mini3d源码解析及功能扩展-优快云博客

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简介

mini3d是前网易员工@韦易笑开发的3d软渲染引擎，总代码量不到1000行，短小精悍，适合初学者学习。

本文结合源码给出自己的理解，并在原作基础上实现功能扩展：

补充缺少的三维变换功能（平移、缩放）
增加简单光照（漫反射）

代码简析

这个项目实现了一个方块的3d渲染，主要功能点有：

支持平移和旋转
支持三种不同状态的显示（线框、颜色、纹理）

下面来对代码做个简析，主要是把握脉络，不求深入细节。

先看主函数，第一行定义了类型为device_t的变量device。
结构体device_t包含渲染方块用到的所有参数和数据结构：

typedef struct {
	transform_t transform;      // 坐标变换器
	int width;                  // 窗口宽度
	int height;                 // 窗口高度
	IUINT32 **framebuffer;      // 像素缓存：framebuffer[y] 代表第 y行
	float **zbuffer;            // 深度缓存：zbuffer[y] 为第 y行指针
	IUINT32 **texture;          // 纹理：同样是每行索引
	int tex_width;              // 纹理宽度
	int tex_height;             // 纹理高度
	float max_u;                // 纹理最大宽度：tex_width - 1
	float max_v;                // 纹理最大高度：tex_height - 1
	int render_state;           // 渲染状态
	IUINT32 background;         // 背景颜色
	IUINT32 foreground;         // 线框颜色
}	device_t;

其后完成一系列初始化：

函数	作用
`screen_init`	初始化屏幕（windows上显示窗口所必需）
`device_init`	初始化设备（为`device_t`中的成员变量赋初值）
`camera_at_zero`	初始化相机位置，建立相机坐标系
`init_texture`	初始化纹理（蓝白相间图案，存在`device_t`的`texture`变量中）

随后进入主循环，每次循环会依次做如下操作：

device_clear：清空framebuffer和z-buffer。
camera_at_zero：重设相机位置。
监听键盘事件，修改旋转角度alpha和相机x坐标的值，以及切换render_state。
draw_box：画方块，具体来说是从方块 -> 平面 -> 三角形 -> 线段 -> 像素，一层层深入；当然这个过程中还包括三维观察坐标变换，以及按z-buffer处理遮挡。最后在framebuffer中为每个像素点设置颜色。
screen_update：调用windows api将framebuffer中的像素显示到屏幕上。

功能扩展

以上只是概述。话说要深入理解一段代码，最好的办法还是动手改点东西。

我们来看看有哪些新feature是可以添加进去的。

原作只支持旋转和前后平移（其实是相机的平移，而非方块），我们很容易想到可以完善三维变换的所有功能：平移（包括六个方向）、旋转、缩放。
现在的方块无论从哪个角度看都一个样，原因是缺乏光照。我们可以添加简单的光照，如漫反射和镜面反射。

完善三维变换功能

添加三维变换的关键是：在三维观察坐标变换的流水线中，找到合适的地方对顶点做三维变换。

我们先处理缩放和旋转，通过改写draw_box：

    void draw_box(device_t *device, float alpha, float scale) {
    	matrix_t m1;
    	matrix_set_scale(&m1, scale, scale, scale);
    	matrix_t m2;
    	matrix_set_rotate(&m2, -1, -0.5, 1, alpha);
    	matrix_t m;
    	matrix_mul(&m, &m1, &m2);
    	device->transform.world = m;

再在transform_apply中处理平移，插入点是在完成相机坐标系的变换之后：

void transform_apply(const transform_t *ts, vector_t *y, const vector_t *x, vector_t *_3d_transform) {
	vector_t t1;
	vector_t t2;
	vector_t t3;
	matrix_apply(&t1, x, &ts->world);
	matrix_apply(&t2, &t1, &ts->view);
	vector_add(&t3, &t2, _3d_transform);
	matrix_apply(y, &t3, &ts->projection);
}

增加简单光照

这里实现的是简单的漫反射。

根据漫反射的实现原理，物体上的顶点在光照下的颜色取决于以下因素：

材质颜色
光的颜色
光的入射方向
顶点所在平面的法向量

按照这些因素一个个来实现。

先定义光源：

// 平行光源
typedef struct {
	color_t color;				// 颜色
	vector_t direction;			// 方向
} light_t;

再根据平面上三点计算法向量：

// 计算平面法向量
void calc_plane_normal(const transform_t *ts, vector_t *normal, const vector_t *x, const vector_t *y, const vector_t *z) {
	vector_t wx;
	vector_t wy;
	vector_t wz;
	vector_t xy;
	vector_t yz;
	matrix_apply(&wx, x, &ts->world);
	matrix_apply(&wy, y, &ts->world);
	matrix_apply(&wz, z, &ts->world);
	vector_sub(&xy, &wy, &wx);
	vector_sub(&yz, &wz, &wy);
	vector_crossproduct(normal, &xy, &yz);
	vector_normalize(normal);
}

然后将法向量传入device_draw_scanline，插入下面一段代码，真正实现光照对颜色的影响：

// 处理光照
float dot = vector_dotproduct(&device->light.direction, normal);
if (dot < 0)
	dot = -dot;
b *= dot * device->light.color.b;
g *= dot * device->light.color.g;
r *= dot * device->light.color.r;