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skywind3000
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:zap: 可编程渲染管线实现,帮助初学者学习渲染

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# 8,326
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38 commits

RenderHelp

:zap: 可编程渲染管线实现,全中文注释,帮助初学者学习渲染原理。

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特性介绍

  • 单个 RenderHelp.h 文件,从画点开始实现可编程渲染管线,无外部依赖。
  • 模型标准,计算精确,使用类 Direct3D 接口。
  • 包含一套完整的矢量/矩阵库。
  • 包含一套位图 Bitmap 库,方便画点、画线、加载纹理、纹理采样等。
  • 使用 C++ 编写顶点着色器 (Vertex Shader) 和像素着色器 (Pixel Shader),方便断点和调试。
  • 使用 Edge Equation 精确计算三角形覆盖范围,处理好邻接三角形的边界。
  • 使用重心坐标公式计算 varying 插值。
  • 使用 1/w 进行透视矫正,绘制透视正确的纹理。
  • 使用二次线性插值进行采样,更好的渲染效果。
  • 核心渲染实现仅 200 行,突出易读性。
  • 写满中文注释,每一处计算都有解释。
  • 多个教程例子,从如何画三角形到模型以及光照。

编译运行

随便找个

sample_
开头的例子文件直接 gcc 单文件编译即可:
gcc -O2 sample_07_specular.cpp -o sample_07_specular -lstdc++

在 Mac 下好像要加个

-std=c++17
,我应该没用啥 17 的东西,不过没环境不太确定。某些平台下可能要加一个
-lm
,显示声明一下链接数学库。

运行:

./sample_07_specular

然后得到一个图片文件

output.bmp

本项目的模型使用的是 tinyrender 里面的开源模型。

编程接口

着色器变量

主要使用一个 ShaderContext 的结构体,用于 VS->PS 之间传参,里面都是一堆各种类型的 varying。

// 着色器上下文,由 VS 设置,再由渲染器按像素逐点插值后,供 PS 读取
struct ShaderContext {
    std::map varying_float;    // 浮点数 varying 列表
    std::map varying_vec2f;    // 二维矢量 varying 列表
    std::map varying_vec3f;    // 三维矢量 varying 列表
    std::map varying_vec4f;    // 四维矢量 varying 列表
};

顶点着色器

外层需要提供给渲染器 VS 的函数指针,并在渲染器的

DrawPrimitive
函数进行顶点初始化时对三角形的三个顶点依次调用:
// 顶点着色器:因为是 C++ 编写,无需传递 attribute,传个 0-2 的顶点序号
// 着色器函数直接在外层根据序号读取响应数据即可,最后需要返回一个坐标 pos
// 各项 varying 设置到 output 里,由渲染器插值后传递给 PS 
typedef std::function VertexShader;

每次调用时,渲染器会依次将三个顶点的编号

0
,
1
,
2
通过
index
字段传递给 VS 程序,方便从外部读取顶点数据。

像素着色器

渲染器对三角形内每个需要填充的点调用像素着色器:

// 像素着色器:输入 ShaderContext,需要返回 Vec4f 类型的颜色
// 三角形内每个点的 input 具体值会根据前面三个顶点的 output 插值得到
typedef std::function PixelShader;

像素着色程序返回的颜色会被绘制到 Frame Buffer 的对应位置。

绘制三角形

调用下面接口可以绘制一个三角形:

bool RenderHelp::DrawPrimitive()

该函数是渲染器的核心,先依次调用 VS 初始化顶点,获得顶点坐标,然后进行齐次空间裁剪,归一化后得到三角形的屏幕坐标。

然后两层 for 循环迭代屏幕上三角形外接矩形的每个点,判断在三角形范围内以后就调用 VS 程序计算该点具体是什么颜色。

完整例子

现在你想写个 D3D 12 的三角形绘制,没有一千行你搞不定,但是现在我们只需要下面几行:

