纯 C++20 手搓的软件光栅化渲染器——在 CPU 上完整复刻现代 GPU 渲染管线（DirectX 风格），榨干每一个时钟周期。
谁说 CPU 不能当显卡？
-
DirectX 风格坐标与深度：左手坐标系，NDC 深度
$[0,1]$ ，近平面$z \ge 0$ 。 - 完整 PBR 材质：Cook-Torrance BRDF（GGX + Smith + Fresnel-Schlick），支持 Metallic-Roughness 工作流。
- IBL 环境光照：EXR 环境贴图解码，Split-Sum 预过滤镜面反射 + SH9 漫反射辐照度 + 天空盒渲染。
- 全链路 HDR：内部全程线性 HDR 缓冲，经 FXAA 抗锯齿、ACES Filmic 色调映射、sRGB 转换后输出（LUT 加速 + 抖动减带状伪影）。
- 全管线 OpenMP 并行：几何变换、视锥裁剪、Binning、Tile 光栅化、缓冲清除、后处理——每个阶段都已并行化，串行段降到最低。
- Tile-Based 光栅化（32×32）：三角形先 Binning 分配到 Tile，再按 Tile 并行处理，天然消除跨线程像素写冲突。
- Early-Z 深度预判：在昂贵的属性插值和 PBR 着色之前先做深度测试，被遮挡的像素直接跳过。
- AVX2+FMA3 向量化：光栅化内循环用
__m256d每批 4 像素批量计算边函数、重心坐标、深度和插值系数；Mat4::Multiply用 3 次 FMA 替代 16 mul + 12 add；PBR 着色器内部点积、叉积、归一化等热点运算同样走 SIMD 路径。 - OpenMP 精细调优：分块并行归约消除
critical瓶颈，各阶段调度策略独立可配（OpenMPTuningOptions），内置分阶段计时和帧统计。 - Intel 大小核适配（开发中）：
schedule(guided)搭配 KMP 亲和性绑定，缓解 P/E 核负载不均。
- 多 Pass 管线系统：Opaque → Skybox → Transparent → PostProcess，支持拓扑排序依赖解析与条件执行，扩展新 Pass 无需改动调度逻辑。
- MaterialTable SOA 布局：材质属性按字段连续存储，Triangle 从约 45 个字段瘦身至 23 个字段（含一个
MaterialHandle），缓存命中率显著提升。 - 全管线无锁：渲染管线内部零
std::mutex，材质注册前置到单线程预处理阶段。 - ResourcePool 资源池：代际句柄防悬挂引用，O(1) LRU 淘汰配合内存预算自动回收，覆盖纹理、网格、材质三类资源。
不引入任何第三方图形/图像库，从解析到解码全部手写：
- glTF/GLB：手写 JSON 递归下降解析器、BufferAccessor 类型映射、纹理加载与 sRGB 标记。
- PNG/JPEG/EXR：自带 Inflate 解压 + PNG 五种行滤波 + JPEG 基线解码（Huffman/量化/IDCT/YCbCr 转换）+ EXR ZIP/ZIPS 解压与 Half/Float 像素处理。
项目使用 CMake 构建，强烈建议 Release 模式——Debug 下 SIMD 内联失效，性能会差数量级。
icx-cl 基于 LLVM 后端，在 AVX2/FMA 内联、OpenMP schedule(guided) 以及 P+E 大小核调度等方面均优于 MSVC，是本项目的首选编译器。
需要先确保 icx-cl 可用——推荐直接打开"Intel oneAPI 命令提示符（for VS 2022）"，会自动设置环境变量。
# 配置
cmake -S . -B build-icx -G "Ninja Multi-Config" -DCMAKE_C_COMPILER=icx-cl -DCMAKE_CXX_COMPILER=icx-cl
# 编译
cmake --build build-icx --config Release
# 运行
.\build-icx\MFCDemo\Release\MFCDemo.exe如果安装了 oneAPI 的 Visual Studio 集成插件，也可以生成 VS 解决方案：
cmake -S . -B build-icx-vs -G "Visual Studio 17 2022" -A x64 -T IntelLLVM
cmake --build build-icx-vs --config Release未安装 Intel oneAPI 时可直接使用 MSVC，功能完整但部分 OpenMP 调度策略会回退到 dynamic。
