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#ifndef _CAMERA_H_
#define _CAMERA_H_
namespace edubpt {
struct Camera {
// 画像サイズ
int image_width_px, image_height_px;
int samples_per_pixel; // 主にパストレ用
// イメージセンサ位置
Vec imagesensor_center;
Vec imagesensor_dir;
Vec imagesensor_up;
Vec imagesensor_u, imagesensor_v;
// イメージセンササイズ
double imagesensor_width, imagesensor_height;
double pixel_width, pixel_height;
// レンズパラメータ
double imagesensor_to_lens_distance;
double focal_length;
double lens_radius;
// オブジェクトプレーン位置
Vec objectplane_center;
Vec objectplane_u, objectplane_v;
// レンズ位置
Vec lens_center;
Vec lens_u, lens_v;
Vec normal_on_lens;
// イメージセンサの感度
double W;
Camera(const int image_width_px, const int image_height_px, const Vec &imagesensor_center, const Vec &imagesensor_dir, const Vec &imagesensor_up, const double imagesensor_size,
const double imagesensor_to_lens_distance, const double focal_length, const double lens_radius, const double W_scale, const int samples_per_pixel) :
image_width_px(image_width_px), image_height_px(image_height_px), imagesensor_center(imagesensor_center), imagesensor_dir(imagesensor_dir), imagesensor_up(imagesensor_up),
imagesensor_to_lens_distance(imagesensor_to_lens_distance), focal_length(focal_length), lens_radius(lens_radius), samples_per_pixel(samples_per_pixel)
{
imagesensor_width = imagesensor_size * image_width_px / image_height_px;
imagesensor_height= imagesensor_size;
pixel_width = imagesensor_width / image_width_px;
pixel_height = imagesensor_height / image_height_px;
imagesensor_u = normalize(cross(imagesensor_dir, imagesensor_up)) * imagesensor_width;
imagesensor_v = normalize(cross(imagesensor_u, imagesensor_dir)) * imagesensor_height;
objectplane_center = imagesensor_center + (focal_length + imagesensor_to_lens_distance) * imagesensor_dir;
objectplane_u = imagesensor_u;
objectplane_v = imagesensor_v;
lens_center = imagesensor_center + imagesensor_to_lens_distance * imagesensor_dir;
lens_u = lens_radius * normalize(imagesensor_u);
lens_v = lens_radius * normalize(imagesensor_v);
normal_on_lens = normalize(imagesensor_dir);
// W(xI <- x0) センサのセンシティビティは簡単のため定数にしておく（ピクセルのサイズが小さくなったら感度あげる）
W = W_scale / (pixel_width * pixel_height);
}
// 幾何的な係数計算 + センサーセンシティビティの項を計算する
// x1 -> x0への放射輝度が最終的にイメージセンサに与える寄与度
double W_dash(const Vec &x0_xV, const Vec &x0_xI, const Vec &x0_x1) const {
return
W *
(x0_xV.length_squared() / x0_xI.length_squared()) *
pow(
(imagesensor_to_lens_distance * dot(normalize(x0_xI), normalize(-1.0 * imagesensor_dir))) /
(focal_length * dot(normalize(x0_x1), normalize(imagesensor_dir))), 2.0);
}
// イメージセンサ上のサンプリング確率密度（イメージセンサの面積測度に関する確率密度）をシーン上のサンプリング確率密度（面積測度に関する確率密度）に変換する
double P_Image_to_PA_x1(const double P_Image, const Vec &x0_xV, const Vec &x0_x1, const Vec &orienting_normal) const {
return
P_Image *
pow(imagesensor_to_lens_distance / focal_length, 2.0) *
(x0_xV.length_squared() / x0_x1.length_squared()) *
(dot(normalize(-1.0 * x0_x1), orienting_normal) / dot(normalize(x0_x1), normalize(imagesensor_dir)));
}
// レンズとレイの交差判定関数
double intersect_lens(const Ray &now_ray, Vec *position_on_lens, Vec *position_on_objectplane, Vec *position_on_imagesensor, Vec *uv_on_imagebuffer) const {
// レンズ平面
const Vec lens_normal = normalize(imagesensor_dir);
// オブジェクトプレーン平面
