500行纯C++实现软件渲染器

在这个系列文章中，我将通过从零编写一个简化版克隆来展示OpenGL、Vulkan、Metal和DirectX的工作原理。令人惊讶的是，许多人在学习3D图形API的初始阶段就遇到了困难。为了帮助大家，我准备了一系列短课程，学完后我的学生就能制作出功能相当不错的渲染器。

任务如下：不使用任何第三方库（尤其是图形相关库），我们将生成如下图像：

警告：这是一份培训材料，大致遵循现代3D图形库的结构。它是一个软件渲染器。我的目的不是展示如何编写GPU应用程序，而是展示它们的工作原理。我坚信，理解这一点对于使用3D库编写高效应用程序至关重要。

起点

最终代码大约500行。我的学生通常需要10到20小时的编程练习才能开始制作这样的渲染器。输入是一个由三角形网格和纹理组成的3D模型，输出是一张渲染图像。没有图形界面，程序只是生成一张图片。

为了最小化外部依赖，我给学生提供了一个处理TGA文件的类——TGA是支持RGB、RGBA和灰度图像的最简单格式之一。这成为我们图像处理的基础。最初，除了加载和保存图像外，唯一可用的功能是设置单个像素的颜色。

没有用于绘制线段或三角形的内置函数——我们将手动实现所有这些功能。虽然我提供我自己的源代码（与学生们一起编写），但我不建议直接使用它，因为亲自动手是理解这些概念的关键。完整代码可在GitHub上找到，我提供给学生的初始源代码可以这里查看。看，这就是起点：

main.cpp

#include "tgaimage.h"

constexpr TGAColor white   = {255, 255, 255, 255}; // 注意：BGRA 顺序
constexpr TGAColor green   = {  0, 255,   0, 255};
constexpr TGAColor red     = {  0,   0, 255, 255};
constexpr TGAColor blue    = {255, 128,  64, 255};
constexpr TGAColor yellow  = {  0, 200, 255, 255};

int main(int argc, char** argv) {
    constexpr int  = 64;
    constexpr int = 64;
    TGAImage framebuffer(width,, TGAImage::RGB);

    int ax =  7, ay =  3;
    int bx = 12, by = 37;
    int = 62, = 53;

    framebuffer.set(ax, ay, white);
    framebuffer.set(bx, by, white);
    framebuffer.set(cx,, white);

    framebuffer.write_tga_file("framebuffer.tga");
    return 0;
}

这段代码会生成一张 64x64 的图像 framebuffer.tga，为了更清晰，我把图片放大了：

编译

git clone https://github.com/ssloy/tinyrenderer.git &&
cd tinyrenderer &&
cmake -Bbuild &&
cmake --build build -j &&
build/tinyrenderer obj/diablo3_pose/diablo3_pose.obj obj/floor.obj

渲染后的图片保存在 framebuffer.tga 中。

渲染器示例展示

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