# 配置
cmake -S . -B build -G "Visual Studio 17 2022" -A x64
# 编译
cmake --build build --config Release
# 运行
.\build\MFCDemo\Release\MFCDemo.exe项目由两个模块组成：
| 模块 | 定位 | 说明 |
|---|---|---|
| SoftRenderer（DLL） | 核心渲染引擎 | 包含 CPU 光栅化、PBR 着色、IBL 环境光照、后处理的全部逻辑 |
| MFCDemo（App） | Windows 桌面宿主 | 仅用 D3D12 将 CPU 渲染结果上传到 R16G16B16A16_FLOAT 后台缓冲做 HDR Present |
设计原则：全部渲染逻辑在 CPU 完成，工程组织上对齐现代 GPU 管线的概念（Pass、渲染队列、资源池、调度策略），D3D12 只负责最后一步"搬到屏幕上"。
| 模块 | 职责 | 关键文件 |
|---|---|---|
| RenderPipeline / Pass | 管线调度与多 Pass 执行 | SoftRenderer/src/Render/RenderPipeline.cpp |
| Rasterizer | Tile-Based + SIMD + Early-Z 光栅化 | SoftRenderer/src/Pipeline/Rasterizer.cpp |
| FragmentShader | PBR / IBL 片元着色 | SoftRenderer/src/Pipeline/FragmentShader.cpp |
| EnvironmentMap | SH9 / Split-Sum / BRDF LUT 预计算 | SoftRenderer/src/Pipeline/EnvironmentMap.cpp |
| Framebuffer / Depth | 颜色缓冲与深度缓冲 | SoftRenderer/src/Core/Framebuffer.cpp |
| ResourcePool | 纹理 / 网格 / 材质资源池 | SoftRenderer/include/Runtime/ResourcePool.h |
| Asset Loader | glTF / GLB / PNG / JPEG / EXR 加载 | SoftRenderer/src/Asset/ |
| HDRPresenter | D3D12 HDR 显示输出 | MFCDemo/src/HDRPresenter.cpp |
Scene / GPUScene
→ RenderQueueBuilder（扁平化 + 排序）
→ RenderPipeline
1. GeometryProcessor — 顶点变换、三角形装配
2. Clipper — Sutherland-Hodgman 齐次裁剪
3. Rasterizer — Binning → Tile 并行 → Early-Z → SIMD
4. FragmentShader — PBR + IBL 着色
5. PostProcess — FXAA → 色调映射 → sRGB 转换
→ Present（D3D12 HDRPresenter → R16G16B16A16_FLOAT 后台缓冲）
管线按以下顺序执行各 Pass，确保遮挡、背景、透明混合和后处理的正确性：
- OpaquePass — 不透明几何体，Early-Z 获益最大
- SkyboxPass — IBL 天空盒，填充远平面和未写入深度的区域
- TransparentPass — 透明物体，按深度从后往前排序后混合
- PostProcessPass — FXAA 抗锯齿 + 色调映射
裁剪在齐次裁剪空间（投影后、透视除法前）进行，避免近平面穿透导致的顶点爆炸和边缘伪影。
按 DirectX NDC 深度约定，对 6 个视锥平面逐一裁剪：
-
$x \ge -w$ ，$x \le w$ -
$y \ge -w$ ，$y \le w$ -
$z \ge 0$ （近平面），$z \le w$（远平面）
裁剪过程中对顶点的 clip / normal / world / texCoord / tangent 等属性做线性插值，生成新的多边形顶点后重新三角化送入光栅化。
屏幕空间的线性插值会导致纹理拉伸和法线偏移，必须进行透视校正。
给定屏幕空间重心坐标
