C++ Software Rasterizer (Interactive Viewer)

"What I cannot create, I do not understand."

这是一个从零开始编写的软件光栅化渲染器，不依赖任何图形 API (OpenGL/DirectX/Vulkan)。项目旨在通过纯 CPU 计算模拟完整的 3D 渲染管线，深入探究图形学的底层数学原理与工程实现。

不仅复现了经典的渲染算法，还集成了一个完全交互式的 GUI 环境，支持实时调整光照、切换渲染模式及各种调试功能。

---

渲染效果

默认渲染

线框模式

Blinn-Phong & 光照

性能基准

图示：性能测试/i>

测试模型：African Head (约 15,000 三角面) | 分辨率：800x600 | 平台：Windows 10

测试环境

• CPU: [Intel Core i7-12700H] @ 2.30GHz (Single Core / Multi-thread)
• RAM: 32 GB DDR4
• Optimization: OpenMP Enabled (Parallel Rasterization)

性能数据

Render Mode	FPS (Avg)	Frame Time	Computational Cost
Wireframe	60+ FPS	< 16.6 ms	Low (Vertex Processing Only)
Blinn-Phong	~25 FPS	~40.0 ms	High (Per-pixel Lighting + Texture)
4x MSAA	~15 FPS	~66.6 ms	Very High (4x Depth Samples)

优化策略

为了在 CPU 上实现可交互的帧率，项目实施了以下优化：

1. Back-face Culling (背面剔除):

   • 在光栅化阶段前计算三角形法线，剔除背向摄像机的面。
   • 收益: 减少了约 50% 的像素着色计算量。

2. Bounding Box Traversal (包围盒遍历):

   • 仅遍历三角形 AABB (Axis-Aligned Bounding Box) 内的像素，而非全屏扫描。
   • 收益: 将像素遍历复杂度从屏幕分辨率 $O(W \times H)$ 降低至三角形大小相关。

3. Parallel Rasterization (OpenMP):

   • 利用 #pragma omp parallel for 对三角形光栅化循环进行多线程加速。
   • 收益: 在多核 CPU 上提升了约 40%-60% 的渲染性能。

4. Early-Z Test (早期深度测试):

   • 在执行复杂的 Fragment Shader (纹理采样/光照计算) 之前，先进行深度测试。
   • 收益: 避免了被遮挡像素的无效计算。

实时交互环境

集成了 Dear ImGui，允许在运行时实时调整 Shader 参数、观察模型细节并监控性能。

渲染模式对比

支持多种渲染模式的实时热切换，用于调试几何结构与光照计算。

FogEffect	Wireframe Mode	Blinn-Phong Shading
基于距离的雾颜色和物体颜色的插值运算 (带背面剔除)	基于重心坐标的三角形光栅化 (带背面剔除)	基于法线插值的高光渲染 (带纹理映射)

---

核心特性

渲染管线

• Math Library: 手写数学库，实现了 Vector, Matrix, Quaternion 等核心运算。
• Transform: 完整的 MVP (Model-View-Projection) 变换矩阵推导。
• Clipping: 视锥体裁剪 (Frustum Culling) 与 齐次空间裁剪。
• Rasterization:
  • 基于包围盒 (Bounding Box) 的三角形遍历算法。
  • 透视校正插值 (Perspective Correct Interpolation)：修复纹理在透视投影下的扭曲。
  • 深度测试 (Z-Buffering)：处理复杂的物体遮挡关系。

着色与光照

• 可编程管线模拟: 抽象了 VertexShader 和 FragmentShader，模拟 GPU 工作流。
• 光照模型:
  • Flat Shading
  • Gouraud Shading
  • Phong & Blinn-Phong Shading
• 纹理映射: 支持 Diffuse Map（漫反射贴图）与 Specular Map（高光贴图），使用双线性插值采样。
• 高级特性:
  • Gamma Correction: 线性空间光照计算。
  • Linear Fog: 基于深度的线性雾效。

工程与交互

• Interactive UI: 集成 ImGui，支持 FPS 统计、参数滑块调节。
• Camera System: 实现了类似 FPS 游戏的摄像机控制（平移/旋转/缩放）。
• Debug Tools: 世界空间网格 (Grid)、坐标轴可视化、线框模式切换。
• Performance: 使用 OpenMP 进行多线程像素着色加速。

---

控制指南 (Controls)

鼠标交互 (Mouse Interaction)

操作	功能	描述
Left Drag (左键拖拽)	旋转视角	围绕中心点进行轨道旋转 (Orbit)
Right Drag (右键拖拽)	平移相机	在屏幕空间平移视口 (Pan)
Scroll (滚轮)	缩放	推拉相机距离 (Zoom)

⌨ 渲染与系统 (System & Rendering)

按键	功能	说明
Ctrl + Z	切换渲染模式	在 Wireframe / Flat / Blinn-Phong 间循环
Shift + 1/2/3	切换模型	加载并切换场景中的不同模型
P	投影模式切换	切换透视投影 (Perspective) / 正交投影 (Orthographic)
G	网格显示	开启/关闭地面辅助网格
Ctrl + G	简单网格	切换网格的精细度模式
U	雾效开关	开启/关闭线性深度雾 (Linear Fog)
Q	Gamma 校正	开启/关闭 SRGB Gamma 校正
ESC	退出程序	关闭查看器

光照与环境 (Lighting & Environment)

按键	功能
T	推进时间
R	自动旋转

视图快捷键 (Viewport Shortcuts)

按键 (Numpad)	功能	按键组合	功能
Numpad .	聚焦模型 (Focus)	F	恢复默认视角 (Reset)
Numpad 1	前视图 (Front)	Ctrl + 1	后视图 (Back)
Numpad 3	右视图 (Right)	Ctrl + 3	左视图 (Left)
Numpad 7	顶视图 (Top)	Ctrl + 7	底视图 (Bottom)

---

快速开始 (Build & Run)

环境依赖

• Compiler: C++17 (MSVC / GCC / Clang)
• Dependencies: SDL2 (Window & Input)

构建 (CMake)

# 1. Clone the repository
git clone [https://github.com/Klia145/YuuTinyRender.git](https://github.com/Klia145/YuuTinyRender.git)
cd YuuTinyRender

# 2. Build
mkdir build && cd build
cmake ..
cmake --build . --config Release

# 3. Run
# Windows (PowerShell)
.\bin\viewer.exe 
# Linux / macOS
./bin/viewer

#or
./build_cmake.ps1       

致谢与参考 (Acknowledgements)

学习资源 (Learning Resources)

特别感谢以下优秀的教程与课程，为本项目提供了理论基础与灵感：

• TinyRenderer - Dmitry V. Sokolov
  • 本项目的核心灵感来源。跟随教程理解了光栅化的从零实现过程。
• GAMES101: 现代计算机图形学入门 - 闫令琪 (Lingqi Yan)
  • 提供了坚实的图形学数学基础（线性代数、变换、透视矫正）与理论支持。
• LearnOpenGL - Joey de Vries
  • 在实现 Blinn-Phong 光照模型、伽马校正及纹理系统时提供了宝贵的参考。

第三方库 (Third-party Libraries)

本项目站在巨人的肩膀上，使用了以下开源库来处理窗口与交互：

• SDL2: 用于跨平台的窗口管理与输入事件处理。
• Dear ImGui: 用于构建实时的交互式调试界面。
• stb_image: 用于加载和解析纹理图片。