[从零构建光栅渲染器] 6. 顶点和片元着色器的工作原理

最新推荐文章于 2025-08-27 14:12:21 发布

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#图形学 #opengl #渲染器 #光栅

本文通过从零构建光栅渲染器的过程，详细介绍了顶点和片元着色器的工作原理。从Sokolov的教程出发，通过500行C++代码实现，逐步深入讲解三维变换、投影、着色器等内容。通过具体代码示例，解释了着色器如何处理顶点坐标转换和片段颜色计算，展示了Gouraud着色、纹理、法线贴图和镜面贴图的应用。

[从零构建光栅渲染器] 6. 顶点和片元着色器的工作原理

非常感谢和推荐Sokolov的教程，Sokolov使用500行C++代码实现一个光栅渲染器。教程学习过程非常平滑，从画点、线和三角形开始教学，在逐步深入三维变换，投影，再到顶点着色器，片段着色器等等。教程地址：https://github.com/ssloy/tinyrenderer。Sokolov的教程为英文，我翻译了其文章。

在学习过程中，有些内容可能您可能云里雾里，这时就需要查阅《计算机图形学》的书籍了，这里面的算法和公式可以帮助您理解代码。

作者：尹豆（憨豆酒），联系我yindou97@163.com，熟悉图形学，图像处理领域，本章代码： https://github.com/douysu/computer-graphics-notes

本章运行结果

开始

请记住，我的代码只是帮你进行参考，不要用我的代码，写你自己的代码。我是个糟糕的程序员。请你做最疯狂的着色器，并把图片发给我，我会把它们贴在这里。

有趣的时间，首先让我们检查一下我们现在的代码。source code

geometry.cpp+.h — 218 行
model.cpp+.h — 139 行
our_gl.cpp+.h — 102 行
main.cpp — 66 行

总共525行，正是我们想要的。请注意，只有our_gl.*和main.cpp两个文件负责实际渲染，总共168行。

重构代码

main.cpp中的代码太多了，让我们分割成两部分：

our_gl.h+cpp——这部分开发者接触不到，说白了是OpenGL的library。
main.cpp——这是我们想要的重构的。

现在我们应该放什么到our_gl中？ModelView，Viewport 和Projection矩阵初始化函数和三角光栅化。就这些。

下面是文件our_gl.h的内容（我稍后会介绍IShader结构）。

#include "tgaimage.h"
#include "geometry.h"
extern Matrix ModelView;
extern Matrix Viewport;
extern Matrix Projection;
void viewport(int x, int y, int w, int h);
void projection(float coeff=0.f); // coeff = -1/c
void lookat(Vec3f eye, Vec3f center, Vec3f up);
struct IShader {
    virtual ~IShader();
    virtual Vec3i vertex(int iface, int nthvert) = 0;
    virtual bool fragment(Vec3f bar, TGAColor &color) = 0;
};
void triangle(Vec4f *pts, IShader &shader, TGAImage &image, TGAImage &zbuffer);

翻译作者内容：从上面的代码可以看到vertex()方法和fragment()方法，这里就是我们常用的顶点着色器和片元着色器，从这两个函数中，我们可以明白着色器的工作原理。

文件main.cpp现在只有66行，因此我把它完整的列出来（很抱歉代码太长，但我仍然把他完整的列出来，因为我很喜欢它）。

#include <vector>
#include <iostream>
#include "tgaimage.h"
#include "model.h"
#include "geometry.h"
#include "our_gl.h"
Model *model     = NULL;
const int width  = 800;
const int height = 800;
Vec3f light_dir(1,1,1);
Vec3f       eye(1,1,3);
Vec3f    center(0,0,0);
Vec3f        up(0,1,0);
struct GouraudShader : public IShader {
    Vec3f varying_intensity; // written by vertex shader, read by fragment shader
    virtual Vec4f vertex(int iface, int nthvert) {
        varying_intensity[nthvert] = std::max(0.f, model->normal(iface, nthvert)*light_dir); // get diffuse lighting intensity
        Vec4f gl_V