SoftRenderer

A pipeline-like software rendering frame

仿图形渲染管线设计的CPU软渲染器。

已实现功能：

• 基于SDL2的窗口显示和绘制
• 基础光栅化算法，三维空间内绘制点，线，三角形
• Camera摄像机自由移动功能
• 深度缓冲和基于绕序的背面剔除
• 纹理映射（最近邻过滤和线性过滤）和各种纹理寻址模式
• 基本的基于Alpha分量的颜色混合
• 基本的Blinn-Phong和BRDF光照算法
• 基本的MSAA反走样算法
• 曲面细分，曲面简化，生成曲线/曲面

待完善功能：

• 建立完备的数学库
• 纹理Mipmap
• 完整的几何细分和LOD支持

相关文章：

软光栅化渲染器学习笔记（一）：简单几何图元

软光栅化渲染器学习笔记（二）：深入光栅化细节

软光栅化渲染器学习笔记（三）：细分几何

Core 核心部分

光栅化 Rasterization

着色器模块 Shader Module

基础光照模块 LightingUtil

基础光照模块内置了基于Blinn-Phong模型计算BRDF光照的一些基本方法，在进行高洛德着色时会使用到这些方法：

//计算菲涅耳方程的石里克近似
Vector3f SchlickFresnel(Vector3f R0, Vector3f normal, Vector3f lightVec)const;
//计算Blinn-Phong光照结果
Vector3f BlinnPhong(Vector3f lightStrength, Vector3f lightVec, Vector3f normal, Vector3f toEye, Material mat)const;
//计算方向光
Vector3f ComputeDirectionalLight(Light light, Material mat, Vector3f normal, Vector3f toEye)const;
//计算点光源
Vector3f ComputePointLight(Light light, Material mat, Vector3f pos, Vector3f normal, Vector3f toEye)const;
//计算聚光灯
Vector3f ComputeSpotLight(Light light, Material mat, Vector3f pos, Vector3f normal, Vector3f toEye)const;

参与光照计算的基本数据：

//灯光信息
struct Light {
	LightType type;
	Vector3f ambientLight;
	Vector3f strength;
	Vector3f direction;         //仅用于方向光/聚光灯
	Vector3f position;	    //仅用于点光源/聚光灯
	float spotPower;            //仅用于聚光灯
};

//材质信息
struct Material {
	Vector4f diffuseAlbedo;
	Vector3f fresnelR0;
	float roughness;
};

高洛德着色 GouraudShader

高洛德着色器是基于顶点数据插值计算光照颜色的基本着色器，在使用之前需要填充参与着色器计算的常量数据和纹理数据：

//场景信息常量
struct {
	Vector3f eyePos;
	Vector3f ambientLight;
	Matrix4x4f viewMatrix;
	Matrix4x4f projMatrix;
	Light light;
}passConstant;

//物体信息常量
struct {
	Matrix4x4f worldMatrix;
	Matrix4x4f normalMatrix;
}objectConstant;

//材质信息常量
struct {
	Vector4f diffuseAlbedo;
	Vector3f fresnelR0;
	float roughness;
}materialConstant;

//采样器
Sampler sampler;
//纹理
Texture* texture{ nullptr };

可以通过修改GouraudShader的顶点着色器和片元着色器来改变渲染的效果：

Vector4f VertexShader(VertexInput input, FragmentInput& output)const;
Vector4f FragmentShader(FragmentInput input)const;

渲染管线 Pipeline

创建GouraudShaderPipeline对象的方法：

GouraudShaderPipeline pipeline(width, height, SampleCount);

支持的图元拓扑类型：

enum class TopologyType {
	PointList = 0,
	LineList,
	TriangleList,
};

支持的MSAA反走样倍数：

enum class SampleCount {
	Count1 = 0,
	Count2,
	Count4,
	Count8,
	Count16
};

GouraudShaderPipeline的渲染设置：

//设置顶点缓冲
void SetVertexBuffer(Vertex* vertexBuffer);
//设置索引缓冲（非必须）
void SetIndexBuffer(uint32_t* indexBuffer);
//设置图元拓扑
void SetTopologyType(TopologyType topologyType);
//设置着色器数据（必须为GouraudShader）
void SetShader(GouraudShader shader);

