我实现了KMP的SDL绑定并编写了高性能软光追

前言

我实现了一个SDL3的KMP绑定：sdl-kmp。之后又基于这个绑定写了一个软光追渲染器：KotlinNativeFortuneRenderer。

其中软光追部分是基于这个教学视频合集实现的，我主要是使用Kotlin Multiplatform重新实现了一遍，并且接入了自己写的sdl-kmp作为窗口和像素显示层。

效果如下：

sdl-kmp

sdl-kmp是一个SDL3的Kotlin Multiplatform绑定。它的目标不是把SDL3的所有底层细节都暴露出来，而是在commonMain中提供一套比较好用的公共API，让窗口创建、事件处理、渲染器、纹理、颜色、矩形这些常用能力可以直接跨平台使用。

它的底层实现分成两部分：

• JVM平台使用LWJGL提供的SDL3绑定。
• Kotlin/Native平台使用cinterop调用SDL3，并且会为不同平台编译SDL3静态库。

Native这边比较重要的一点是，SDL3静态库会被嵌入到发布的klib中，所以使用者不需要再手动准备SDL3动态库。对使用者来说，只要添加依赖，就可以在commonMain中直接使用。

目前支持的平台包括JVM、macOS、Linux、Windows、iOS和tvOS。不支持Android，因为LWJGL本身不支持Android，JS/WASM也不在这个项目的范围内。

使用方式如下：

implementation("cn.enaium.sdl:sdl-kmp:1.0.2")

之后就可以使用SDL.init、SDL.createWindow、SDL.createRenderer、SDL.pollEvent这些接口。项目中还提供了一个简单的example模块，用来测试窗口、事件和基本绘制。

比如创建一个什么都不画的空窗口，代码大概是这样：

import cn.enaium.sdl.*

fun main() {
    SDL.setMainReady()

    if (!SDL.init(SDLInitFlags.VIDEO)) {
        error("SDL_Init failed: ${SDL.error()}")
    }

    SDL.createWindow("hello sdl-kmp", 800, 600).use { window ->
        SDL.createRenderer(window).use { renderer ->
            var running = true
            while (running) {
                while (true) {
                    val event = SDL.pollEvent() ?: break
                    when (event) {
                        is SDLEvent.Quit -> running = false
                        is SDLEvent.Key -> {
                            if (event.down && event.keycode == SDLKeycode.ESCAPE) {
                                running = false
                            }
                        }
                        else -> Unit
                    }
                }

                renderer.drawColor = SDLColor(18, 18, 24)
                renderer.clear()
                renderer.present()

                SDL.delay(16)
            }
        }
    }

    SDL.quit()
}

这里的流程基本就是初始化SDL，创建窗口和渲染器，循环读取事件，然后每帧清空窗口并提交。use用于自动释放窗口和渲染器资源，按关闭按钮或者ESC时退出循环。

Fortune Renderer

KotlinNativeFortuneRenderer是我用sdl-kmp写的一个软光追渲染器。这个项目本身也是KMP项目，支持JVM、macosArm64和linuxX64。

它的commonMain主要用了这些依赖：

commonMain {
    dependencies {
        implementation("cn.enaium.sdl:sdl-kmp:1.0.2")
        implementation("cn.enaium.glm:glm-kmp:1.0.0")
        implementation("io.github.vinceglb:filekit-core:0.15.0")
        implementation("org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-serialization-json:1.11.0")
        implementation("org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.11.0")
    }
}

其中sdl-kmp负责窗口、事件、纹理和像素显示；glm-kmp负责向量、矩阵这些数学计算；filekit-core用于跨平台读取场景文件；kotlinx-serialization-json用于解析JSON场景配置；kotlinx-coroutines-core则用于渲染任务和异步流程的组织。

这个项目的主要目的不是做一个完整的商业渲染器，而是验证几件事：

• sdl-kmp是否能支撑真实的跨平台图形程序。
• Kotlin/Native是否可以比较方便地编写本地窗口程序。
• 纯软件路径追踪能否在合理的优化下达到可接受的速度。

渲染器最终输出的是一块像素缓冲区，SDL负责把这块像素数据更新到纹理中并显示到窗口。这样渲染部分完全不依赖GPU光栅化管线，所有光线求交、材质计算、采样和递归追踪都在CPU中完成。

渲染能力

目前渲染器已经支持基本的路径追踪流程，包括多重采样、直接光照、阴影、间接光和金属反射。

几何体方面支持：

• 球体
• 三角形
• 圆盘

材质方面支持：

• Lambert漫反射材质
• Conductor金属材质

灯光方面支持：

• 方向光
• 点光源
• 聚光灯

场景使用JSON配置，可以在配置文件中设置相机、物体、材质和灯光。这样调整场景时不需要重新修改代码，只需要改配置文件即可。

性能

软光追的计算量比较大，如果单线程逐像素计算会非常慢。所以这个项目中使用了多线程渲染，每个 worker 从一个原子计数器中取像素下标，然后计算对应像素。

这样做的好处是很直接：

• 每个像素之间基本没有依赖，适合并行。
• 不需要复杂的任务调度系统。
• 已经渲染出来的像素可以立刻显示到窗口中。

窗口显示部分使用SDL的流式纹理，每帧把当前像素缓冲区更新到纹理中。也就是说渲染不是等整张图片完成后才显示，而是可以看到画面逐渐收敛。

项目还支持headless模式，在没有显示环境的服务器或者CI中，可以通过SDL_VIDEO_DRIVER=dummy运行。

总结

这次主要做了两个项目。第一个是sdl-kmp，用于让Kotlin Multiplatform项目可以方便地调用SDL3。第二个是KotlinNativeFortuneRenderer，它基于sdl-kmp实现了一个跨平台软光追渲染器。

整体做下来，KMP写这类跨平台本地程序是可行的。SDL负责窗口和输入输出，Kotlin负责上层逻辑和渲染算法，Kotlin/Native负责生成本地程序。之后如果继续优化，可以加入BVH、分块调度、更多材质和更好的采样策略。

项目地址：

• sdl-kmp
• KotlinNativeFortuneRenderer