11. レイトレーサーのアーキテクチャについて

Ray Tracing: The Rest of Your Life (v3.2.3): 11 Some Architectural Decisions / 3.11 レイトレーサーのアーキテクチャについて

前章でコーネルボックスのレンダリングは完成しましたが，コードをよく見ると 2 つの構造的な問題が残っています。どちらも「マテリアルが知っているべき情報をレンダラーが代わりに持っている」という根本的な責任の混在が原因です。この章では問題を整理し，次章の実装計画を立てます。

問題①：ray_color への PDF のハードコード

前章（r310-cornell-box）の ray_color の拡散散乱パスを見ると：

r310-cornell-box/src/lib.rs

// Diffuse (Lambertian): mix light PDF and cosine PDF for importance sampling.
let lp = Box::new(HittablePdf::new(lights.clone(), rec.p));
let cp = Box::new(CosinePdf::new(rec.normal));  // ← マテリアルの知識
let mixed = MixturePdf::new(lp, cp);

CosinePdf::new(rec.normal) の構築は，「Lambertian 材質はコサイン重み付きの PDF を使う」という知識に基づいています。しかしこれはLambertian 自身が持つべき知識であり，レンダラー（ray_color）に書くべきではありません。別の拡散材質（例えばより複雑な BRDF を持つもの）を追加するたびに ray_color を書き換える必要が生じます。

PDF の構築はマテリアルの scatter() の中で完結すべきです。

問題②：鏡面散乱と PDF の非互換

現在の設計では，scatter() が常に (attenuation, ray) を返し，scattering_pdf() が 0.0 を返すかどうかで鏡面 / 拡散を判定しています：

r310-cornell-box/src/lib.rs

Some((attenuation, specular_ray)) => {
    let sp = mat.scattering_pdf(r, &rec, &specular_ray);
    if sp <= 0.0 {
        // Specular: scatter 方向をそのまま使う
        emitted + attenuation * ray_color(&specular_ray, ...)
    } else {
        // Diffuse: scatter 方向は捨てて MixturePdf で上書き
        let cp = Box::new(CosinePdf::new(rec.normal));
        ...
    }
}

Lambertian の scatter() が生成した方向は拡散パスで無条件に捨てられ，MixturePdf::generate() の結果で上書きされます。さらに scattering_pdf() の返り値 0.0 を「鏡面フラグ」として流用しているため，本来の意味（PDF の値を返すメソッド）と役割が混在しています。

鏡面散乱と拡散散乱は根本的に異なるものであり，型レベルで区別されるべきです。

解決策：ScatterRecord

C++ 版では scatter_record 構造体を導入し，scatter() がこれを出力するよう変更します。Rust では enum を使ったより表現力の高い設計が取れます：

common/src/material.rs

pub enum ScatterRecord {
    /// Specular scatter: the direction is fully determined (Metal, Dielectric).
    Specular { attenuation: Color, ray: Ray },
    /// Diffuse scatter: a PDF object determines the direction (Lambertian).
    Diffuse { attenuation: Color, pdf: Box<dyn Pdf> },
}

enum の各バリアントが「鏡面か拡散か」を型として表現するため，ブール値フラグも scattering_pdf() 判定も不要になります。

Rust での設計

scatter() の既存シグネチャーは変更しません。既存の全クレートとの後方互換を維持するため，新メソッド scatter_record() を追加します：

common/src/material.rs

pub trait Material: Send + Sync {
    // 既存メソッド (変更なし)
    fn scatter(&self, r_in: &Ray, rec: &HitRecord) -> Option<(Color, Ray)>;

    // 新メソッド: デフォルト実装は scatter() 結果を Specular として包む
    fn scatter_record(&self, r_in: &Ray, rec: &HitRecord) -> Option<ScatterRecord> {
        self.scatter(r_in, rec).map(|(attenuation, ray)| {
            ScatterRecord::Specular { attenuation, ray }
        })
    }
    // ...
}

Lambertian のみ scatter_record() をオーバーライドし，CosinePdf を内包した Diffuse バリアントを返します：

common/src/material.rs

impl Material for Lambertian {
    // scatter() は既存実装を維持

    fn scatter_record(&self, _r_in: &Ray, rec: &HitRecord) -> Option<ScatterRecord> {
        let attenuation = self.albedo.value(rec.u, rec.v, rec.p);
        Some(ScatterRecord::Diffuse {
            attenuation,
            pdf: Box::new(CosinePdf::new(rec.normal)),
        })
    }
}

Metal・Dielectric・Isotropic はデフォルト実装（旧 scatter() を Specular に包む）でそのまま動作します。

これにより，r312-cornell-box の ray_color から CosinePdf の構築が消えます：

// r310: ray_color が CosinePdf を知っていた
let cp = Box::new(CosinePdf::new(rec.normal));  // ← 削除される

// r312: マテリアルから PDF が渡ってくる
match mat.scatter_record(r, &rec) {
    Some(ScatterRecord::Specular { attenuation, ray }) => {
        emitted + attenuation * ray_color(&ray, ...)
    }
    Some(ScatterRecord::Diffuse { attenuation, pdf: mat_pdf }) => {
        let lp = Box::new(HittablePdf::new(lights.clone(), rec.p));
        let mixed = MixturePdf::new(lp, mat_pdf);  // CosinePdf はここに来る
        ...
    }
    None => emitted,
}

C++ と Rust の違い

C++ 版では scatter_record をフィールド経由の出力引数として設計し，scatter() のシグネチャーを変更します：

struct scatter_record {
    ray specular_ray;
    bool is_specular;
    color attenuation;
    shared_ptr<pdf> pdf_ptr;
};

// scatter() シグネチャーが変わる（破壊的変更）
virtual bool scatter(
    const ray& r_in, const hit_record& rec, scatter_record& srec) const;

全マテリアルの scatter() 実装を一斉に書き換えます。

Rust 版では以下の違いがあります：

項目	C++	Rust
鏡面/拡散の区別	is_specular ブール値	enum バリアント（型安全）
PDF の保持	shared_ptr<pdf>	Box<dyn Pdf>
既存コードへの影響	破壊的変更（全マテリアル更新）	scatter_record() を追加（後方互換）
既存クレートの対応	全クレート更新が必要	変更不要

Rust では enum のパターンマッチがコンパイル時に網羅性を保証するため，ブール値フラグが不要です。また scatter() を変えずに scatter_record() を追加することで，第1・第2編のデモクレートをすべてそのまま動かし続けられます。

まとめ

• ray_color に CosinePdf の構築がハードコードされていた問題を特定した。これはマテリアルの知識がレンダラーに漏れている設計上の問題である。
• 鏡面散乱と拡散散乱を scatter() の返り値では型レベルで区別できない問題を特定した。scattering_pdf() の返り値 0.0 を判定フラグに流用していた。
• Rust では ScatterRecord enum（Specular / Diffuse 2 バリアント）を導入し，新メソッド scatter_record() として追加する。既存の scatter() と全クレートは変更しない。
• 次章では ScatterRecord を common/ に実装し，アルミ箱とガラス球を組み合わせた新しいコーネルボックスシーンを構築する。