Stay Connected

A smart wordpress theme for bloggers
C++光栅化软渲染器(下)渲染篇

C++光栅化软渲染器(下)渲染篇

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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
void Matrix::lookat(Vector3D camPos,Vector3D tarPos,Vector3D up){
    Vector3D xAxis,yAxis,zAxis;
    zAxis=-(tarPos-camPos);
    zAxis.normalize();
    xAxis=up.product(zAxis);
    xAxis.normalize();
    yAxis=zAxis.product(xAxis);
    yAxis.normalize();
    normalize();
    ele[0][0]=xAxis.x;
    ele[0][1]=xAxis.y;
    ele[0][2]=xAxis.z;
    ele[1][0]=yAxis.x;
    ele[1][1]=yAxis.y;
    ele[1][2]=yAxis.z;
    ele[2][0]=zAxis.x;
    ele[2][1]=zAxis.y;
    ele[2][2]=zAxis.z;
    ele[0][3]=-(xAxis.dot(camPos));
    ele[1][3]=-(yAxis.dot(camPos));
    ele[2][3]=-(zAxis.dot(camPos));
}

void Matrix::perspective(float fovy, float aspect, float near, float far){
    ele[0][0]=1/(aspect*tanf(fovy/2));
    ele[1][1]=1/(tanf(fovy/2));
    ele[2][2]=-((far+near)/(far-near));
    ele[2][3]=-(2*far*near)/(far-near);
    ele[3][2]=-1;
}

void Matrix::viewPort(int left,int top,int width,int height){
    normalize();
    ele[0][0]=static_cast<float>(width)/2.0f;
    ele[1][1]=-static_cast<float>(height)/2.0f;
    ele[0][3]=static_cast<float>(left)+static_cast<float>(width)/2.0f;
    ele[1][3]=static_cast<float>(top)+static_cast<float>(height)/2.0f;
}

  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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
#ifndef MAINCAMERA_H
#define MAINCAMERA_H
#include"vector3d.h"

class maincamera
{
public:
    Vector3D pos,goal,up;
    float fov,asp,near,far;
public:
    maincamera();
    maincamera(Vector3D mpos,Vector3D mgoal,Vector3D mup,float mfov,float masp,float mnear,float mfar);
    void rotateY(float angle);
};

  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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
#include "maincamera.h"
#include "vector4d.h"
#include "matrix.h"
#include "stdio.h"

maincamera::maincamera()
{
    pos=Vector3D(0,4,-8);
    goal=Vector3D(0,0,0);
    up=Vector3D(0,1,0);
    fov=45*3.14/180.f;
    asp=1280/767.f;
    near=1.f;
    far=50.f;
}
maincamera::maincamera(Vector3D mpos, Vector3D mgoal, Vector3D mup, float mfov, float masp, float mnear, float mfar)
{
    pos=mpos;
    goal=mgoal;
    up=mup;
    fov=mfov;
    asp=masp;
    near=mnear;
    far=mfar;
}

void maincamera::rotateY(float angle)
{
    Vector4D pos4(pos.x,pos.y,pos.z,1);
    Matrix rot;
    rot.normalize();
    rot.rotationY(angle);
    pos4=rot*pos4;
    pos.setX(pos4.x);
    pos.setY(pos4.y);
    pos.setZ(pos4.z);
}

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
#ifndef BASICSHADER_H
#define BASICSHADER_H
#include "shader.h"
#include "polygon.h"
#include "matrix.h"

class BasicShader: public Shader
{
private:
    Matrix Mm2w;
    Matrix Mw2v;
    Matrix Mv2p;
public:
    BasicShader();
    ~BasicShader(){}
    virtual void setCam(Vector3D pos,Vector3D goal,Vector3D up,float fov,float asp,float near,float far);
    virtual V2F vertexShader(const Vertex &amp;in);
    virtual Vector4D fragmentShader(const V2F &amp;in);
};

#endif // BASICSHADER_H

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
#include "basicshader.h"