光栅化是软件渲染最典型的瓶颈，本项目采用"先分块、再并行、再向量化"的三级加速策略：
Tile 分块（32×32 像素）
- 三角形先通过 Binning 分配到所覆盖的 Tile，每个 Tile 由独立线程处理，天然避免写冲突。
- Tile 内三角形按
zMin排序，提高 Early-Z 命中率。
全阶段 OpenMP 并行
- 几何阶段：多 DrawItem 并行处理，每线程维护本地三角形列表，最后合并。
- 裁剪阶段：每线程持有独立的 Clipper 实例和输出缓冲，完全无锁。
- Binning 计数：每线程独立直方图，通过分块并行归约合并，彻底消除
omp critical。 - Binning 填充：C++20
std::atomic_ref<size_t>+fetch_add原子游标，无锁填充索引。 - Tile 光栅化：动态调度分配 Tile，每线程持有独立的 FragmentShader 实例。
- 缓冲清除与后处理：DepthBuffer / Framebuffer 清除及 FXAA / ToneMap 均已并行化。
Early-Z 深度预判
- 在进入昂贵的属性插值和 PBR 着色之前，先行深度测试，未通过则直接跳过。
AVX2+FMA3 向量化（每批 4 像素）
- 用
__m256d批量计算边函数、重心坐标、深度值和插值系数。 - 仅尾部不足 4 像素的部分回退到标量路径。
Mat4::Multiply同样使用 AVX2+FMA3，3 次_mm256_fmadd_pd完成矩阵-向量乘法。
调度策略调优
OpenMPTuningOptions为各阶段（clip / bin / clear / post / rasterTile / drawItemBuild）提供独立的 schedule 类型与 chunk 大小。- Intel P+E 核场景（开发中）：
schedule(guided)先分大块后收小尾，搭配 KMP 亲和性减少 barrier 空等。
基于微表面理论的 BRDF 模型：
- Fresnel 项：Schlick 近似（
pow5快速路径） - 法线分布 D：GGX / Trowbridge-Reitz
- 几何遮蔽 G：Smith 联合形式（Schlick-GGX）
支持 glTF Metallic-Roughness 贴图组合：BaseColor / MetallicRoughness / Normal / Occlusion / Emissive。
ShadeFast 优化路径：
FragmentContext（三角形级常量）与FragmentVarying（像素级插值数据）拆分，减少每像素的重复数据搬运。PrecomputedLight每帧预计算光照方向与辐射度，Tile 内全部三角形零拷贝复用。- PBR 着色内部大量使用 AVX2 向量化（
v3_load/v3_dot/v3_cross等），关键点积、叉积、归一化均走 SIMD 路径。
离线预计算：
EXR 环境贴图 → EXRDecoder → HDRImage
→ SH9 漫反射辐照度系数（OpenMP 并行积分）
→ GGX 镜面预过滤（OpenMP 并行，逐 mip 层级）
→ BRDF LUT 128×128（OpenMP 并行）
运行时查询：
- 漫反射：
EvalDiffuseSH(N)— 用法线查询 9 阶球谐系数，加权求和 - 镜面反射：
SampleSpecular(R, roughness)+LookupBRDF(NdotV, roughness)
- FXAA：基于亮度梯度估计边缘朝向，沿边缘方向采样重建，消除锯齿。
- 色调映射与 sRGB 转换：线性 HDR → 曝光调整 → ACES Filmic 色调映射（Narkowicz 拟合）→ sRGB 转换（1024 条目 LUT 加速），可选 2×2 Bayer 抖动减轻色带伪影。
CPU 渲染输出线性 HDR 像素（Vec3 double），在 CPU 侧将 float 转为 half 精度写入 D3D12 Upload Buffer，再通过 Copy 上传到后台缓冲纹理，Fence 同步后 Present 到窗口。D3D12 在此流程中仅承担搬运和显示的角色。
问题：材质属性直接内嵌在 Triangle 结构体中，会导致结构体臃肿、缓存利用率低下。
方案：
- Triangle 只存一个
MaterialHandle（uint32_t），材质属性集中存放在MaterialTable中。 - MaterialTable 采用 SOA 布局——每种属性一条连续数组，相同属性在内存中紧密排列。
