引言

　　上一篇我们完成了2D渲染器，接下来要实现3D几何体的绘制。其实3D比2D没有多太多内容，无非就是多了几步空间变换和一个视角控制的部分。首先，我们设置一下视角，为之后的三维渲染做准备。

空间变换与相机

　　这里我们来简单谈谈空间变换。它的概念在unity渲染管线那篇文章中有详细介绍，大概就是要从模型空间变换到世界空间、变换到视角空间、变换到裁剪空间、变换到ndc空间、变换到屏幕坐标。因为这部分属于图形学入门的知识，再加上自己太懒不想打太多数学符号，因此直接上几张自己曾经做过的白板ppt：

　　好了，相信你对这几个空间变换有了一定的了解，那么接下来我们就补充一下Matrix类：

　　其中lookat矩阵是从世界空间转换到视角空间的矩阵，perspective矩阵是从视角空间转换到裁剪空间的矩阵，viewport是从ndc空间转换到屏幕坐标的矩阵，要注意的是中间其实还有一步从裁剪空间坐标转移到ndc空间的变换，方法很简单，只需要给x、y、z、w都除以w即可，因此我没有单写它的矩阵，但大家千万不要忘了这一步。

　　在三维世界中，相机是一个非常重要的物体，它决定了视口的视野。由于一般情况下游戏引擎中的相机以对象的形式呈现，因此我把这里的相机单独做成了一个类。

　　首先相机作为一种对象（游戏物体），成员参数必须包括它在世界空间中的位置（pos）和旋转角度（这里使用的goal和up，分别表示相机看向的点以及相机自身的z轴方向，通过这两个向量可以唯一确定下来相机的旋转角度）。此外，在空间变换中我们知道：相机空间向裁剪空间变换时，其裁剪矩阵由相机的张角（fov）、asp（宽高比）、near（近裁剪面距离）、far（远裁剪面距离）来决定，因此这四个变量也必须要定义。
　　成员函数比较简单，构造函数种可以对相机的transform和属性参数进行设置，这里定义了一个rotateY函数，作用就是绕着Y轴旋转angle的角度，每帧调用rotateY就可以起到一种环绕浏览的效果。

　　现在我们得到了一个相机类。相机需要在执行渲染管线之前被创建出来，因此我们在renderroute类的loop中实例化一个相机类：maincamera *camera=new maincamera; 然后在渲染循环中把相机传入：pipeline->drawIndex(Pipeline::Fill,camera);
　　此时我们需要考虑的事情是：相机数据在管线中的什么位置会被用到。回顾渲染流水线的流程，我们可以知道，相机这个概念最早出现在顶点着色器中。在VS里，我们要将顶点从模型空间变换到裁剪空间，其中从世界空间变换到相机空间、从相机空间变换到裁剪空间这两大变换都需要相机数据。此时我们更改一下BasicShader类：

　　其实就增加了三个变换矩阵：Mm2w是模型转世界，Mw2v是世界转相机，Mv2p是相机转裁剪。此外我们还增加了一个setCam函数，通过相机数据来设置上述的三大矩阵——通过pos,goal,up来构造Mw2v矩阵，通过fov,asp,near,far来构造Mv2p矩阵。因为是要构造矩阵，因此可以在matrix类里补充这两个构造矩阵的函数。

　　根据空间变换的内容，我们可以得到.cpp文件中setCam函数的具体写法：

　　在.cpp文件中我们来获取一下相机参数，这样可以构造出Mw2v和Mv2p两个矩阵了。拥有这些矩阵以后，我们便可以在顶点着色器中编写空间变换的代码了，如上述代码所示。之后我们来修改一下渲染管线中的内容：

　　解析一下上面的代码，在进入管线之后我们要把相机参数给到对应的shader中，然后执行顶点着色器，完成空间变换。此时得到的V2F顶点位于裁剪空间当中，为了得到它们的屏幕坐标，首先要做一下齐次除法（直接除以w，即从裁剪空间变换到ndc空间），然后再乘一下从裁剪空间到屏幕空间中转化的矩阵viewPortMatrix。乘完之后，就得到了每个点的屏幕坐标。要注意的是，qt会对超出屏幕范围的点进行取模运算，这不是我们想要的结果，而且对于超出范围过多的点会导致爆栈，因此我们在光栅化的过程中，我们直接把屏幕之外的片元进行丢弃。