BasicShader::BasicShader()
{
    Mm2w.normalize();
    Mw2v.normalize();
    Mv2p.normalize();
}
void BasicShader::setCam(Vector3D pos,Vector3D goal,Vector3D up,float fov,float asp,float near,float far)
{
    Mw2v.lookat(pos,goal,up);
    Mv2p.perspective(fov,asp,near,far);
}
V2F BasicShader::vertexShader(const Vertex &amp;in){
    V2F ret;
    ret.posM2W=Mm2w*in.position;
    ret.posV2P=Mw2v*ret.posM2W;
    ret.posV2P=Mv2p*ret.posV2P;
    ret.color=in.color;
    ret.normal=in.normal;
    ret.texcoord = in.texcoord;
    return ret;
}

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
void Pipeline::drawIndex(RenderMode mode,maincamera *camera)
{
    if(m_indices.empty())return;
    m_shader-&gt;setCam(camera-&gt;pos,camera-&gt;goal,camera-&gt;up,camera-&gt;fov,camera-&gt;asp,camera-&gt;near,camera-&gt;far);
    for(unsigned int i=0;i<m_indices.size() 3="">vertexShader(vv1),v2=m_shader-&gt;vertexShader(vv2),v3=m_shader-&gt;vertexShader(vv3);
        v1.posV2P/=v1.posV2P.w;
        v2.posV2P/=v2.posV2P.w;
        v3.posV2P/=v3.posV2P.w;
        v1.posV2P=viewPortMatrix*v1.posV2P;
        v2.posV2P=viewPortMatrix*v2.posV2P;
        v3.posV2P=viewPortMatrix*v3.posV2P;
        m_backBuffer-&gt;Cover(static_cast<int>(v1.posV2P.x),static_cast<int>(v1.posV2P.y),v1.color);
        m_backBuffer-&gt;Cover(static_cast<int>(v2.posV2P.x),static_cast<int>(v2.posV2P.y),v2.color);
        m_backBuffer-&gt;Cover(static_cast<int>(v3.posV2P.x),static_cast<int>(v3.posV2P.y),v3.color);
        if(mode==Wire)
        {
            bresenham(v1,v2);
            bresenham(v1,v3);
            bresenham(v2,v3);
        }
        else if(mode==Fill)
        {
            edgeWalkingFillRasterization(v1,v2,v3,1);
            //edgeWalkingFillRasterization(v1,v2,v3,2);
        }
    }
}

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
while(!stopped)
    {
        pipeline-&gt;clearBuffer(Vector4D(0,0,0,1.0f));
        pipeline-&gt;drawIndex(Pipeline::Fill,camera);
        pipeline-&gt;swapBuffer();
        emit frameOut(pipeline-&gt;output());
        camera-&gt;rotateY(0.01f);
    }

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
#ifndef TEXTURE_H
#define TEXTURE_H
#include"vector2d.h"
#include"vector4d.h"
#include<qmainwindow>
#include <qstring>

class Textures
{
private:
    int width,height,channel;
    QImage *pixelBuffer;
public:
    Textures();
    ~Textures();
    void loadImage(const QString &amp;path);17     Vector4D sample(const Vector2D &amp;texcoord);
};