- 模板化访问器统一读取接口，减少重复代码和分支。
效果：Triangle 结构体从约 45 字段缩减到 23 字段（3 组顶点位置 + 6 组 UV + 3 组顶点色 + 4 切线 + 3 组世界坐标 + 3 组法线 + 1 MaterialHandle），材质读取更"流式"，缓存友好度明显提升。
RenderPass抽象基类：Execute()/ShouldExecute()/GetName()/GetPriority()- 内置 Pass：
OpaquePass/SkyboxPass/TransparentPass/PostProcessPass PassBuilder构建器：AddPass()/AddDependency()/SetCondition()，自动拓扑排序并检测循环依赖DefaultPipeline提供标准管线一键创建
将 Pass 的执行顺序、依赖关系和开关条件从硬编码流程中解耦，新增 Pass 只需实现接口并注册即可。
- 代际句柄：
index + generation打包为uint32_t，资源释放后句柄自动失效，杜绝悬挂引用。 - O(1) LRU 淘汰：Touch / Evict 均为常量时间，结合内存预算做自动回收。
- 特化池：
TexturePool、MeshPool、MaterialPool，统一接口，按类型独立管理。
材质注册从并行的 BuildTriangles() 中前置到单线程预处理阶段，几何处理阶段只接收预计算好的句柄，不再触发任何注册或锁竞争，实现渲染管线零 std::mutex。
TextureSlot枚举定义绑定位TextureBinding统一封装 texture / image / sampler / texCoordSetTextureBindingArray（std::array<TextureBinding, TextureSlot::Count>）固定大小数组存储
扩展新纹理类型只需增加枚举值和少量适配逻辑，无需修改绑定机制本身。
- glTF 强类型枚举：Wrap / Filter / Alpha / ComponentType 全部使用强类型枚举，消除魔法数字。
- 共享工具模块：
MathUtils/PBRUtils/TextureSampler/Compression/DebugLog，复用稳定，便于单点优化。 - OpenMP 深度调优：分块归约替代
critical，各阶段 schedule / chunk 独立可配，内置阶段计时与帧统计，Intel 大小核场景下使用guided+ 亲和性绑定（开发中）。
所有资产解析与解码均为手写实现，不引入任何第三方库。
递归下降实现，支持 null / bool / number / string / array / object 全部类型。数值解析使用 std::from_chars 避免 stod 的 locale 开销，字符串支持 UTF-16 到 UTF-8 转换（含 \uXXXX 和代理对）。
支持 glTF 规范中常见的 componentType 与 type 组合，处理 byteStride 和 normalized 映射规则。
- PNG：Chunk 解析 → 自带 zlib Inflate → 五种行滤波（含 Paeth），覆盖常用颜色类型。
- JPEG：基线解码（量化表 / Huffman 表 / MCU 扫描）→ IDCT 8×8 → YCbCr 转 RGB。
支持 Scanline 格式的 NONE / ZIP / ZIPS 压缩模式。自带 Inflate + Delta Predictor（含 +128 偏移）+ 字节交织还原。输出 Half / Float 精度的 HDR 图像。
支持 glTF JSON 和 GLB（JSON + BIN 分块）两种格式。Buffer 和 Image 支持外部文件引用、Data URI 内联、BufferView 内嵌三种来源。BaseColor / Emissive 纹理自动标记 sRGB，采样时正确解码到线性空间。
| 约定项 | 取值 |
|---|---|
| 坐标系 | 左手系（+Z 朝屏幕内） |
| NDC 深度范围 | |
| 矩阵存储 | 行主序，向量左乘 |
| MVP 变换顺序 | Model → View → Projection |
| 数学精度 | 核心数学类型使用 double（稳定性优先，方便排查数值问题） |
| 依赖 | 版本 |
|---|---|
| Windows | 10 / 11 |
