RenderHelp可编程渲染管线实现

RenderHelp 是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。

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：

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。