#endif // TEXTURE_H

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
1 #include "textures.h"
 2 #include "QDebug"
 3
 4 Textures::Textures()
 5 {
 6     width=0;
 7     height=0;
 8     channel=0;
 9     pixelBuffer=nullptr;
10 }
11
12 void Textures::loadImage(const QString &amp;path)
13 {
14     pixelBuffer=new QImage();
15     pixelBuffer-&gt;load(path);
16     width=pixelBuffer-&gt;width();
17     height=pixelBuffer-&gt;height();
18     channel=3;
19 }
20
21 Vector4D Textures::sample(const Vector2D &amp;texcoord)
22 {
23     Vector4D result(0.0,0.0,0.0,1.0);
24     unsigned int x = 0, y = 0;
25     double factorU = 0, factorV = 0;
26     if(texcoord.x &gt;= 0.0f &amp;&amp; texcoord.x &lt;= 1.0f &amp;&amp; texcoord.y &gt;= 0.0f &amp;&amp; texcoord.y &lt;= 1.0f)
27     {
28         double trueU = texcoord.x * (width - 1);
29         double trueV = texcoord.y * (height - 1);
30         x = static_cast<unsigned int="">(trueU);
31         y = static_cast<unsigned int="">(trueV);
32         factorU = trueU - x;
33         factorV = trueV - y;
34     }
35     else
36     {
37         float u = texcoord.x,v = texcoord.y;
38         if(texcoord.x &gt; 1.0f)
39             u = texcoord.x - static_cast<int>(texcoord.x);
40         else if(texcoord.x &lt; 0.0f)
41             u = 1.0f - (static_cast<int>(texcoord.x) - texcoord.x);
42         if(texcoord.y &gt; 1.0f)
43             v = texcoord.y - static_cast<int>(texcoord.y);
44         else if(texcoord.y &lt; 0.0f)
45             v = 1.0f - (static_cast<int>(texcoord.y) - texcoord.y);
46
47         double trueU = u * (width - 1);
48         double trueV = v * (height - 1);
49         x = static_cast<unsigned int="">(trueU);
50         y = static_cast<unsigned int="">(trueV);
51         factorU = trueU - x;
52         factorV = trueV - y;
53     }
54     Vector3D texels[4];
55
56     pixelBuffer-&gt;pixelColor(x,y).red();
57     texels[0].x = static_cast<float>(pixelBuffer-&gt;pixelColor(x,y).red()) * 1.0f/255;
58     texels[0].y = static_cast<float>(pixelBuffer-&gt;pixelColor(x,y).green()) * 1.0f/255;
59     texels[0].z = static_cast<float>(pixelBuffer-&gt;pixelColor(x,y).blue()) * 1.0f/255;
75
76     77     result = texels[0];
78
79     return result;
80 }

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
BasicShader::BasicShader()
{
    Mm2w.normalize();
    Mw2v.normalize();
    Mv2p.normalize();
    tex1-&gt;loadImage("D:/ice.jpg");
    tex2-&gt;loadImage("D:/metal.jpg");
    tex3-&gt;loadImage("D:/floor.jpg");
    tex4-&gt;loadImage("D:/wall.jpg");
}

Vector4D BasicShader::fragmentShader(const V2F &amp;in){
    Vector4D retColor;
    if(in.textureID==1)
        retColor = tex1-&gt;sample(in.texcoord);
    if(in.textureID==2)
        retColor = tex2-&gt;sample(in.texcoord);
    if(in.textureID==3)
        retColor = tex3-&gt;sample(in.texcoord);
    if(in.textureID==4)
        retColor = tex4-&gt;sample(in.texcoord);
    return retColor;
}

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
#ifndef LIGHT_H
#define LIGHT_H
#include "vector4d.h"

class Light
{
public:
    int kind;
    float intensity;
    Vector4D m_pos;
    Vector4D m_col;
public:
    Light(){}
    Light(Vector4D pos,Vector4D col,int k,float i){kind=k;intensity=i;m_col=col;m_pos=pos;}
    Light(Light *l){kind=l-&gt;kind;intensity=l-&gt;intensity;m_col=l-&gt;m_col;m_pos=l-&gt;m_pos;}
    ~Light(){}
};

#endif // LIGHT_H

  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:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Vector4D BasicShader::fragmentShader(const V2F &amp;in){
    Vector4D retColor;
    if(in.textureID==1)
        retColor = tex1-&gt;sample(in.texcoord);
    if(in.textureID==2)
        retColor = tex2-&gt;sample(in.texcoord);
    if(in.textureID==3)
        retColor = tex3-&gt;sample(in.texcoord);
    if(in.textureID==4)
        retColor = tex4-&gt;sample(in.texcoord);
    Vector4D n=Vector4D(in.normal.x,in.normal.y,in.normal.z,1);
    Vector4D l=lights-&gt;m_pos-in.posM2W;
    n.normalize();
    l.normalize();
    Vector4D last=Vector4D(lights-&gt;m_col.x*retColor.x,lights-&gt;m_col.y*retColor.y,lights-&gt;m_col.z*retColor.z,1);
    float tmp=n.dot(l);
    if(tmp&lt;0)tmp=0;
    tmp=powf(tmp,0.8f);
    if(tmp&gt;0.2f)
        retColor=last*tmp;
    else
        retColor=last*0.2f;
    tmp*=lights-&gt;intensity;
    retColor.w=1;
    return retColor;
}

  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。

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Stay Connected

Instagram Feed

×