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codecov workflow commit-activity last-commit-main MIT License LICENSE 996.icu

SimpleRenderer

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概述

SimpleRenderer 是一个软件渲染器，主要目标是教育开发者了解 3D 渲染和图形管道的基本原理。通过提供一个简化但功能完善的渲染框架，它揭示了渲染图形过程中涉及的复杂过程，模拟了 OpenGL 和其他图形 API 的内部工作方式。

目的

  • 教育重点：旨在教授渲染的核心概念，包括顶点处理、光栅化、着色和变换。
  • 解密 OpenGL：提供对 OpenGL 和基于 GPU 的渲染管道内部工作方式的深入了解。
  • 动手学习：允许开发者实验渲染算法并实时观察各种技术的效果。

主要功能

  • 可定制的着色器：实现了顶点和片段着色器，展示着色的基本工作原理。
  • 简化的渲染管道：将渲染过程分解为易于理解的阶段，模拟 OpenGL 管道。
  • 跨平台兼容性：兼容 Linux 和 macOS，方便在不同环境中学习。
  • 详尽的文档：提供每个组件的详细解释，辅助学习和理解。

学习目标

通过探索 SimpleRenderer，您将学习：

  • 如何将顶点从 3D 空间转换为 2D 屏幕坐标。
  • 组装图元（三角形）和执行裁剪的过程。
  • 光栅化如何将矢量信息转换为像素。
  • 着色模型的基础知识，包括光照计算。
  • 深度缓冲和背面剔除如何优化渲染。

快速开始

前置条件

确保您已安装以下依赖项：

sudo apt install doxygen graphviz clang-format clang-tidy cppcheck lcov gcc g++ libsdl2-dev libsdl2-ttf-dev libomp-dev libspdlog-dev cmake libassimp-dev

对于 macOS 用户，使用 Homebrew 安装依赖项：

brew install doxygen graphviz clang-format clang-tidy cppcheck lcov gcc sdl2 sdl2_ttf libomp spdlog cmake assimp

构建项目

1. 克隆仓库

git clone https://github.com/Simple-XX/SimpleRenderer.git
cd SimpleRenderer

2. 使用 CMake 预设配置和构建

标准构建：

cmake --preset=build
cmake --build build --target all

对于 macOS：

cmake --preset=build-macos
cmake --build build-macos --target all

3. 运行示例应用程序

./build/bin/system_test ../obj

理解渲染器

核心渲染管道

SimpleRenderer 的渲染管道旨在模拟典型的基于 GPU 的管道阶段，提供每个组件如何贡献于最终渲染图像的清晰视图。

  1. 顶点处理和变换

    • 目标：理解 3D 模型如何投影到 2D 屏幕。
    • 关键概念：
      • 模型矩阵：定位和定向世界中的模型。
      • 视图矩阵：表示相机的位置和方向。
      • 投影矩阵：定义相机的镜头（视野、纵横比）。

  2. 图元组装和裁剪

    • 目标：了解单个顶点如何形成三角形以及如何处理屏幕外的部分。
    • 关键概念：
      • 三角形组装：将顶点分组为可绘制的图元。
      • 裁剪：丢弃或调整视锥体外的图元。

  3. 光栅化和片段处理

    • 目标：发现三角形如何转换为像素数据。
    • 关键概念：
      • 重心坐标：用于在三角形上插值顶点属性。
      • 深度缓冲：确保正确渲染重叠对象。
      • 片段着色器：计算每个像素的颜色和其他属性。

  4. 着色和光照模型

    • 目标：探索光照如何影响表面的外观。
    • 关键概念：
      • Phong 着色模型：通过环境光、漫反射和镜面反射分量模拟真实光照。
      • 表面法线：确定光线如何与表面交互。
      • 光源：了解不同类型的光（方向光、点光源、环境光）。

  5. 优化技术

    • 目标：学习提高渲染效率的方法。
    • 关键概念：
      • 背面剔除：消除相机不可见的面。
      • 空间划分：组织对象以减少渲染工作负载。

代码结构

  • src/rasterizer.cpp

    关注光栅化过程，将矢量数据转换为光栅图像。主要学习点包括：

    • 实现重心插值。
    • 管理深度缓冲。
    • 处理光栅化中的边缘情况。

  • src/renderer.cpp

    协调渲染过程。亮点包括：

    • 设置变换矩阵。
    • 管理渲染循环。
    • 集成着色器和处理用户输入。

  • src/include/

    包含头文件，详细注释解释类和方法的目的和功能。

实验和学习

为最大化学习效果，考虑以下步骤：

  • 修改着色器

    实验着色器代码，观察更改如何影响渲染。

  • 调整变换

    修改模型、视图和投影矩阵，理解它们对场景的影响。

  • 实现新功能

    尝试添加新的光照模型、纹理或着色技术。

文档

生成文档以深入了解代码库：

cmake --build build --target doc
xdg-open doc/html/index.html

文档提供详细的解释和图表，增强理解。

贡献

您的贡献可以帮助他人学习。欢迎您：

  • 提交改进或新的教育功能的拉取请求。
  • 报告问题或提出建议。
  • 分享您的学习体验。

许可证

该项目基于 MIT 许可证。有关详细信息，请参阅 LICENSE 文件。