记一个C++随机数导致的bug

这周我在写path tracing的时候遇到了一个很奇怪的bug：光线追踪深度设为1的时候结果看起来是正常的，但是深度高于1的时候就会出现很奇怪的渲染结果，如下图所示（为了便于调试，我用了一个cornell-box的场景，mesh的颜色是统一的，并且设置的只是点光源）：

我仔细排查了逻辑上的代码，并没有发现几何计算、光照计算等模块有明显的问题（如果有问题，应该在depth为1的时候就测试出来了）。这时我观察到，这个颜色呈现出“一块一块”的表现，我猜测可能是由于在光线做完第一次碰撞后，利用随机数产生出射光线进行第二次碰撞，但是随机数分布并不均匀导致的。
于是我试着把代码中所有的srand全部去掉，果然结果就正常了。也就是说，是srand导致了产生的随机数分布不均匀。
那么我的srand是怎么用的呢？

Pixel PathTracingRenderer::sample_pixel(Camera* camera, int x, int y, int width, int height)
{
	srand(time(0));
	float sample_x = 0.0f;
	float sample_y = 0.0f;
	Spectrum r;
	Pixel p;
	for (int i = 0; i < sample_count; i++)
	{
            //compute sample result
	}
	return p;
}

我将srand写到了遍历每个像素的代码里，这明显是不对的。我们可以做个试验来验证一下：
下图是我不使用srand，完全随机生成的一堆二维点，可以看到基本上是随机分布的：

假设我这样写：

for (int i = 0; i < 100; i++)
{
	srand(time(0));
	std::cout << rand() % 101 << "," << rand() % 101 << ";"<<std::endl;
}

生成的结果会是如下所示的（请原谅我看到结果时笑出了声）：

之后我又做了很多次试验，发现只有每次生成随机数间隔时间差不多1s，这样写才能生成比较随机的结果：

所以导致这个bug的答案也就呼之欲出了：srand会重置随机生成的结果，输入同一个种子，那么第一次rand的结果是一样的。之所以会导致如图所示的问题，就是因为相邻像素之间重复调用srand，而相隔的时间又很短，不断重置随机数结果，始终生成了相同的随机数，那么自然就会出现上图这种“颜色聚集”的情况了。
于是我就把代码改成了每次只有在渲染前才会srand一次，这样一来结果就正常了（和PBRT相同的场景与光照比对基本一致）：