《C++从零打造渲染器》学习笔记 第0讲：图形学导论

第0讲：图形学导论

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说明：本教程基于B站图形学大佬 发财学长 制作的 C++从零打造渲染器 系列视频。写这篇文章的目的主要是作个人学习笔记，如果这份笔记能帮到他人，本人不胜荣幸

[视频链接：【C++从零打造渲染器】第0讲：图形学导论（别再只调API了，我们从零写一个真正的渲染器！）

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什么是图形学

狭义的图形学：渲染

广义的图形学：动画，物理......

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什么是渲染

渲染，就是计算屏幕每个像素的颜色，即(R,G,B)值

Color screen_pixels[W][H];

for(int x = 0;x < W;x++)
{
    for(int  y = 0;y < H;y++)
    {
        screen_pixels[x][y] = RenderPixel(x,y);
    }
}

Present(screen_pixelss);

图形学的核心问题，就是实现RenderPixel函数

Color RenderPixel(int x,int y)
{
    Color color = ......;
    // ......
    return color;
}

实现这个函数，需要有一个能够表示想在屏幕中绘制的内容

我们将它称为：数据集(Data)

举例：实现一个生成左上角(100,150)，右下角(300,400)，红色矩形的RenderPixel函数

Color RenderPixel(int x,int y)
{
    if(x >= 100 && x <= 300 && y >= 150 && y <= 400)
        return Color(255,0,0);
    else
        return Color(0,0,0);
}

效果如下：

举例：实现下面数据集对应的RenderPixel函数

Data =
{
    矩形A：{红色,左上角(100,150),右下角(300,400)}；
    三角形B：{黄色,P1(30,120),P2(100,200),P3...}；
    圆形C：{紫色,O(350,450),R = 50}；
}

Color RenderPixel(int x,int y)
{
    if(在A中)
        return Color(255,0,0);
    else if(在B中)
        return Color(255,255,0);
    else if(在C中)
        return Color(115,45,245);
    else
        return Color(0,0,0);
}

效果如下：

注意：if-else的判断顺序决定了图形的覆盖关系

我们将这个判断顺序，叫作图形的深度

总结： 渲染就包含两件事

• 数据集怎么定义，怎么组织

• RenderPixel函数怎么实现

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拓展到3D渲染器

当数据集允许包含三维图形时，这时候我们要写出RenderPixel函数，就要建立出 2D的屏幕 和 3D的数据集 之间的转换关系

实现这种转换关系的算法，叫作光线追踪

光线追踪

• 假设屏幕前面有一个相机

• 从相机出发，往屏幕上每个像素引出射线

• 求射线和数据集中哪个物体相交

举例：实现下面数据集对应的RenderPixel函数

Data =
{
    球：{红色,球心O(30,100,-40),半径 R = 50};
}

Color RenderPixel(int x,int y)
{
    Ray ray = GetRay(x,y);
    if(ray和球相交)
        return Color(255,0,0);
    else
        return Color(0,0,0);
}

效果如下：

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另一种渲染器架构

渲染 和 绘制 的区别：渲染是按照像素点生成图像的，这种生成图像的方式不符合现实中画家作画的思路

有一种渲染器架构，主要思想是模拟现实作画的思路，叫作光栅化算法

Color screen_pixels[W][H];

for(shape : data)
{
    Point pixel_coords[] = Rasterize(shape);
    for(Point p : pixel_coords)
        screen_pixels[p.x][p.y] = shape.color;
}

Present(screen_pixelss);

计算"某个Shape占据屏幕中的哪些像素点"的函数，叫作光栅化(Rasterize)

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对比两种渲染器

光线追踪渲染器：一般用于离线渲染，特点是渲染慢，效果好

光栅渲染器：一般用于实时渲染，特点是渲染快，效果有牺牲

现代渲染器为了实现性能高，画质好，往往结合了两种渲染器