Rustでコンピューターグラフィックスの基礎を学ぶ その4

フルコードはgithubにあります。

今回はここの途中から。

オブジェクトのリスト

例によってGemini CLIに書いてもらう。

use crate::hittable::{HitRecord, Hittable};
use crate::ray::Ray;
use std::sync::Arc;

pub struct HittableList {
    pub objects: Vec<Arc<dyn Hittable>>,
}

impl HittableList {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            objects: Vec::new(),
        }
    }

    pub fn with_object(object: Arc<dyn Hittable>) -> Self {
        let mut list = Self::new();
        list.add(object);
        list
    }

    pub fn add(&mut self, object: Arc<dyn Hittable>) {
        self.objects.push(object);
    }

    pub fn clear(&mut self) {
        self.objects.clear();
    }
}

impl Hittable for HittableList {
    fn hit(&self, r: &Ray, t_min: f64, t_max: f64) -> Option<HitRecord> {
        let mut temp_rec = None;
        let mut closest_so_far = t_max;

        for object in &self.objects {
            if let Some(rec) = object.hit(r, t_min, closest_so_far) {
                closest_so_far = rec.t;
                temp_rec = Some(rec);
            }
        }

        temp_rec
    }
}

呼び出し側であるmain.rs側の抜粋は下記

let mut world = HittableList::new();
world.add(Arc::new(Sphere::new(
	Point3::new(0.0, 0.0, -1.0), 0.5)));
world.add(Arc::new(Sphere::new(
    Point3::new(0.0, -100.5, -1.0), 100.0)));

これで地面(2つ目の球)が描画されるようになった。

メモ

• 元のC++コードが共有ポインタ使ってたため、RustもArcを使っているがこれは必要なのか？ .addがスレッドセーフにならない？ 理解が足りてない。なぜBoxでは駄目なのか
• piとdegrees_to_radiansはどこで定義すべきか。今のところ使わないので後で考える。無限大はf64::INFINITYを使った

共用モジュール

Gemini CLIが古い表記の rand::thread_rng().get_range が正しいと信じて上書きしてくるのでなだめる。

use rand::Rng;

pub const INFINITY: f64 = f64::INFINITY;
pub const PI: f64 = std::f64::consts::PI;

pub fn degrees_to_radians(degrees: f64) -> f64 {
    degrees * PI / 180.0
}

pub fn random_double() -> f64 {
    // Returns a random real in [0,1).
    rand::rng().random_range(0.0..1.0)
}

pub fn random_double_range(min: f64, max: f64) -> f64 {
    // Returns a random real in [min,max).
    rand::rng().random_range(min..max)
}

カメラモジュール

main.rsのハードコードがどんどん消えてきて気持ちいいすね。aspect_ratioは定数にするのを一旦やめた。共有モジュールに移した方がいいかもしれない

use crate::ray::Ray;
use crate::vec3::{Point3, Vec3};

pub struct Camera {
    origin: Point3,
    lower_left_corner: Point3,
    horizontal: Vec3,
    vertical: Vec3,
}

impl Camera {
    pub fn new() -> Camera {
        let aspect_ratio = 16.0 / 9.0;
        let viewport_height = 2.0;
        let viewport_width = aspect_ratio * viewport_height;
        let focal_length = 1.0;

        let origin = Point3::new(0.0, 0.0, 0.0);
        let horizontal = Vec3::new(viewport_width, 0.0, 0.0);
        let vertical = Vec3::new(0.0, viewport_height, 0.0);
        let lower_left_corner =
            origin - horizontal / 2.0 - vertical / 2.0 - Vec3::new(0.0, 0.0, focal_length);