　　好了，我们的二维转三维的工作就完成了。接下来我们可以在renderRoute中自由定义一个mesh，装一下自己喜欢的几何体形状，然后在while循环中每帧调用相机绕y轴旋转的函数：

　　现在距离转换还差最后一步：深度缓冲。因为我们只能看见离视角最近的内容，看不到远方的被遮挡的，因此我们可以在framebuffer中定义一个深度缓冲，在每次写入像素的时候都做一个如下的判断：if(current.posV2P.z<=m_backBuffer->depth[xx][yy])

　　（PS：深度其实可以用屏幕坐标下的z值来表示）

　　得到的效果如下：

纹理映射

　　讲道理，纹理映射本是一个很复杂的内容，但是因为前期的框架搭建比较良好+受cpu渲染性能影响没办法引入什么高端的纹理映射算法，因此这部分变得比较简洁。首先话不多说，先定义一个纹理类Texture：

　　这些成员大家应该都比较熟悉了。简单介绍下方法成员，loadImage是从你的磁盘中读入图片，sample就是根据传入的uv坐标，在纹理图上进行采样并返回采样结果。直接上.cpp文件：

　　loadImage里读取图片的部分是Qt的固定写法，sample函数主要做了两部分：修正uv和采样。修正uv主要指的是如果uv坐标超出了范围，那么要自动进行循环拓展；采样部分比较简单，就是根据uv来对应到图片中的像素。这里本来写了双线性纹理采样，后来发现效果很不明显，而且很吃性能，所以就给去掉了。

　　那么如何让顶点知道自己用的是哪张纹理图呢？这里我们可以给顶点Vertex和V2F类都增加一个成员变量textureID，用来标识纹理，然后在Shader中把纹理存起来，在片元着色器中根据顶点的textureID编号来选择要采样的纹理：

　　最后我们可以得到一个这样的效果：

　　怎么感觉正方体浮在表面上？仔细观察你会发现地板的纹理在来回扭动，使得正方体的变化和地板的纹理没有对应上，就会给人一种正方体浮在表面上的感觉。这个原因很简单，那就是在投影视角下，uv不再是线性的了。这个问题的解决方式很简单：在顶点着色器中，我们给texcoord除以一下w，这时候uv才会呈线性，此时我们再进行sample采样就能得到正确的结果。（在除以w之后，还要把w记录下来，然后在scanLinePerRow中别忘了再把w乘回来。如果你不在顶点着色器中记录w，渲染管线会在变换到ndc空间时把w置1，之后你再获取w就全是1了）

　　现在纹理正常了。

收尾——光照

　　最后我们来看一下光照模型。这里我们直接使用简易的兰伯特模型（因为性能实在罩不住了，太卡了）我们定义一个light类：

　　光照主要就是这几个属性：光照类型（已废弃）、光照强度、光源位置、光源颜色。方法只有个构造函数，.cpp文件直接空白。

　　接下来我们需要在renderRoute中把光源初始化出来，然后改写一下pipeline中drawIndex方法，把光源的指针传入到渲染管线，然后渲染管线再将光源传入到shader中，注意这步的传入并不是用的函数传参，而是我直接在shader中定义了一个光源成员变量，渲染管线只需要把这个成员变量修改一下即可。（这几步零零散散的改了好几处，而且每处都是一两句代码，所以我就不放具体修改的代码了）

　　接下来我们开始编写片元着色器，代码如下：

　　首先我们获取到片元的法线，然后获取光源到片元的向量，接下来便可以使用兰伯特模型公式：Ild = k*I*(N·L)，其中N表示顶点法向量，L表示从顶点指向光源位置的单位向量（主意指向，不要弄反了）。之后我们再乘一下光照强度，然后再根据效果调整一下强度曲线即可。

　　以下是最终效果图：

　　至此，软渲染器的制作完成。