光线追踪11 - Positionable Camera(可定位相机)

���机和介质一样，调试起来很麻烦，所以我总是逐步开发我的相机。首先，我们允许可调节的视野（fov）。这是渲染图像从一边到另一边的视觉角度。由于我们的图像不是正方形的，水平和垂直的视野是不同的。我总是使用垂直视野。通常我会用角度来指定，然后在构造函数内部转换为弧度 — 这只是个人喜好的问题。

12.1 Camera Viewing Geometry
 首先，我们将保持从原点出发并指向z = -1平面的光线。我们可以将其设置为z = -2平面，或任何其他平面，只要我们将h与该距离成比例即可。以下是我们的设置：

Figure 18: Camera viewing geometry (from the side)

This implies   , Our camera now becomes:

class camera {  public:    double aspect_ratio      = 1.0;  // Ratio of image width over heightint    image_width       = 100;  // Rendered image width in pixel countint    samples_per_pixel = 10;   // Count of random samples for each pixelint    max_depth         = 10;   // Maximum number of ray bounces into scenedouble vfov = 90;  // Vertical view angle (field of view)void render(const hittable& world) {    ...  private:   ...   void initialize() {      image_height = static_cast(image_width / aspect_ratio);      image_height = (image_height  
Listing 74: [camera.h] Camera with adjustable field-of-view (fov)


我们将使用一个90°的视野来测试这些变化，以两个相互接触的球体构成的简单场景为例。
 
int main() {hittable_list world;auto R = cos(pi/4);auto material_left  = make_shared(color(0,0,1));auto material_right = make_shared(color(1,0,0));world.add(make_shared(point3(-R, 0, -1), R, material_left));world.add(make_shared(point3( R, 0, -1), R, material_right));camera cam;cam.aspect_ratio      = 16.0 / 9.0;cam.image_width       = 400;cam.samples_per_pixel = 100;cam.max_depth         = 50;cam.vfov = 90;cam.render(world);}
 
得到渲染结果：

Image 19: A wide-angle view

12.2 Positioning and Orienting the Camera(定位和定向相机)
 
为了获得任意的viewpoint，让我们首先给出我们关心的点的名称。我们将摄像机放置的位置称为"lookfrom"，我们注视的点称为"lookat"。（稍后，如果需要，可以定义一个注视方向而不是注视点。)
我们还需要一种方式来指定摄像机的倾斜角度，也就是绕"lookat-lookfrom"轴的旋转。另一种思考方式是，即使保持"lookfrom"和"lookat"不变，你仍然可以围绕你的鼻子旋转头部。我们需要的是一种为摄像机指定"up"向量的方法。

Figure 19: Camera view direction


        我们可以指定任何一个up向量，只要它不与视线方向平行。将这个up向量投影到与视线方向正交的平面上，得到一个相对于相机的up向量。我使用常见的约定将其命名为“view up”(vup)向量。经过几次叉乘和向量归一化，我们现在有了一个完整的正交基（u、v、w），用于描述相机的方向。u是指向相机右侧的单位向量，v是指向相机上方的单位向量，w是指向视线方向相反的单位向量（由于我们使用右手坐标系），相机中心位于原点。
 
Figure 20: Camera view up direction


与以前一样，当我们的固定相机面向-Z时，我们的任意视角相机面向-w。请记住，我们可以选择使用世界坐标系的上方向(0,1,0)来指定vup，但不是必须的。这种方法很方便，可以让你的相机在水平方向保持平稳，直到你决定尝试一些疯狂的相机角度为止。
 
class camera {  public:double aspect_ratio      = 1.0;  // Ratio of image width over height    int    image_width       = 100;  // Rendered image width in pixel count    int    samples_per_pixel = 10;   // Count of random samples for each pixel    int    max_depth         = 10;   // Maximum number of ray bounces into scene    double vfov     = 90;              // Vertical view angle (field of view)    point3 lookfrom = point3(0,0,-1);  // Point camera is looking from    point3 lookat   = point3(0,0,0);   // Point camera is looking at    vec3   vup      = vec3(0,1,0);     // Camera-relative "up" direction    ...  private:    int    image_height;   // Rendered image height    point3 center;         // Camera center    point3 pixel00_loc;    // Location of pixel 0, 0    vec3   pixel_delta_u;  // Offset to pixel to the right    vec3   pixel_delta_v;  // Offset to pixel below    vec3   u, v, w;        // Camera frame basis vectors    void initialize() {       image_height = static_cast(image_width / aspect_ratio);       image_height = (image_height  
Listing 76: [camera.h] Positionable and orientable camera


我们将回到之前的场景，并使用新的视点：
 
int main() {hittable_list world;auto material_ground = make_shared(color(0.8, 0.8, 0.0));auto material_center = make_shared(color(0.1, 0.2, 0.5));auto material_left   = make_shared(1.5);auto material_right  = make_shared(color(0.8, 0.6, 0.2), 0.0);    world.add(make_shared(point3( 0.0, -100.5, -1.0), 100.0, material_ground));    world.add(make_shared(point3( 0.0,    0.0, -1.0),   0.5, material_center));    world.add(make_shared(point3(-1.0,    0.0, -1.0),   0.5, material_left));world.add(make_shared(point3(-1.0,    0.0, -1.0),  -0.4, material_left));world.add(make_shared(point3( 1.0,    0.0, -1.0),   0.5, material_right));camera cam;    cam.aspect_ratio      = 16.0 / 9.0;    cam.image_width       = 400;    cam.samples_per_pixel = 100;    cam.max_depth         = 50;    cam.vfov     = 90;    cam.lookfrom = point3(-2,2,1);    cam.lookat   = point3(0,0,-1);    cam.vup      = vec3(0,1,0);    cam.render(world);}
 
Listing 77: [main.cc] Scene with alternate viewpoint

得到：

Image 20: A distant view
 
 
修改  field of view :
    cam.vfov     = 20;
Listing 78: [main.cc] Change field of view
 
变为：
 
Image 21: Zooming in