【十天自制软渲染器】DAY 01：图形学学习建议与环境搭建

2021-01-14 本文已影响0人 sky卤代烃

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「十天自制软渲染器」这个标题我承认标题党了.在对图形学一无所知的情况下想十天自制一个软渲染器，就好似一节课没上过却试图一个晚上看完《30 天精通 C++》然后第二天早上八点考试得满分一样，我承认世界上有这种天才，但很可惜我不是。

就像前文所说，本系列造的轮子都是站在巨人的肩膀上完成的，需要对相关知识有一定的了解和学习，如果你是一个图形学大牛，这种软渲染器肯定是不屑于做的；如果你刚刚进入图形学的大门，造一个软渲染器的轮子，非常利于你巩固自己的底层知识。

本文主要（90%）参考 ssloy 大神的 tinyrenderer 教程，零依赖实现一个软渲染器，通过这个教程可以实现一个简易版本的 OpenGL2.0（即 rendering pipeline 只支持 Vertex Shader 和 Fragment Shader 两种自定义 Shader 类型），了解 OpenGL 这类图形学 API 在底层是如何工作的。

我自己造的轮子是 toyRenderer，在 tinyrenderer 的基础上加入了大量的注释并按自己的理解优化了部分代码（不排除有反向优化），如果大家对 tinyrenderer 感兴趣，可以参考一下我的实现和我现在写的这个教程，点个 star 🌟 就更好不过了～

本专栏的目录结构和 tinyrenderer 保持一致，方便大家对比阅读。

前置知识

要想看懂 tinyrenderer 的代码，需要有一定的知识储备，下面是我在造轮子时的一些总结，大家学习前可以参考一下。

1.数学

对于图形学来说，数学是一道绕不过的坎儿；对于这个软渲染器器轮子来说，并没有涉及太多的数学内容，我个人总结如下：

1.1 高中数学

造一个软渲染器需要你还记得一些高中几何的内容，难度都不大，比如说直线的坐标公式，重心坐标等。

1.2 微积分

微积分其实只有少量的涉及，原教程里有一点点梯度的内容，个人感觉对整体学习进度影响不大。

1.3 线性代数

线性代数涉及的内容比较多，从最简单的向量，再到各种坐标系变换，都需要对线性代数有比较扎实的理解。

如果你线性代数都忘的差不多了，这里我推荐 3Blue1Brown 的教程——《线性代数的本质》，这是我见过最好的线性代数入门教程了。而且图形学里涉及的矩阵变换绝大部分都是三维空间的，基本上看完这门课就可以上手图形学的学习了。

3Blue1Brown——线性代数的本质

2.图形学

图形学入门课程我只推荐一个，闫令琪大神的《GAMES101-现代计算机图形学入门》。

GAMES101-现代计算机图形学入门

闫令琪大神有多厉害我就不多介绍了，最关键的是 GAMES101 优点太多了：

全中文讲解，大大降低国内小伙伴的学习门槛
课程非常新，2020 年初才开课，不会存在课程/教案过时的情况
知识点全面，正如课程名「现代图形学入门」，本课程不但讲了经典的光栅化成像，还讲了光线追踪等相对较新较前沿的内容

学完这门课可以收获什么呢？比如说 ~~2077 的图形设置面板你都知道是啥意思了~~

2077 图形设置面板

如果跟着这门课学下来，其实课下作业就会完成一个小的软渲染器，但由于我是后期才加入学习的，所以作业也没有跟着做，经过搜索发现 tinyrenderer 这个教程推荐的人最多，所以最后参照这个教程实现了自己的软渲染器。

闫老师的是视频教程，大家可以配合他的 PPT 学习。如果习惯看书，我这里推荐两本，一本是大名鼎鼎的虎书《Fundamentals of Computer Graphics 4th Edition》，另一本是《Real Time Rendering 4th》，都是非常经典非常有名的书籍。

Graphics Books

这两本书国内都没有引进，我这里有英文版的 PDF，大家可以看我个人简介，关注「卤蛋实验室」后回复「图形学」获取下载链接。

3.C++

本渲染器是用 C++ 写的，但用到的都是基础语法，稍微高级点儿的知识就是模版编程和操作符重载。个人认为只要有其他语言基础，看个半小时的 C++ 语法就可以上手实践了。

如果上面的三个知识点都掌握的差不多了，我打保票十天内肯定能写出一个软渲染器；如果没有掌握好（尤其是图形学基础知识），十天内实现是有些够呛。废话不多说，我们先去搭环境吧！

本教程要做的是一个零依赖的软渲染器，所以依赖的环境就是 C++ 的开发环境。

注：零依赖意味着这个项目不依赖任何第三方库，软渲染意味着所有计算都是在 CPU 侧进行的，没有 GPU 参与

C++ 环境搭建配置有多种方法，最快捷的方式就是直接用高度集成的 IDE，win 电脑可以用 Visual Studio，Mac 用户可以用 Xcode。当然你也可以用 CMake + VSCode 搭建 C++ 运行环境。

我这个人很懒，平常开发 Xcode 用的又比较多，不想多折腾了，所以直接用 Xcode 构建项目了，小伙伴们千万不要学习我这种坏习惯。

Xcode 创建 `C++` 项目

1.新建项目

1.Xcode 创建 C++ 项目非常简单，启动 XCode 后点击 Create a new Xcode project，创建一个新项目

image

2.在跳出的弹框里选择 Command Line Tool，然后点击 Next

image

3.在新的弹窗里填写好 Product Name，Language 选择 C++，然后点击 Next

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4.在新的弹窗里选择项目路径，点击 Create 创建项目

到这里项目就创建好了。

2.配置相对路径

软渲染器需要对硬盘上的一些文件做一些 IO 操作，这时候就需要配置项目的相对路径。

首先按照 Product -> Scheme -> Edit Scheme 的次序，打开一个弹窗。

然后在弹窗里勾选 Using custom working directory，并选择项目文件所在路径就可：

image

3.把源代码拖进去

因为本项目是零依赖的，渲染方式是根据源代码生成一张 tga 格式的图片。因为我们是来写软渲染器而不是写图片编码器的，所以直接把源代码里的 tgaimage.h 和 tgaimage.cpp 拖到我们的项目工程里就可以了。

加上 main.cpp，现在的工程目录里只有三个文件

.
├── main.cpp
├── tgaimage.cpp
└── tgaimage.h

然后我们在 main.cpp 里写一些简单的代码——创建一个 100x100 的图片，在 (52, 41) 这个坐标上画一个红的的点（rgb(255, 0, 0)）

#include "tgaimage.h"

const TGAColor red = TGAColor(255, 0, 0, 255);

int main(int argc, char** argv) {
  TGAImage image(100, 100, TGAImage::RGB);
  image.set(52, 41, red);
  image.flip_vertically();
  image.write_tga_file("output/lesson00.tga");
  return 0;
}

点击 Xcode 左上角三角形的 build 按钮，如果编译成功并在 output 这个文件夹下生成一张名为 lesson00.tga 的图片，就说明环境配置成功了！
(红点只有一个像素大，看不清可以点击查看大图)

image

今天在图片上画了一个点，明天我们就学习一下如何高性能的画一条直线。

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【十天自制软渲染器】DAY 01：图形学学习建议与环境搭建

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