| Visual Studio | 2022（需支持 C++20） |
| CMake | 3.20+ |
| Intel oneAPI DPC++/C++ Compiler | 可选，用于 icx-cl 构建与大小核调度优化 |
| 操作 | 方式 |
|---|---|
| 旋转视角 | 鼠标左键拖拽 |
| 平移视角 | 鼠标右键拖拽 |
| 缩放 | 鼠标滚轮 |
graph TD
A[资产: glTF / GLB / Image / EXR] -->|加载解析| B(运行时: GPUScene)
B -->|扁平化 + 排序| C{RenderQueueBuilder}
C --> D[RenderQueue]
subgraph ResourceManagement [资源管理]
TP[TexturePool] --- RP[MeshPool]
RP --- MP[MaterialPool]
end
B -.->|代际句柄| ResourceManagement
subgraph RenderPipeline [PassBuilder 拓扑排序调度]
D --> E[GeometryProcessor 无锁并行]
E --> F[Clipper 线程独立实例]
F --> G[Rasterizer: Tile + SIMD + Early-Z]
G --> MT[MaterialTable SOA 查询]
MT --> H1[OpaquePass]
H1 --> H2[SkyboxPass]
H2 --> H3[TransparentPass]
H3 --> H[FragmentShader: PBR + IBL]
H --> I[线性 HDR Framebuffer]
end
EXR[EXR 环境贴图] -->|解码 + 预计算| IBL[EnvironmentMap: SH9 + Split-Sum]
IBL -->|漫反射 + 镜面反射| H
I --> PP[PostProcessPass]
PP --> J[FXAA]
J --> K[sRGB 转换]
K --> L[D3D12 HDR Present]
- PBR 材质（Cook-Torrance / GGX / Smith / Fresnel-Schlick）
- 齐次裁剪（Sutherland-Hodgman，完整六面视锥）
- 透视校正插值 + 深度缓冲
- Tile-Based 并行光栅化（32×32）+ AVX2+FMA3 四像素向量化
- 全管线 OpenMP 并行（几何 / 裁剪 / Binning / 光栅化 / 清除 / 后处理）
- FXAA 抗锯齿 + HDR → sRGB 转换（LUT 加速）
- glTF / GLB 完整加载链路（JSON / BufferAccessor / ImageDecoder / Loader）
- IBL 环境光照（EXR 解码 / SH9 / Split-Sum / BRDF LUT / 天空盒）
- MaterialTable SOA 布局（Triangle 瘦身 + 材质句柄）
- Pass 管线系统（PassBuilder 拓扑排序 + 条件执行）
- ResourcePool 统一资源管理（代际句柄 + O(1) LRU + 内存预算）
- 全管线无锁（移除所有
std::mutex） - TextureBinding 统一纹理绑定（TextureSlot / TextureBindingArray）
- glTF 强类型枚举（Wrap / Alpha / Filter / ComponentType）
- 共享工具模块（Math / PBR / Sampler / Compression / DebugLog）
- Binning 分块并行归约（替代
critical） - OpenMP 调度策略可配（
OpenMPTuningOptions） - 分阶段计时与帧统计
- ShadeFast 优化（Context / Varying 拆分 + 光源预计算）
- Intel P+E 大小核优化（
guided+ KMP 亲和性，开发中）
- glTF 2.0 完整支持：蒙皮动画 / 变形目标 / KTX2(BasisU) / Draco 压缩
- 进阶 TBR 优化：Hi-Z 层级深度测试 / Tile 级提前淘汰
- 更宽 SIMD 支持（AVX-512）与热点算子专用向量化
- 阴影映射（Shadow Mapping）与更多光源类型
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