告别‘纸片感’！用C++手撸一个带虚焦模糊的光线追踪相机（附完整代码）

告别‘纸片感’！用C++手撸一个带虚焦模糊的光线追踪相机（附完整代码）

你是否曾经觉得自己的光线追踪渲染图缺少一丝真实感？那些完美聚焦的物体虽然清晰，却总给人一种"纸片"般的扁平感。今天，我们将一起探索如何通过实现虚焦模糊（Defocus Blur）来为你的渲染图注入电影级的景深效果。这不仅能让你的作品更加接近真实摄影效果，还能显著提升场景的立体感和艺术表现力。

1. 虚焦模糊背后的光学原理

在真实世界中，没有任何相机能够同时让所有距离的物体都保持完美聚焦。这种选择性聚焦的效果正是我们所说的"景深"，而在光线追踪领域，我们更倾向于使用"虚焦模糊"这个术语来描述这种现象。

薄透镜模型是我们实现虚焦模糊的基础。想象一下：

• 光线从场景中的一点发出
• 通过透镜的不同位置
• 汇聚到传感器上的一个点

这个过程中有三个关键参数影响着最终的模糊效果：

1. 光圈大小：控制透镜的有效开口直径
2. 焦距：从透镜到完美聚焦平面的距离
3. 聚焦距离：相机到需要清晰呈现的物体的距离

提示：在真实相机中，改变聚焦距离通常需要物理移动镜头位置，而在我们的虚拟相机中，这一切都可以通过数学计算来实现。

2. 相机类的关键扩展

为了实现虚焦模糊效果，我们需要对传统的针孔相机模型进行扩展。以下是改造后的camera类核心新增成员：

class camera { public: // ...原有成员... double defocus_angle = 0; // 虚化圆锥的角度 double focus_dist = 10; // 完美聚焦平面的距离 private: // ...其他私有成员... vec3 defocus_disk_u; // 虚化圆盘的水平半径向量 vec3 defocus_disk_v; // 虚化圆盘的垂直半径向量 point3 defocus_disk_sample() const { auto p = random_in_unit_disk(); return center + (p[0] * defocus_disk_u) + (p[1] * defocus_disk_v); } };

初始化过程中需要计算的关键步骤：

1. 根据defocus_angle和focus_dist计算虚化圆盘半径
2. 确定圆盘在相机坐标系中的方向向量
3. 为后续随机采样做好准备

void camera::initialize() { // ...其他初始化代码... // 计算虚化圆盘的基础向量 auto defocus_radius = focus_dist * tan(degrees_to_radians(defocus_angle / 2)); defocus_disk_u = u * defocus_radius; defocus_disk_v = v * defocus_radius; }

3. 光线生成算法的改造

传统的光线追踪相机所有光线都从单一的相机中心点发出。要实现虚焦模糊，我们需要让光线从虚化圆盘上的随机点发出。

改造后的get_ray函数：

ray camera::get_ray(int i, int j) const { auto pixel_center = pixel00_loc + (i * pixel_delta_u) + (j * pixel_delta_v); auto pixel_sample = pixel_center + pixel_sample_square(); auto ray_origin = (defocus_angle <= 0) ? center : defocus_disk_sample(); auto ray_direction = pixel_sample - ray_origin; return ray(ray_origin, ray_direction); }

这个改造引入了几个重要概念：

1. 虚化圆盘采样：当defocus_angle大于0时，光线从圆盘上的随机点发出
2. 聚焦逻辑：所有光线都指向焦平面上的同一点，确保聚焦区域清晰
3. 模糊程度控制：defocus_angle越大，圆盘半径越大，模糊效果越明显

4. 随机采样与单位圆盘生成

为了实现从虚化圆盘的均匀采样，我们需要一个能在单位圆盘内生成随机点的函数。这与常见的单位球体采样不同，需要特别注意。

高效的单位圆盘采样实现：

vec3 random_in_unit_disk() { while (true) { auto p = vec3(random_double(-1,1), random_double(-1,1), 0); if (p.length_squared() < 1) return p; } }

这个函数采用拒绝采样法：

1. 在[-1,1]范围内随机生成x和y坐标
2. 检查点是否落在单位圆内
3. 如果不在圆内，则重新生成

注意：虽然看起来有无限循环的风险，但实际上数学上保证了一定会在有限次尝试后返回有效点。

5. 参数调优与效果对比

正确设置相机参数对获得理想的虚焦模糊效果至关重要。下面是一个参数配置示例及其对应的视觉效果：

典型场景配置：

camera cam; cam.aspect_ratio = 16.0 / 9.0; cam.image_width = 400; cam.samples_per_pixel = 100; cam.max_depth = 50; cam.vfov = 20; cam.lookfrom = point3(-2,2,1); cam.lookat = point3(0,0,-1); cam.vup = vec3(0,1,0); cam.defocus_angle = 10.0; // 明显的虚焦效果 cam.focus_dist = 3.4; // 聚焦在距离相机3.4单位的位置

6. 性能考量与优化技巧

虚焦模糊虽然能显著提升视觉效果，但也会增加渲染时间。以下是几个优化建议：

1. 采样数平衡：

   • 增加defocus_angle时需要相应增加samples_per_pixel
   • 过大模糊角度会导致噪点增加

2. 聚焦距离选择：

   • 聚焦在场景中的主要兴趣点上
   • 次要元素可以适当模糊以减少计算量

3. 渐进式渲染：

   • 先使用低采样数预览效果
   • 确定参数后再进行高质量渲染

// 快速预览配置 camera preview_cam; preview_cam.samples_per_pixel = 10; preview_cam.max_depth = 5; preview_cam.defocus_angle = 10.0; // 最终渲染配置 camera final_cam; final_cam.samples_per_pixel = 100; final_cam.max_depth = 50; final_cam.defocus_angle = 10.0;

7. 艺术化应用与创意效果

虚焦模糊不仅是物理准确的模拟，更是强大的艺术表达工具。你可以尝试：

• 选择性聚焦：引导观众视线到场景关键元素
• 极浅景深：创造微缩模型般的特殊效果
• 动态模糊：结合相机移动模拟运动模糊

创意参数组合：

// 极浅景深效果 cam.defocus_angle = 15.0; cam.focus_dist = 1.5; // 全景清晰效果 cam.defocus_angle = 0.5; cam.focus_dist = 20.0;

在实际项目中，我发现defocus_angle在5-15度之间最能平衡真实感和艺术效果。过大的角度虽然戏剧性强，但会失去太多细节；而过小的角度又难以产生明显的景深效果。