如何写一个软件渲染器？

实现个简单的固定渲染管线软渲染器不算复杂，差不多700行代码就可以搞定了。之所以很多人用 D3D用的很熟，写软渲染却坑坑洼洼，主要是现在大部分讲图形的书，讲到透视投影时就是分析一下透视变换矩阵如何生成，顶点如何计算就跳到其他讲模型或者光照的部分了。

因为今天基本上是直接用 D3D 或者 OGL，真正光栅化的部分不了解也不影响使用，所以大部分教材都直接跳过了一大段，摄像机坐标系如何转换？三角形如何生成？CVV边缘如何检测？四维坐标如何裁剪？边缘及步长如何计算？扫描线该如何绘制？透视纹理映射具体代码该怎么写？framebuffer zbuffer 到底该怎么用？z-test 到底是该 test z 还是 w 还是 1/z 还是 1/w ？这些都没讲。

早年培训学生时候，我花两天时间写的一个 DEMO，今天拿出来重新调整注释一下，性能和功能当然比不过高大上的软件渲染器。但一般来讲，工程类项目代码不容易阅读，太多边界情况和太多细节优化容易让初学者迷失，这个 mini3d 的项目不做任何优化，主要目的就是为了突出主干：

源代码：skywind3000/mini3d · GitHub
可执行：mini3d-src-binary

操作方式：左右键旋转，前后键前进后退，空格键切换模式，ESC退出。

特性介绍：

• 单个文件：源代码只有一个 mini3d.c，单个文件实现所有内容，阅读容易。
• 独立编译：没有任何第三方库依赖，没有复杂的工程目录。
• 模型标准：标准 D3D 坐标模型，左手系 + WORLD/VIEW/PROJECTION 三矩阵
• 实现裁剪：简单 CVV 裁剪
• 纹理支持：最大支持 1024 x 1024 的纹理
• 深度缓存：使用深度缓存判断图像前后
• 边缘计算：精确的多边形边缘覆盖计算
• 透视贴图：透视纹理映射以及透视色彩填充
• 实现精简：渲染部分只有 700行， 模块清晰，主干突出。
• 详细注释：主要代码详细注释

截图效果

颜色填充

透视纹理映射

线框图

增加光照和二次线性插值（朋友给 Mini3D加的平行光源）效果还行：

阅读要求：

• 看过并了解 D3D / OGL的矩阵变换。
• 用 D3D / OGL 完成过简单程序。

实现说明：

• transform：实现坐标变换，和书本手册同
• vertex： 如何定义顶点？如何定义边？如何定义扫描线？如何定义渲染主体（trapezoid）？
• device： 设备，如何 projection，如何裁剪和归一化，如何切分三角形，如何顶点排序？
• trapezoid：如何生成 trape，如何生成边，如何计算步长，如何计算扫描线
• scanline：如何绘制扫描线，如何透视纠正，如何使用深度缓存，如何绘制

基础练习：先前给学生的作业

• 增加背面剔
  
• 增加简单光照
  
• 提供更多渲染模式
  
• 实现二次线性差值的纹理读取

扩展练习：给有余力的学生

• 推导并证明程序中用到的所有几何知识
  
• 优化顶点计算性能
  
• 优化 draw_scanline 性能
  
• 从 BMP/TGA 文件加载纹理
  
• 载入 BSP 场景并实现漫游

其他内容

当年还用不了 D3D 和 OGL ，开发游戏，做图形实现软件渲染是必备技能，当年机型差，连浮点数都用不了，要用定点数来计算，矩阵稍不注意就越界了。计算透视纠正还是一个比较昂贵的工作，更多游戏使用仿射纹理绘制，只是把离屏幕近的多边形切割成更小的三角形，让人看起来没有那么明显。即便到了 Quake 年代，计算 1/z 的除法也只是四个点才算一次（经过精确计算CPU周期，绘制四个点时下一个点的 1/z刚好算完），Quake 的四个点内也还是仿射纹理绘制……

那时显卡没普及，光软件渲染器的优化就是一个无底洞，今天有了 OGL/D3D和显卡，人的精力才能充分集中在更高层次的场景组织、层次细节、动态光照等功能上。然而有空的时候，花个一周时间坐下来了解一下这部分的大概原理，推导所用到的数学模型，也能帮助大家更好的理解底层运行机制，写出更加优化的代码来。

PS：光线跟踪版本的软件渲染，考虑光照的话，简单实现起来差不多 500 行，比这个要简单一些。各位有兴趣也可以尝试一下，就是简单渲染个立方体足够了。