget->GetHeight());

        // in ray tracing, screen space is [-1, 1]
        Vec2 screen(2 * ndc.x - 1, 1 - 2 * ndc.y);

        // scale x by aspect ratio
        screen.x *= (float)pRenderTarget->GetWidth() / pRenderTarget->GetHeight();

        // scale screen by the field of view
        // fov is currently set to 90
        screen *= tan((pCamera->fov / 2) * (PI / 180));

        // screen point is the pixels point in camera space,
        // give a z value of -1
        Vec3 camSpace(screen.x, screen.y, -1);
        camSpace = (camSpaceMatrix * camSpace.Vec4()).Vec3();

        // the rays direction is its point on the cameras viewing plane
        // minus the cameras origin
        Vec3 dir = (camSpace - origin).Normalized();

        Ray ray = { origin, dir };

        // find where the ray intersects with the spheres
        // using ray-sphere intersection algorithm
        Vec4 color = TraceRay(ray);
        pRenderTarget->PutPixel(px, py, color);
    }

}

FOV 设置为 90。我见过其他人也遇到过这个问题，但那是因为他们使用了非常高的 FOV 值。我认为 90 应该不会有问题。即使相机根本没有移动，这个问题仍然存在。任何靠近屏幕边缘的对象都会出现扭曲。

Answer 1

当有疑问时，您可以随时查看其他渲染器正在做什么。我总是将我的结果和设置与 Blender 进行比较。例如，Blender 2.82 的默认视野为 39.6 度。

我也想指出这是错误的:

 Vec2 ndc((px + 0.75f) / pRenderTarget->GetWidth(), (py + 0.75f) / pRenderTarget->GetHeight());

如果你想获取像素的中心，那么它应该是0.5f:

 Vec2 ndc((px + 0.5f) / pRenderTarget->GetWidth(), (py + 0.5f) / pRenderTarget->GetHeight());

另外，这确实是一件挑剔的事情，你的间隔是开间隔而不是闭间隔(正如你在源代码注释中提到的)。图像平面坐标永远不会达到 0 或 1 并且你的相机空间坐标永远不会完全为-1或1。最终，图像平面坐标将转换为像素坐标，它是左闭区间[0, width)和[0, height)。

祝你的光线追踪器好运!