从零到一的简单软光栅项目架构思路

这是此项目的github地址：https://github.com/xingyuZHOU6/Games101-SoftRender.git

架构思路：

通过渲染管线进行架构，渲染管线的流程描述，渲染管线的目的是将一个三维场景转变为一张二维的图，并绘制在屏幕上。

渲染管线的流程：假设我们在三维场景中有一些模型，那这些模型一定具有顶点数据，顶点中保存着顶点的位置（默认为模型空间下），法线，纹理，颜色等信息，首先，我们先进入应用阶段，我们可以在这个阶段选择不同的顶点着色器和片元着色器，比如片元着色器我们可以选择phong shader，texture shader，甚至是简单的将每个片元设置为不同的颜色。

下一个阶段是几何阶段，这个阶段的输入是顶点数据，输出是屏幕空间下的顶点位置，具体流程是顶点数据输入，经过MVP变换（模型变换，视图变换，投影变换矩阵）然后转到裁剪空间下，顶点着色器就包含了MVP变换，也仅仅包含了MVP变换，当我们变换到裁剪空间下之后，接下来要进行裁剪，裁剪的目的是将在视锥体外的顶点和三角面进行裁剪，这样可以优化性能，在此步骤之后，我们将进行透视除法，在进行透视除法后，我们就将顶点变换到了NDC空间下，最后我们在进行视口变换，顶点就成功变换到了屏幕空间下，这就是几何阶段要做的事情。下一个阶段是光栅化阶段，在此阶段我们的输入就是上一个阶段得到的屏幕空间下的坐标，输出实际上是一张颜色缓冲图，具体阶段是当我们将顶点数据传入到光栅化阶段后，我们会先进行一个图元装配，将这些离散的顶点转换为三角形，然后我们会遍历这些三角形，我们首先拿到一个三角形，先进行背部剔除（第一次舍弃，如果三角形处于我们视线的背面，则舍弃），然后计算这个三角形的包围盒，然后得到这个三角形中覆盖的所有像素（第二次舍弃，如果点不在三角形内，则舍弃），然后对这些像素进行处理，通过重心插值的方式，得到每个像素的插值属性，然后进行深度测试（第三次舍弃，如果此像素点的深度值大于原像素点的深度值，则舍弃），在经过深度测试后，我们就能调用片元着色器了，片元着色器会告诉我们每个片元的颜色值，我们就可以把这个值写到颜色缓冲图中，最后再借助opencv的api显示到屏幕上即可，这就是完整的渲染管线流程。

架构步骤：

注意：本篇不涉及矩阵的数学推导，只给出如何架构项目

首先，根据渲染管线的几何阶段，我们要输入顶点数据，那么我们就要保存顶点的信息，你应该需要一个triangle类，这个类中的属性有顶点坐标，法线，纹理坐标，颜色信息，并且给与相应的set方法，来设置顶点。

Triangle.h

然后，我们在main方法中来导入obj模型，这里我们需要用到obj模型导入器，我们就借用下games101中的obj模型导入器，这里你可以直接copy代码，这里不重要

Main.cpp

这里我们使用了一个std::vector<triangle*> 类型的容器，方便我们存储每个三角形。通过这一步，我们就得到了所有的顶点数据，接下来我们就可以将这些数据全部输入到几何阶段中。

那么我们就需要定义一个顶点着色器vertexshader，这个类能够给我们提供MVP变换矩阵。

Vertexshader.h

模型变换矩阵：

作用是从模型空间变换到世界空间，这里我们先使用单位阵即可，就是假设我们的模型已经处于世界空间

Vertexshader.cpp

视图变换矩阵：

作用是从世界空间变换到视图空间

Vertexshader.cpp

投影变换矩阵

作用是从视图空间变换到裁剪空间

Vertexshader.cpp

这样，当我们创建一个vertexshader对象时，我们就能够获取到MVP矩阵对顶点进行变换。

然后，我们就可以来实现渲染管线，我们需要一个rasterizer类，我们将在这个类中实现完整的渲染管线。我们将在此类中定义draw方法，draw方法将完整模拟整个渲染管线。

