相机的错误纵横比计算（简单的光线投射器）答案

【问题标题】：Wrong aspect ratio calculations for camera (simple ray-caster)相机的错误纵横比计算（简单的光线投射器）
【发布时间】：2015-11-03 03:44:01
【问题描述】：

我正在研究一些非常简单的光线追踪器。

目前我正在尝试使透视相机正常工作。

我使用这样的循环来渲染场景（只有两个硬编码球体 - 我从每个像素的中心投射光线，没有应用 AA）：

Camera * camera = new PerspectiveCamera({ 0.0f, 0.0f, 0.0f }/*pos*/, 
{ 0.0f, 0.0f, 1.0f }/*direction*/, { 0.0f, 1.0f, 0.0f }/*up*/,
buffer->getSize() /*projectionPlaneSize*/);
Sphere * sphere1 = new Sphere({ 300.0f, 50.0f, 1000.0f }, 100.0f); //center, radius
Sphere * sphere2 = new Sphere({ 100.0f, 50.0f, 1000.0f }, 50.0f);

for(int i = 0; i < buffer->getSize().getX(); i++) {
    for(int j = 0; j < buffer->getSize().getY(); j++) {
//for each pixel of buffer (image)
        double centerX = i + 0.5;
        double centerY = j + 0.5;

        Geometries::Ray ray = camera->generateRay(centerX, centerY);
        Collision * collision = ray.testCollision(sphere1, sphere2);
        if(collision){
            //output red
        }else{
            //output blue
        }
    }
}

Camera::generateRay(float x, float y) 是：

Camera::generateRay(float x, float y) {
    //position = camera position, direction = camera direction etc.
    Point2D xy = fromImageToPlaneSpace({ x, y });
    Vector3D imagePoint = right * xy.getX() + up * xy.getY() + position + direction;
    Vector3D rayDirection = imagePoint - position;
    rayDirection.normalizeIt();
    return Geometries::Ray(position, rayDirection);
}

Point2D fromImageToPlaneSpace(Point2D uv) {
    float width = projectionPlaneSize.getX();
    float height = projectionPlaneSize.getY();
    float x = ((2 * uv.getX() - width) / width) * tan(fovX);
    float y = ((2 * uv.getY() - height) / height) * tan(fovY);
    return Point2D(x, y);
}

fovs：

double fovX = 3.14159265359 / 4.0;
double fovY = projectionPlaneSize.getY() / projectionPlaneSize.getX() * fovX;

1:1 宽度：高度方面（例如 400x400）我得到了很好的结果：

但我收到错误，例如800x400：

对于较大的纵横比（例如 1200x400），情况会更糟：

我做错了什么或遗漏了哪一步？

这可能是精度问题还是fromImageToPlaneSpace(...) 的问题？

【问题讨论】：

标签： c++ aspect-ratio raycasting perspectivecamera

【解决方案1】：

警告：我在一家视频公司工作了 5 年，但我有点生疏了。

注意：写完之后，我意识到像素纵横比可能不是你的问题，因为屏幕纵横比似乎也有问题，所以你可以跳过一点。

但是，在视频中，我们关注两个不同的视频源：standard definition 的屏幕纵横比为4:3 和高清的屏幕纵横比16:9.

但是，还有另一个变量/参数：像素纵横比。在标准定义中，像素是正方形的，而在 hidef 中，像素是矩形的（反之亦然——我不记得了）。

假设您当前的计算对于屏幕比例是正确的，您可能必须考虑像素长宽比的不同，无论是来自相机源还是您使用的显示器。

屏幕纵横比和像素纵横比都可以存储为.mp4、.jpeg等。

我下载了你的 1200x400 jpeg。我使用 ImageMagick 来改变 only 像素纵横比：

convert orig.jpg -resize 125x100%\! new.jpg

这表示更改像素纵横比（将宽度增加 125% 并保持高度不变）。 \! 表示 pixel 与 screen 的比率。 125 是因为我记得矩形像素为 8x10。无论如何，您需要将水平宽度增加 10/8，即 1.25 或 125%

不用说，这给了我圆形而不是椭圆形。

其实我通过调整屏幕纵横比也能得到同样的效果。

因此，在您的计算中，您引入了对该因素的扭曲。你在哪里应用缩放？函数调用有何不同？

您在哪里设置屏幕尺寸/比例？我认为没有显示出来（例如，我在任何地方都看不到 1200 或 400 之类的东西）。

如果我不得不冒险猜测，您必须考虑fromImageToPlaneSpace 中的纵横比。宽度/高度需要预先缩放或x = 和/或y = 线需要缩放因子。 AFAICT，目前您所拥有的仅适用于方形几何。为了测试，使用 1200x400 的情况，将 x 乘以 125% [a kludge]，我敢打赌你会得到一些东西。

【讨论】：

【解决方案2】：

从图像来看，您似乎错误地定义了从像素坐标到世界坐标的映射，并且在 Y 轴上引入了一些拉伸。

略读您的代码，您似乎正在根据帧缓冲区的尺寸定义相机的视锥体。因此，如果您有一个非 1:1 纵横比的帧缓冲区，那么您有一个视锥体不是 1:1 的相机。您需要将相机视锥体模型与最终帧缓冲区的图像空间维度分开。

换句话说，帧缓冲区是我们正在查看的相机投影的平面部分。相机定义了世界的 3D 空间如何投影到相机平面上。

任何关于 3D 图形的基本书籍都会讨论查看和投影。

【讨论】：