Soft Renderer的樂趣

最近這一個月的閒暇時間在邊學習《3D編程大師技巧》邊作本身的Soft Renderer，一個月下來總算有了個「基本原型」的樣子。主要是在編寫圖形管線的過程式代碼，簡單明瞭爲第一個階段的目標。

 

今天加入了「透視校訂紋理映射」這個必不可少的圖形基本特性，計算公式摳自《Real-Time Rendering》2th的第十五章「透視校訂插值」一節的引用文章Blinn大拿的《W Pleasure W Fun》。即對UV紋理座標進行所謂的雙曲線插值。。。用起來卻是很簡單，大體意思就是：

 

透視投影變換不是一個仿射變換，它會扭曲投影后的圖形，使得本來在eye space呈線性的z值在投影空間再也不線性，故而推出直接使用模型屬性(UV，頂點顏色等)來進行投影空間的線性插值是錯誤的。而投影空間z值根據推導對於1/z是線性的，因此只要根據u/z，v/z進行插值就正確了，這就是透視校訂紋理映射。

 

我思考了下，咱們在投影變換後的齊次除法這一步，將頂點座標x,y,z除以w，就能將頂點從投影空間變換到[-1，1]的CVV空間，最終的UDC座標是線性的。而根據OpenGL透視投影矩陣:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

可知，點（x,y,z,1）經變換後爲（x1,y1,z1,-z），即w=-z，因此齊次除法彷佛也是利用了關於1/z線性這個公式。這徹底是個人瞎推測，不對請高手指出。。。

總結起來就是，透視投影變換不是一個仿射變換，而是讓變換後的點關於1/z呈線性的變換。

 

 

下面是未進行透視校訂和進行了校訂的兩張對比圖：

 

 

 

Sponza場景的校訂和未校訂比較圖：

 

 

 

只是使用Blinn大神在1998年給出的這個計算公式的話，是很簡單的，幾句代碼的事。釐清整個理論的數學推導就不那麼容易了。。。這也是Blinn大拿之因此稱爲大師的緣由。詳細數學推導我這裏上傳一份文檔，是大師的《Jim Blinn’s Corner：Notation，Notation，Notation》，在第十章《W Pleasure W Fun》中。沒什麼花哨的，跟往常同樣。。。大拿行雲流水的玩弄着數學公式，展現着數學圖表，我這個數學彩筆一如既往的痛不欲生。不過感受仍是比之前好些了，我弄明白了不少基本問題，如什麼是線性z，透視投影變換的更多細節等。不要浮躁，咱們須要的是端正的在鍵盤旁擺上一個艹搞本。。用直尺和鉛筆模仿大師的思路進行推導。。

 

Blinn's Corner.pdf

 

對於Blinn爺爺，高爺爺這樣的老學究，感受一個氣質啊，霸氣，隨性。出書都是無比霸氣的封面。。。。。以下（絕對沒有黑的意思！）：

 

作Soft Renderer頗有趣頗有收穫，我以爲這是圖形程序員都應該鍛鍊的一關。我這裏收集了一些可供參考的大牛前輩（你們一般都活躍於OpenGPU論壇）的軟渲做品，真的是各有千秋啊，也讓我有了前進的動力。

 

1.鬼火(Irrlicht)引擎的SoftRenderer和BurningVideo軟渲染器.前者是做者本身寫的,比較不完善,後者是愛好者加入的,更完善,因此稱爲"on steroids(打了雞血的渲染器)"...

2.空明大的軟渲染器salviar.
http://www.cppblog.com/lingjingqiu/archive/2009/12/07/102698.html

3.喬捷大的Hybrid3D軟渲染器,惋惜好像沒開源,不能學習精華.
http://www.cnblogs.com/Hybird3D/archive/2013/02/11/Rasterization_in_Hybird3D.html

4.易愷銘大的軟渲染器.
http://sr.codeplex.com/

5.姚勇大的軟渲染器.
http://www.cnblogs.com/puzzy3d/archive/2008/07/25/1251656.html

5.<<Real-Time Rendering>> + <<3D編程大師技巧>>. 理論與實踐的完美結合。。

 

update:

2013-8-7 ：目前已完成Phong逐像素光照模型，光柵化實在已經感受吃不消了，幀數從Gouraund的10幾幀降到了1幀，果真是CPU計算密集型應用啊。。那 些還加入了法線貼圖，SSAO等高級效果的軟渲，本屌真心給跪了！。。。。如今開始進入第二階段：性能優化乃至管線優化，重點思考怎麼利用多核多線程甚至 SIMD來並行計算，來解決光柵化部分的太高瓶頸問題。

 

2013-8-19：加入多線程支持（線程池，生產者-消費者模型）。不過貌似加速比爲1啊。。。嗯，看來個人多線程有問題。

 

2013-11-9：加入了法線貼圖，效果一會兒讓我眼前一亮，果真要有法線貼圖人生才完整呢。。。。。

終於徹底理解了切空間的幾何意義：

p = u_x * T + u_y * B

一言以蔽之，這個等式的幾何意義就是把該點的UV（位於texture sapce）在object space線性表示出來~

推廣到座標系，故而TB就是texture space座標基（1,0）（0,1）在object space的表示，故而Matrix_TBN是從texture space變換到object space。

之前總在疑惑，這個切空間爲何能夠把uv和position強扯上關係呢，如今明白了，這個地方咱們不要用局部的視角（即某點的uv，position）來看待，而要用總體的視角（texture space, object space），這也是矩陣的總體-局部思想的一個體現吧。

 

切空間的完善計算流程也是值得學習的，鬼火的作法貌似過期了。。。OGRE卻是與時俱進，參考下面兩篇文章：

http://www.terathon.com/code/tangent.html

http://www.sssa2000.com/?p=686

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　沒有法線貼圖

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　開啓法線貼圖