Rasterizer.h

Draw方法将接收trianglelist，也就是将所有的顶点数据都输入到draw方法中，后面的angle参数可以先不用管。

这样，我们就完成了输入数据的步骤，下一步就是对顶点进行变换，我们已经定义了vertexshader类，这个类中已经包含了MVP矩阵，所以我们只要在rasterizer类中引入一个vertexshader类的对象即可

Rasterizer.h

在rasterizer类中，定义此成员，这样我们就能调用vertexshader中的矩阵

Rasterizer.cpp

这就是draw函数的实现，rotation_matrix矩阵是为了我们能够对模型进行一定的旋转。

重要的还是看MVP矩阵，我们一般使用的都是左乘矩阵，这里注意一下，rotation_matrix如果乘在model_matrix左边就是对模型进行旋转，如果乘在view_matrix左边，就是旋转摄像机了。

然后进行了一个for循环，for循环将遍历每个三角形，newtri就是我们提取出的一个三角形。

我们对拿到的三角形的顶点位置乘MVP矩阵，这样就能够得到裁剪空间下的坐标。

这里注意一下，为什么我们要保存view空间下的坐标，这是为后续背部剔除和phong shader中我们求光线方向和视线方向做准备的。所以一般来说，我们会保存下视图空间的坐标。

Rasterizer.h

我们保存了view_pos的位置

这样，我们就完成了MVP变换，根据渲染管线，我们将进行裁剪，但是在这个项目中我们先不去实现裁剪方法，因为裁剪实现还是挺麻烦的，当我们输入一个三角形后，经过裁剪，最多能产生9个顶点，这样一个三角形就变成了7个三角形，因为4个顶点能组成两个三角形，以此类推

那么继续进行下一步，我们要进行透视除法，这个就是将三角形的x，y，z都除w即可

Draw方法中

同理，下一步将NDC空间转换到屏幕空间

到此为止，我们已经完成了几何阶段，我们已经得到了屏幕空间的坐标

下一阶段是光栅化阶段，首先进行的是图元装配，将离散的点组成三角形，其实这里我们已经做了，因为我们一开始就是用三角形存储的，而不是离散的点，实际上正规的做法是我们先得到离散的点（经过裁剪后的三角形），然后在此处再重新组成三角形

然后，从三角形像素遍历到得到整个颜色缓冲图我们都在raster函数中进行。

根据渲染管线，我们要先得到三角形的包围盒，然后在包围盒内遍历每个像素

SSAA是一种采样技术，这里可以先忽略，将ssaa_factor忽略掉

求包围盒就是取三个顶点最小的x和y，最大的x和y，然后组成的一个矩阵，这里也好理解

确定包围盒之后，我们就可以遍历像素

X，y代表的是像素的左下角，加上0.5后表示的是像素的中心，注意看三次舍弃，先背部剔除，然后判断像素点是否在三角形内部，最后进行深度测试，这里看着可能有点混乱，主要还是我比较懒，不太想改，这里你们把get_index_ssaa()当成get_index(),把ssaa_depthbuffer改成depthbuffer, 把ssaa_colorbuffer改成colorbuffer就行了，完成舍弃掉ssaa就行

这里有一个新的类framebuffer，这个类就是用来存储colorbuffer和depthbuffer的

在rasterizer.h中我们也要创建这个成员

Fragment_Payload结构体用于保存插值属性

Fragmentshader就是片元着色器，可以定义每个片元的颜色，这里我用了两个shader，一个是testshader，一个是fragment_phong_shader。

核心渲染管线到这里差不多就结束了，最后这块比较难讲，你们不如直接去看我的源码，自己一琢磨应该就差不多了，这篇文章主要讲的是软光栅如何去架构，如何分文件，没讲函数实现的数学细节，如果我说的有问题，或者你们有不懂的问题欢迎指出。