默认深度测试采用的比较方程是小于等于，默认背面剔除采用的是顺时针绕序剔除：

bool DepthTest(int x, int y, int samplePoint, float z);
bool CullFace(Vector2i v0, Vector2i v1, Vector2i v2)const;

清空framebuffer和z-buffer数据方法：

pipeline.Clear(Vector4f(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f), FLT_MAX);

读出framebuffer存储的像素颜色数据方法：

Vector3f ReadFramebuffer(int x, int y);

DrawCall：

//只使用顶点缓冲
void Draw(size_t baseVertexOffset, size_t count);
//使用索引缓冲
void DrawIndexed(size_t indexOffset, size_t baseVertexOffset, size_t count);

渲染器 Renderer

渲染器接入了SDL库，可以将framebuffer存储的颜色数据最终显示在屏幕上。

创建Renderer对象的方法：

Renderer(SDL_Window* window);

将framebuffer呈现在屏幕上的方法：

void Present(Pipeline* pipeline)const;

数学库 Math

数学库采用行主序存储和右乘结合，内置了基本的向量和矩阵运算功能，支持的类型：

• Vector2i, Vector2f, Vector3i, Vector3f, Vector4f
• Matrix3x3f, Matrix4x4f

支持的基本运算:

• 向量的点乘（Dot），叉乘（Cross），归一化（Normalize）
• 矩阵的转置（Transpose），矩阵的行列式（Determinant），基于伴随矩阵的矩阵求逆（Inverse）
• 向量和矩阵，矩阵和矩阵的右乘（Multiply）

常用矩阵变换：

//缩放矩阵
Matrix4x4f Scale(float x, float y, float z);

//旋转矩阵
Matrix4x4f RotateX(float angle);
Matrix4x4f RotateY(float angle);
Matrix4x4f RotateZ(float angle);
Matrix4x4f RotateAxis(Vector3f axis, float angle);

//平移矩阵
Matrix4x4f Translate(float x, float y, float z);

//正交投影矩阵
Matrix4x4f OrthograpicProjection(float l, float r, float t, float b, float n, float f);
//透视投影矩阵
Matrix4x4f PerspectiveProjection(float l, float r, float t, float b, float n, float f);

Function 功能部分

摄像机对象 Camera

创建摄像机对象的方法：

Camera();
Camera(float aspect); //在创建时设定宽高比

获取基本参数和矩阵：

Vector3f GetPosition3f()const;
Matrix4x4f GetViewMatrix4x4f()const;
Matrix4x4f GetProjMatrix4x4f()const;

设定相机的视锥体参数：

void SetLens(float fovY, float aspect, float nearZ, float farZ);

相机的基本观察，移动，旋转操作：

void LookAt(Vector3f pos, Vector3f target, Vector3f worldUp);
void Walk(float distance);
void Strafe(float distance);
void Pitch(float angle);
void RotateY(float angle);

//在每次操作完相机后更新观察矩阵
void UpdataViewMatrix();

纹理

采样器对象 Sampler

设置采样器对象的过滤器，UV方向上的寻址模式，边框寻址模式下的边框颜色：

Sampler(Filter filter, AddressMode addressModeU, AddressMode addressModeV);
void SetBorderColor(Vector4f color);

可供选择的过滤器：

enum class Filter {
	Nearest = 0,
    Linear
};

可供选择的寻址模式：

enum class AddressMode {
	Repeat = 0,
	Mirror,
	Clamp,
	Border
};

纹理对象 Texture

利用STB图像库载入图像数据：

//子资源数量为1（不使用Mipmap）
//直接使用构造函数
Texture(const char* path, uint32_t BPP);
//使用LoadImageWithSTB函数
void LoadImageWithSTB(const char* path, uint32_t BPP);
//多个子资源（使用Mipmap）
Texture(size_t subresourceCount);
void LoadImageWithSTB(const char* path, uint32_t BPP, size_t subresource);

释放Texture中存储的数据：

void Release();

模型对象 Model

有关使用Assimp库加载模型的介绍见：Assimp与模型渲染的故事：模型加载，骨骼蒙皮动画

使用Model类加载模型：

Model(std::string path);

Model对象下存储着模型的渲染数据：

std::vector<MaterialInfo> materials;
std::vector<Mesh::RenderInfo> renderInfo;
std::vector<std::string> texturePath;

细分 Tessellation

To be continued...