c# - 光线追踪器未产生预期的输出

Question

我有一个问题：我已经阅读了使用C ++代码进行光线跟踪的article on scratchapixel。 C ++可以。我试图将其转换为Python，但效果很好（结果慢了17倍，分辨率降低了4倍）。我试图将其转换为C＃，但是我的代码无法正常工作。我只能看到的是一张空白的800x600白色图像。请参阅先前链接的文章以获取C ++代码。

这是我对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);
    }
}
}

有人看错了吗？

编辑
程序正在将跟踪的颜色写入控制台屏幕。然后，我可以使用Windows批处理文件将其写入ppm文件。
我正在使用csc.exe创建可执行文件
“ csc.exe raytracer.cs”
并运行程序
“ raytracer.exe> out.ppm”

Answer 1

C＃代码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，原始的int值在进行除法运算之前会转换为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;

另外，您的文本输出实际上在像素之间缺少空格。在您的代码版本中，您可以通过在每个像素值之前插入一个空格（行中的第一个除外）来解决此问题：

    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);
    }

或者，您当然可以总是写空格：

        Console.Write(pixel.x + " " + pixel.y + " " + pixel.z + " ");

您在转换中也有一个小错误，因为您未能在 sphere.emissionColor方法的末尾添加 trace()：

        return surfaceColor + sphere.emissionColor;

这三个更改将修复您的代码并产生所需的结果。


话虽如此，恕我直言，值得考虑其他一些更改。最值得注意的是将 struct类型用于 Vec3f和 Collision而不是 class。与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是非常不同的。在这样的程序中，对于此类经常使用的值，使用 struct代替 class可以通过最大程度地减少堆分配的数据量（尤其是仅临时存在且需要收集的数据）来显着提高性能。程序尝试执行其他工作时的垃圾回收器。

您可能还需要考虑将数据类型从 float更改为 double。我用两种方法测试了代码。它对视觉输出没有影响，但是我看到渲染使用 double平均需要2.1秒，使用 float平均需要2.8秒。速度提高25％可能是您想要的。 :)

就 struct vs 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 struct而不是 class（使用 会在3.3秒内运行，而使用 class会在2.1秒内运行）。

同时，可以修改值的 struct类型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，我调整了类型以使它们不变。对于 struct类型，这相对简单，但是对于 Collision，您的代码在很多地方修改了这些值（通过调用 Vec3f）。为了使对不可变的 normalize()值的更改起作用，所有这些都必须更改，以便使用 struct方法的返回值代替原始值。

我进行的其他更改包括：


删除 normalize()构造函数。无论如何， Vec3f()类型都不允许这样做，也不需要它，因为默认构造函数将做正确的事情。
将碰撞的 struct检查移到 t0 < 0类型，以支持该类型的不变性。
与原始C ++中一样，更改 Collision迭代将循环回到使用整数索引。 Sphere语句涉及为每个循环分配一个枚举数。通过直接索引数组，可以避免这些不必要的分配，这意味着变量名称也更有意义（ foreach和 i通常为索引保留，因此这是奇怪的代码，它们代表其他内容）。
我还使代码返回到与其他地方的C ++代码更相似的地方，例如 j的初始化和将代码排列得更类似于C ++代码。
我将代码从使用 eta改为使用数组。这样更有效，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。我对等待控制台窗口中的所有输出都没有兴趣，也不想跟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，相反，我更改了文本输出，以便仅将其写入内存字符串中，并添加了代码，以便该程序生成可以直接打开的实际PNG文件，而无需通过某些第三方程序。

说完了，这就是我得到的：



这是代码的最终版本：

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，要编译上述内容，您需要在项目中将引用添加到PresentationCore，WindowsBase和System.Xaml程序集。您还需要在项目设置中选中“允许不安全的代码”选项。