const Vec objectplane_normal = lens_normal;
// レンズと判定
const double lens_t = plane_intersection(lens_normal, lens_center, now_ray);
if (kEPS < lens_t) {
*position_on_lens = now_ray.org + lens_t * now_ray.dir; // x0
if ((*position_on_lens - lens_center).length() < lens_radius && dot(lens_normal, now_ray.dir) <= 0.0)
{
// レンズとヒット
// オブジェクトプレーンとの交差点を計算
const double objectplane_t = plane_intersection(objectplane_normal, objectplane_center, now_ray);
*position_on_objectplane = now_ray.org + objectplane_t * now_ray.dir; // xV
const double u_on_objectplane = dot(*position_on_objectplane - objectplane_center, normalize(objectplane_u)) / objectplane_u.length();
const double v_on_objectplane = dot(*position_on_objectplane - objectplane_center, normalize(objectplane_v)) / objectplane_v.length();
const double ratio = imagesensor_to_lens_distance / focal_length;
const double u_on_imagesensor = -ratio * u_on_objectplane;
const double v_on_imagesensor = -ratio * v_on_objectplane;
*position_on_imagesensor =
imagesensor_center +
u_on_imagesensor * imagesensor_u +
v_on_imagesensor * imagesensor_v; // xI
// レイが最終的にイメージセンサ内に入ったかどうかを判定する
if (u_on_imagesensor >= -0.5 && 0.5 > u_on_imagesensor &&
v_on_imagesensor >= -0.5 && 0.5 > v_on_imagesensor) {
// ピクセル座標計算
uv_on_imagebuffer->x = (u_on_imagesensor + 0.5) * image_width_px;
uv_on_imagebuffer->y = (v_on_imagesensor + 0.5) * image_height_px;
return lens_t;
}
}
}
return -kINF;
}
double sampling_pdf_on_lens() const {
return 1.0 / (kPI * lens_radius * lens_radius);
}
// イメージセンサ上とレンズ上にサンプルを生成する
void sample_points(
const int imagebuffer_x, const int imagebuffer_y, Random *random,
Vec *position_on_imagesensor, Vec *position_on_objectplane, Vec *position_on_lens,
double *P_Image, double *P_lens) const {
// イメージセンサー上でサンプル生成
// 生成するのはimagebuffer_x, yのピクセル内
// ピクセル内の座標、[0, 1]の範囲
const double u_on_pixel = random->next01();
const double v_on_pixel = random->next01();
// イメージセンサ上の座標、[-0,5, 0.5]の範囲（0,0)がイメージセンサ中央を示す。
const double u_on_imagesensor = ((imagebuffer_x + u_on_pixel) / image_width_px - 0.5);
const double v_on_imagesensor = ((imagebuffer_y + v_on_pixel) / image_height_px - 0.5);
*position_on_imagesensor =
imagesensor_center +
u_on_imagesensor * imagesensor_u +
v_on_imagesensor * imagesensor_v; // xI
// オブジェクトプレーン上の座標計算
const double ratio = focal_length / imagesensor_to_lens_distance;
const double u_on_objectplane = -ratio * u_on_imagesensor;
const double v_on_objectplane = -ratio * v_on_imagesensor;
*position_on_objectplane =
objectplane_center +
u_on_objectplane * objectplane_u +
v_on_objectplane * objectplane_v; // xV
// レンズ上でサンプル生成 [-1, 1]
const double r0 = sqrt(random->next01());
const double r1 = random->next01() * 2.0 * kPI;
const double u_on_lens = r0 * cos(r1);
const double v_on_lens = r0 * sin(r1);
*position_on_lens =
lens_center +
u_on_lens * lens_u +
v_on_lens * lens_v; // x0
*P_Image = 1.0 / (pixel_width * pixel_height); // ピクセル内の一点をサンプリングする確率密度関数（面積測度）
*P_lens = sampling_pdf_on_lens(); // レンズ上の一点をサンプリングする確率密度関数（面積測度）
}
private:
double plane_intersection(const Vec &normal, const Vec &pos, const Ray &ray) const {
const double pn = dot(pos, normal);
const double on = dot(ray.org, normal);
const double dn = dot(ray.dir, normal);
if (fabs(dn) > kEPS) {
const double t = (pn - on) / dn;
return t;
}
return -kINF;
}
};
};
#endif