#include "RenderHelp.h"

int main(void) { // 初始化渲染器和帧缓存大小 RenderHelp rh(800, 600);

const int VARYING_COLOR = 0;    // 定义一个 varying 的 key

// 顶点数据,由 VS 读取,如有多个三角形,可每次更新 vs_input 再绘制
struct { Vec4f pos; Vec4f color; } vs_input[3] = {
    { {  0.0,  0.7, 0.90, 1}, {1, 0, 0, 1} },
    { { -0.6, -0.2, 0.01, 1}, {0, 1, 0, 1} },
    { { +0.6, -0.2, 0.01, 1}, {0, 0, 1, 1} },
};

// 顶点着色器,初始化 varying 并返回坐标,
// 参数 index 是渲染器传入的顶点序号,范围 [0, 2] 用于读取顶点数据
rh.SetVertexShader([&] (int index, ShaderContext& output) -> Vec4f {
        output.varying_vec4f[VARYING_COLOR] = vs_input[index].color;
        return vs_input[index].pos;        // 直接返回坐标
    });

// 像素着色器,返回颜色
rh.SetPixelShader([&] (ShaderContext& input) -> Vec4f {
        return input.varying_vec4f[VARYING_COLOR];
    });

// 渲染并保存
rh.DrawPrimitive();
rh.SaveFile("output.bmp");

return 0;

}

运行结果:

文件列表

| 文件名 | 说明 | |-|-| | RenderHelp.h | 渲染器的实现文件,使用时 include 它就够了 | | Model.h | 加载模型 | | sample01triangle.cpp | 绘制三角形的例子 | | sample02texture.cpp | 如何使用纹理,如何设置摄像机矩阵等 | | sample03box.cpp | 如何绘制一个盒子 | | sample04gouraud.cpp | 对盒子进行简单高洛德着色 | | sample05model.cpp | 如何加载和绘制模型 | | sample06normal.cpp | 使用法向贴图增强模型细节 | | sample07specular.cpp | 绘制高光 |

实现对比

十多年前我写了个软渲染器教程 mini3d,比较清晰的说明了软件渲染器的核心原理,这是标准软渲染器的实现方法,主要是基于 Edge Walking 和扫描线算法。

而本项目的实现方式是仿照 GPU 的 Edge Equation 实现法,以 mini3d 代表的实现方法其实相对比较复杂,但是很快,适合做 CPU 实时渲染。而本项目模拟 GPU 的实现方式相对简单直观,但是计算量很大,不适合 CPU 实时,却适合 GPU 粗暴的并行处理。

网上有很多可编程渲染管线的实现教程,但是很多都做的有问题,诸如屏幕坐标他们取的是像素方格左上角的点,其实应该取像素方格中心的那个点,不然模型动起来三角形边缘会有跳变的感觉;比如临接三角形的边该怎么处理,基本我没见到几个处理正确的;再比如纹理采样时整数坐标换算应该要四舍五入的,不然纹理旋转起来几个顶点位置不够稳定,会有微动的迹象;还有一些软件渲染器连纹理都不是透视正确的,还在用着仿式纹理映射。。。。

渲染器实现有很多非常细节的地方,如果注意不到,其实渲染结果是不准确的,本项目使用标准模型,不错绘一个点,不算错一个坐标。

再一个是易读性,某些项目为了刻意减少代码量,砍了不少细节处理不说,很多运算都是一大堆矩阵套矩阵,连个出处和说明都没有,这对于初学者来讲是十分费解的,你连公式或者概念的名字都不知道,搜都没得搜。

阅读说明

本项主文件

RenderHelp.h
一共一千多行,三分之一都是中文注释,复杂运算我全部展开了,并不一味为了节省代码尺寸牺牲可读性,某些计算其实可以提取到外层这样性能更快一些,但是为了可读性,我还是写到了和它相关的位置上,这样阅读理解更轻松。

基本原理,我在下面回答里解释过:

阅读时,代码前面基本都是一些工具库,可以从最后 200 行阅读即可,每个公式我都写了出处,基本半个小时拿笔推导下,你不但能理解渲染器的原理是啥,还多了一个方便随时调试 shader 验证想法的工具。

Credit

代码不理解可以在 issue 里提问,这样该问题经过回答放在那里也对后来的人有帮助,欢迎 PR 增强功能,补充各类高级渲染效果。

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