[Ray Tracing in One Weekend 번역] 3. The vec3 Class

이 글은 Peter Shirley의 Ray Tracing in One Weekend를 번역한 것입니다.
Ray Tracing in One Weekend를 공부하면서 다시 한번 복습하는 느낌으로 번역을 해보려고 합니다. 영어가 서툴러 번역이 잘못되었을 수도 있으므로 잘못된 부분을 발견하신다면 지적해 주시면 감사하겠습니다.

거의 모든 그래픽스 프로그램은 기하학적 벡터와 색상을 저장하는 클래스를 가지고 있습니다. 많은 시스템에서 이 벡터들은 4차원(xyz + 동차좌표 또는 RGB + 투명도)입니다. 우리가 만들려고 하는 것은 3차원 좌표계로 충분합니다. vec3 클래스를 사용하여 색상, 위치, 방향, 오프셋 그리고 그 이외의 모든 것을 나타냅니다. 위치에 색상을 더하는 바보같은 동작을 방지할 수 없다는 이유로 이 방식을 싫어하는 사람들도 있습니다. 타당한 지적이지만, 명백히 틀린 경우가 아니라면 이 강좌에서는 항상 "더 적은 코드"를 지향할 것이므로 vec3 클래스의 타입 별칭(type alias)을 point3과 color로 선언해 줍니다. 두 타입은 단지 vec3 클래스의 타입 별칭이기 때문에, point3을 받는 함수에 color를 입력한다고 해도 경고가 발생하지 않습니다. 의도와 사용을 분명히 하기 위해서만 두 타입 별칭을 사용합니다.

3.1 Variables and Methods

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vec3 클래스의 상단입니다.

#ifndef VEC3_H
#define VEC3_H

#include <cmath>
#include <iostream>

using std::sqrt;

class vec3 {
    public:
        vec3() : e{0, 0, 0} {}
        vec3(double e0, double e1, double e2) : e{e0, e1, e2} {}

        double x() const { return e[0]; }
        double y() const { return e[1]; }
        double z() const { return e[2]; }

        vec3 operator-() const { return vec3(-e[0], -e[1], -e[2]); }
        double operator[](int i) const { return e[i]; }
        double& operator[](int i) { return e[i]; }

        vec3& operator+=(const vec3 &v) {
            e[0] += v.e[0];
            e[1] += v.e[1];
            e[2] += v.e[2];
            return *this;
        }

        vec3& operator*=(const double t) {
            e[0] *= t;
            e[1] *= t;
            e[2] *= t;
            return *this;
        }

        vec3& operator/=(const double t) {
            return *this *= 1 / t;
        }

        double length() const {
            return sqrt(length_squared());
        }

        double length_squared() const {
            return e[0] * e[0] + e[1] * e[1] + e[2] * e[2];
        }

    public:
        double e[3];
};

// Type aliases for vec3
using point3 = vec3;    // 3D point
using color = vec3;     // RGB color

#endif

Listing 4: [vec3.h] vec3 class

여기서는 double형을 사용했지만, 몇몇 레이 트레이서는 float형을 사용합니다. 어느 쪽이든 괜찮습니다. - 여러분의 취향대로 하십시오.

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3.2 vec3 Utility Functions

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vec3.h 헤더 파일의 두 번째 부분에는 벡터 유틸리티 함수들이 포함되어 있습니다.

// vec3 Uitility Functions

inline std::ostream& operator<<(std::ostream &out, const vec3 &v) {
    return out << v.e[0] << ' ' << v.e[1] << ' ' << v.e[2];
}

inline vec3 operator+(const vec3 &u, const vec3 &v) {
    return vec3(u.e[0] + v.e[0], u.e[1] + v.e[1], u.e[2] + v.e[2]);
}

inline vec3 operator-(const vec3 &u, const vec3 &v) {
    return vec3(u.e[0] - v.e[0], u.e[1] - v.e[1], u.e[2] - v.e[2]);
}

inline vec3 operator*(const vec3 &u, const vec3 &v) {
    return vec3(u.e[0] * v.e[0], u.e[1] * v.e[1], u.e[2] * v.e[2]);
}

inline vec3 operator*(double t, const vec3 &v) {
    return vec3(t * v.e[0], t * v.e[1], t * v.e[2]);
}

inline vec3 operator*(const vec3 &v, double t) {
    return t * v;
}

inline vec3 operator/(vec3 v, double t) {
    return (1 / t) * v;
}

inline double dot(const vec3 &u, const vec3 &v) {
    return u.e[0] * v.e[0]
        + u.e[1] * v.e[1]
        + u.e[2] * v.e[2];
}

inline vec3 cross(const vec3 &u, const vec3 &v) {
    return vec3(u.e[1] * v.e[2] - u.e[2] * v.e[1],
                u.e[2] * v.e[0] - u.e[0] * v.e[2],
                u.e[0] * v.e[1] - u.e[1] * v.e[0]);
}

inline vec3 unit_vector(vec3 v) {
    return v / v.length();
}

Listing 5: [vec3.h] vec3 utility functions

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3.3 Color Utility Functions

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새로 만든 vec3 클래스를 사용하여, 한 픽셀의 색상을 표준 출력 스트림으로 출력하는 유틸리티 함수를 만들 것입니다.

#ifndef COLOR_H
#define COLOR_H

#include "vec3.h"

#include <iostream>

void write_color(std::ostream &out, color pixel_color) {
    // Write the translated [0, 255] value of each color component.
    out << static_cast<int>(255.999 * pixel_color.x()) << ' '
        << static_cast<int>(255.999 * pixel_color.y()) << ' '
        << static_cast<int>(255.999 * pixel_color.z()) << '\n';
}

#endif

Listing 6: [color.h] color utility functions

이제 위의 헤더를 추가하여 main을 수정합니다.

#include "color.h"  // 추가
#include "vec3.h"   // 추가

#include <iostream>

int main() {

    // Image

    const int image_width = 256;
    const int image_height = 256;

    // Render

    std::cout << "P3\n" << image_width << ' ' << image_height << "\n255\n";

    for (int j = image_height - 1; j >= 0; --j) {
        std::cerr << "\rScanlines remaining: " << j << ' ' << std::flush;
        for (int i = 0; i < image_width; ++i) {
            color pixel_color(double(i) / (image_width - 1), double(j) / (image_height - 1), 0.25); // 추가
            write_color(std::cout, pixel_color);    // 추가
        }
    }

    std::cerr << "\nDone.\n";
}

Listing 7: [main.cc] Final code for the first PPM image

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출처

Ray Tracing in One Weekend - Peter Shirley
https://raytracing.github.io/books/RayTracingInOneWeekend.html#thevec3class