        Camera {
            origin,
            lower_left_corner,
            horizontal,
            vertical,
        }
    }

    pub fn get_ray(&self, u: f64, v: f64) -> Ray {
        Ray::new(
            self.origin,
            self.lower_left_corner + u * self.horizontal + v * self.vertical - self.origin,
        )
    }
}

originのパラメーターYを-0.3にして、少し見上げてみた。これだけで楽しい。

GUI足してカメラ視点をグリグリしたくなる。

出力メッセージの改善

実行のたびにScanlines remaining ...の文字が画面を埋め尽くして邪魔なので、上書き表示に変えた。もっと早くやればよかった。

現在は一瞬で画像が生成されてしまうので、そもそもメッセージ出力に意味がないが、これから重くなると信じる。

     println!("P3\n{} {}\n255", IMAGE_WIDTH, IMAGE_HEIGHT);

     for j in (0..IMAGE_HEIGHT).rev() {
-        eprintln!("\rScanlines remaining: {} ", j);
+        eprint!("\rScanlines remaining: {} ", j);
+        std::io::stderr().flush().unwrap();
         for i in 0..IMAGE_WIDTH {
             let u: f64 = i as f64 / (IMAGE_WIDTH - 1) as f64;
             let v: f64 = j as f64 / (IMAGE_HEIGHT - 1) as f64;

メモ

• プログレスバーでもいいかな。後でイケてるライブラリないか探す。
• Gemini CLIが.unwrap()足したけど、ここはつけるべきなのだろうか。flush()が失敗したとて問題ないので、エラーを無視して先に進めるべきか。

アンチエイリアシング

まずは、共有モジュールにclamp関数を追加する。初めてmatchが使える！と思って書いてみた。

pub fn clamp(x: f64, min: f64, max: f64) -> f64 {
    match x {
        x < min => min,
        x > max => max,
        _ => x,
    }
}

が、以下のエラー。

error: generic args in patterns require the turbofish syntax
  --> src/rtweekend.rs:22:11
   |
22 |         x < min => min,
   |           ^

turbofish syntaxって何やねんと思いながら、::を加えてみたが、別のエラーになった。そもそも=>の左には条件式を書けないのかしら。サンプルを幾つか読んでみたけど、見当たらない。

Gemini CLIに見せると下記に直された。悲しい。
これもこれで禅問答のようで分かりづらいと思うが。

pub fn clamp(value: f64, min: f64, max: f64) -> f64 {
    value.max(min).min(max)
}

各ピクセルごとに、周辺値(ピクセル位置に1未満の乱数を追加)をランダムで100回抽出して、平均を取るコードを追加。

let samples_per_pixel: u32 = 100;

for j in (0..IMAGE_HEIGHT).rev() {
    eprint!("\rScanlines remaining: {} ", j);
    std::io::stderr().flush().unwrap();

    for i in 0..IMAGE_WIDTH {
    let mut pixel_color = Color::new(0.0, 0.0, 0.0);

    for s in 1..samples_per_pixel {
	let u: f64 = (i as f64 + random_double()) / (IMAGE_WIDTH - 1) as f64;
	let v: f64 = (j as f64 + random_double()) / (IMAGE_HEIGHT - 1) as f64;

	let r = cam.get_ray(u, v);
	pixel_color += ray_color(&r, &world);
    }
        write_color(pixel_color, samples_per_pixel);
    }
}

すごい、滑らかになった。

球面周辺を拡大

メモ

• 計算量が100倍になったので画像生成に時間がかかるようになった。プログレスメッセージの必要性が出た
• 平均値を取るためにwrite_color()の外で合計値を出して、write_color()の中で割り算をするのは、コードとして筋悪に見える。今は色の決定がカラータイルなので、この先に、きちんと計算したときに意味が出てくるかもしれない。修正せずに保留しておく
• このコードはサンプリングのために、0 <= x < 1を追加してるけど、周辺値であれば、0.5 <= x < 0.5を追加した方がいいのかしら。下記のように修正して試してみたけど、感覚的に違いがなかったので、このままでいく

@@@ -58,8 -58,8 +58,8 @@@ fn main()
            let mut pixel_color = Color::new(0.0, 0.0, 0.0);

            for _ in 0..samples_per_pixel {
--              let u: f64 = (i as f64 + random_double()) / (IMAGE_WIDTH - 1) as f64;
--              let v: f64 = (j as f64 + random_double()) / (IMAGE_HEIGHT - 1) as f64;
++              let u: f64 = (i as f64 + random_double() - 0.5) / (IMAGE_WIDTH - 1) as f64;
++              let v: f64 = (j as f64 + random_double() - 0.5) / (IMAGE_HEIGHT - 1) as f64;

                let r = cam.get_ray(u, v);
                pixel_color += ray_color(&r, &world);

その5に続く。まだレイをトレースしていない。