可移动相机，失焦，封面场景

本小节将照相机封装为一个类，把 fov 以及位置等相机属性与行为统一封装起来。

可移动相机

照相机向着 \(z = -1\) 的方向，由此有 \(h = \tan(\theta / 2)\)，注意 \(z = -1\)。

照相机从一个地方看向目标。

照相机的向上方向。

// camera.h
class Camera {

public:
    Point3 origin;
    Point3 lowerLeftCorner;
    Vec3 horizontal;
    Vec3 vertical;

public:
    Camera() {
        const auto aspectRatio = 16.0 /9.0;
        auto viewportHeight = 2.0;
        auto viewportWidth = aspectRatio * viewportHeight;
        auto focalLength = 1.0;

        origin = Point3(0, 0, 0);
        horizontal = Vec3(viewportWidth, 0, 0);
        vertical = Vec3(0, viewportHeight, 0);
        lowerLeftCorner = origin - horizontal/2 - vertical/2 - Vec3(0, 0, focalLength);
    }

    Camera(Point3 lookfrom, Point3 lookat, Vec3 vup, double vfov, double aspectRatio) {
        auto theta = degrees2radians(vfov);
        auto h = tan(theta / 2.0);
        auto viewportHeight = 2.0 * h;
        auto viewportWidth = aspectRatio * viewportHeight;
        auto focalLength = 1.0;

        auto w = unitVector(lookfrom - lookat);
        auto u = unitVector(cross(vup, w));
        auto v = cross(w, u);

        origin = lookfrom;
        horizontal = viewportWidth * u;
        vertical = viewportHeight * v;
        lowerLeftCorner = origin - horizontal/2 - vertical/2 - w;
    }

    Ray getRay(double s, double t) const {
        return Ray(origin, lowerLeftCorner + s*horizontal + t*vertical - origin);
    }
};

移动一下照相机的位置，可以得到下面的效果

失焦模糊

在摄影领域，这个现象通常被叫做“景深”。

薄透镜近似

真正的相机会有一个复杂的透镜系统，但在这个简单的教程里，我们只使用一个薄透镜来模拟。

在这个教程里不会模拟相机里的复杂机制，要在相机外渲染一个图片，我们让光线从透镜发出，并且将它们射向成像平面，然后在成像平面里的所有东西都是对焦的。

生成光线样本

正常来说，场景里面的光线都是从 lookfrom 发出的，为了实现景深的效果，我们让光线从一个以 lookfrom 为中心的圆盘内发出。这个圆盘的半径越大，那么失焦模糊就越大。

// camera.h
Camera(
      Point3 lookfrom,
      Point3 lookat,
      Vec3 vup,
      double vfov,
      double aspectRatio,
      double aperture,
      double focusDist
  ) {
      auto theta = degrees2radians(vfov);
      auto h = tan(theta / 2.0);
      auto viewportHeight = 2.0 * h;
      auto viewportWidth = aspectRatio * viewportHeight;
      auto focalLength = 1.0;

      w = unitVector(lookfrom - lookat);
      u = unitVector(cross(vup, w));
      v = cross(w, u);

      origin = lookfrom;
      horizontal = focusDist * viewportWidth * u;
      vertical = focusDist * viewportHeight * v;
      lowerLeftCorner = origin - horizontal/2 - vertical/2 - focusDist * w;

      lensRadius = aperture / 2;
  }

在初始化照相机的时候传入光圈大小，焦距圆盘半径等参数。

Point3 lookfrom(3, 3, 2);
  Point3 lookat(0, 0, -1);
  Vec3 vup(0, 1, 0);
  auto distToFocus = (lookfrom - lookat).length();
  auto aperture = 2.0;
  Camera camera(lookfrom, lookat, vup, 20, aspectRatio, aperture, distToFocus);

由此可得到下面的效果。

封面场景

如果按照书中的参数将会非常慢，目前使用下面的参数也渲染了一个半小时。

// Image
const auto aspectRatio = 3.0 / 2.0;
const int imageWidth = 900;
const int imageHeight = static_cast<int>(imageWidth / aspectRatio);
const int samplesPerPixel = 200;
const int maxDepth = 50;

不过得到的图片还是非常不错的。