实验：实时光线投射与高级着色器 (Ray Casting & Blinn-Phong)

本项目基于 Taichi 编程语言实现了一个高性能的实时光线追踪渲染器。通过隐式几何求交算法，在不依赖外部模型的情况下，直接在 GPU/Vulkan 上驱动三维场景的生成。

• 效果演示：

核心实现逻辑

1. 几何体隐式定义 (Geometry)

• 红色球体: 利用球体方程 $(P-C)^2 = r^2$ 进行求交。圆心设为 (-1.2, -0.2, 0)，半径 1.2。
• 紫色圆锥: 顶点位于 (1.2, 1.2, 0)，通过轴向投影与角度判定实现。底面高度限制在 y = -1.4，底面半径 1.2。

2. 深度测试与遮挡 (Z-buffer Logic)

• 任务目标: 为每个像素发射射线，并计算所有几何体的交点距离 $t$。
• 实现: 核心代码实现了深度竞争逻辑。如果射线同时击中球体和圆锥，程序会自动选择最小的正数 $t$ 进行着色。这保证了当球体位于圆锥前方时，能产生正确的遮挡关系。

3. 着色模型升级 (Blinn-Phong Shader)

• 模型实现: 实现了 Ambient（环境光）、Diffuse（漫反射）和 Specular（镜面高光）三部分。
• 升级点: 使用半程向量 $athbf{H}$ (Halfway Vector) 替换了标准 Phong 模型中的反射向量 $athbf{R}$。
• 表现差异: Blinn-Phong 模型在大入射角下能产生更平滑、更符合物理直觉的高光边缘，避免了传统 Phong 模型的高光骤减问题。

4. 硬阴影效果 (Hard Shadow)

• 原理: 引入了 Shadow Ray（暗影射线）。在击中点向光源方向进行二次投射。
• 效果: 若射线在路径上被其他几何体遮挡，则该点仅接受环境光，产生了清晰的硬阴影边界。

UI 交互说明

通过左上角的交互面板，可以实时调整以下物理参数，观察材质变化：

• Ka: 环境光强度系数 (默认 0.2)
• Kd: 漫反射强度系数 (默认 0.7)
• Ks: 镜面高光强度系数 (默认 0.5)
• Shininess: 表面高亮指数 (1.0 - 128.0)

环境要求

• Python 3.12+
• Taichi 1.7.4 (Vulkan Backend)
• 执行：uv run main.py

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个人信息

• 学号：202411081041
• 姓名：许铭洋
• 专业：计算机科学与技术