用Rust实现基础着色算法（面向初学者的图形编程入门指南）

准备工作

在开始前，请确保你已安装 Rust 工具链（通过 rustup.rs）。我们不需要复杂的图形库，仅使用标准库即可完成本教程。

步骤一：定义基本数据结构

首先，我们需要表示三维空间中的点、向量和颜色。Rust 的结构体（struct）非常适合这项任务。

#[derive(Clone, Copy)]struct Vec3 {    x: f64,    y: f64,    z: f64,}impl Vec3 {    fn new(x: f64, y: f64, z: f64) -> Self {        Vec3 { x, y, z }    }    // 向量点积    fn dot(&self, other: &Vec3) -> f64 {        self.x * other.x + self.y * other.y + self.z * other.z    }    // 向量归一化    fn normalize(&self) -> Vec3 {        let len = (self.x.powi(2) + self.y.powi(2) + self.z.powi(2)).sqrt();        Vec3::new(self.x / len, self.y / len, self.z / len)    }}// 颜色用 RGB 表示，每个分量范围 [0.0, 1.0]struct Color {    r: f64,    g: f64,    b: f64,}

步骤二：实现漫反射着色函数

漫反射光照公式为：L = max(0, N · L_dir) * light_color，其中 N 是表面法向量，L_dir 是从表面指向光源的单位向量。

fn diffuse_shading(    normal: &Vec3,      // 表面法向量    light_dir: &Vec3,   // 光源方向（需归一化）    light_color: &Color // 光源颜色) -> Color {    let intensity = normal.normalize().dot(&light_dir.normalize()).max(0.0);    Color {        r: light_color.r * intensity,        g: light_color.g * intensity,        b: light_color.b * intensity,    }}

步骤三：完整示例程序

下面是一个完整的可运行程序，它计算一个球体表面某点的颜色：

fn main() {    // 定义表面法向量（例如球体顶部）    let normal = Vec3::new(0.0, 1.0, 0.0);        // 光源方向：从物体指向光源（假设光源在 (1, 1, 1)）    let light_dir = Vec3::new(1.0, 1.0, 1.0);        // 白色光源    let light_color = Color { r: 1.0, g: 1.0, b: 1.0 };        // 计算着色结果    let shaded_color = diffuse_shading(&normal, &light_dir, &light_color);        println!("着色结果: R={:.2}, G={:.2}, B={:.2}",             shaded_color.r, shaded_color.g, shaded_color.b);}

运行此程序，你将看到输出：着色结果: R=0.58, G=0.58, B=0.58。这表示该点被照亮为中等亮度的灰色。

为什么选择 Rust 进行图形编程？

Rust 以其内存安全性和高性能著称，非常适合系统级图形开发。通过学习Rust图像处理和Rust着色算法，你可以构建高效且安全的渲染引擎，而无需担心空指针或数据竞争问题。

下一步学习建议

掌握了基础漫反射后，你可以尝试：

• 添加环境光（Ambient Light）
• 实现 Phong 或 Blinn-Phong 镜面高光
• 使用 wgpu 或 glium 库进行 GPU 加速渲染

希望这篇Rust初学者教程能帮助你迈出图形编程的第一步！记住，所有复杂的渲染效果都始于像今天这样简单的着色算法。