From 55a96143fca6b9fcd2050b30833788f12ad476cd Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: SepComet <2428390463@qq.com>
Date: Thu, 19 Mar 2026 15:01:53 +0800
Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=E6=B7=BB=E5=8A=A0=20Transform=20=E7=B1=BB?=
=?UTF-8?q?=E5=B9=B6=E5=BA=94=E7=94=A8=E5=88=B0=20Camera=20=E4=B8=AD?=
MIME-Version: 1.0
Content-Type: text/plain; charset=UTF-8
Content-Transfer-Encoding: 8bit
---
.../CPU-Software-Renderer.vcxproj | 1 +
.../CPU-Software-Renderer.vcxproj.filters | 1 +
CPU-Software-Renderer/Math/MathUtil.h | 4 +-
CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.cpp | 11 +-
CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.h | 31 +-
CPU-Software-Renderer/Scene/Transform.h | 28 +-
CPU-Software-Renderer/Scene/Vertex.h | 9 +-
CPU-Software-Renderer/main.cpp | 13 +-
CPU-Software-Renderer/TODO.md => Knowledge.md | 0
TODO.md | 433 ++++++++++++++++++
10 files changed, 486 insertions(+), 45 deletions(-)
rename CPU-Software-Renderer/TODO.md => Knowledge.md (100%)
create mode 100644 TODO.md
diff --git a/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj b/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj
index 88400ea..83aed61 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj
+++ b/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj
@@ -156,6 +156,7 @@
+
diff --git a/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj.filters b/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj.filters
index ea3a808..c4e8875 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj.filters
+++ b/CPU-Software-Renderer/CPU-Software-Renderer.vcxproj.filters
@@ -81,6 +81,7 @@
资源文件
+
diff --git a/CPU-Software-Renderer/Math/MathUtil.h b/CPU-Software-Renderer/Math/MathUtil.h
index c4e9100..f81fc9d 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/Math/MathUtil.h
+++ b/CPU-Software-Renderer/Math/MathUtil.h
@@ -53,9 +53,9 @@ namespace Math
const float sinValue = std::sin(radians);
return Matrix4x4(
- cosValue, sinValue, 0, 0,
+ cosValue, 0, sinValue, 0,
0, 1, 0, 0,
- -sinValue, cosValue, 0, 0,
+ -sinValue, 0, cosValue, 0,
0, 0, 0, 1
);
}
diff --git a/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.cpp b/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.cpp
index d373441..6fb4fee 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.cpp
+++ b/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.cpp
@@ -2,7 +2,6 @@
#include "Matrix4x4.h"
#include "Camera.h"
#include
-#include "MathUtil.h"
#include
namespace Scene
@@ -11,10 +10,10 @@ namespace Scene
{
using namespace Math;
- Vector3 backward = (position - target).normalized();
- Vector3 right = MathUtil::cross(up, backward).normalized();
- if (right.magnitude() < 1e-5) right = MathUtil::cross(Vector3(0, 1, 0), backward);
- Vector3 cameraUp = MathUtil::cross(backward, right);
+ const Vector3 position = transform.position;
+ const Vector3 right = transform.get_right();
+ const Vector3 cameraUp = transform.get_up();
+ const Vector3 backward = -transform.get_forward();
return Matrix4x4(
right.x, right.y, right.z, -right.dot(position),
@@ -69,4 +68,4 @@ namespace Scene
0, 0, 0, 1
);
}
-}
\ No newline at end of file
+}
diff --git a/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.h b/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.h
index 4939f45..5500d4e 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.h
+++ b/CPU-Software-Renderer/Scene/Camera.h
@@ -1,41 +1,20 @@
#pragma once
-#include "Vector3.h"
#include "Matrix4x4.h"
+#include "Transform.h"
namespace Scene
{
class Camera
{
- private:
- Math::Vector3 position = Math::Vector3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
- Math::Vector3 target = Math::Vector3(0.0f, 0.0f, -1.0f);
- Math::Vector3 up = Math::Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
+ public:
+ Camera() = default;
+
+ Transform transform;
float verticalFovRadians = 1.0471975512f;
float nearPlane = 0.1f;
float farPlane = 100.0f;
- public:
- Camera() = default;
-
- Math::Vector3 get_position() const { return position; }
- void set_position(const Math::Vector3& pos) { position = pos; }
-
- Math::Vector3 get_target() const { return target; }
- void set_target(const Math::Vector3& t) { target = t; }
-
- Math::Vector3 get_up() const { return up; }
- void set_up(const Math::Vector3& u) { up = u; }
-
- float get_vertical_fov_radians() const { return verticalFovRadians; }
- void set_vertical_fov_radians(float fov) { verticalFovRadians = fov; }
-
- float get_near_plane() const { return nearPlane; }
- void set_near_plane(float nearP) { nearPlane = nearP; }
-
- float get_far_plane() const { return farPlane; }
- void set_far_plane(float farP) { farPlane = farP; }
-
Math::Matrix4x4 get_view_matrix() const;
Math::Matrix4x4 get_orthographic_projection_matrix(float width, float height) const;
diff --git a/CPU-Software-Renderer/Scene/Transform.h b/CPU-Software-Renderer/Scene/Transform.h
index d6d4abe..e09e36f 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/Scene/Transform.h
+++ b/CPU-Software-Renderer/Scene/Transform.h
@@ -1,7 +1,31 @@
#pragma once
+#include "Vector3.h"
+#include "MathUtil.h"
+#include
namespace Scene
{
class Transform
- {};
-}
\ No newline at end of file
+ {
+ public:
+ Transform() = default;
+ Transform(Math::Vector3 position, Math::Vector3 rotation, Math::Vector3 scale) : position(position), rotation(rotation), scale(scale) {}
+
+ Math::Vector3 position = Math::Vector3(0, 0, 0);
+ Math::Vector3 rotation = Math::Vector3(0, 0, 0);
+ Math::Vector3 scale = Math::Vector3(1, 1, 1);
+
+ Math::Vector3 transform_direction(const Math::Vector3& direction) const
+ {
+ const Math::Matrix4x4 rotationMatrix = Math::MathUtil::get_rotation_matrix(rotation);
+ return rotationMatrix.TransformDirection(direction).to_vector3().normalized();
+ }
+
+ Math::Vector3 get_right() const { return transform_direction(Math::Vector3(1.0f, 0.0f, 0.0f)); }
+ Math::Vector3 get_left() const { return transform_direction(Math::Vector3(-1.0f, 0.0f, 0.0f)); }
+ Math::Vector3 get_up() const { return transform_direction(Math::Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f)); }
+ Math::Vector3 get_down() const { return transform_direction(Math::Vector3(0.0f, -1.0f, 0.0f)); }
+ Math::Vector3 get_forward() const { return transform_direction(Math::Vector3(0.0f, 0.0f, 1.0f)); }
+ Math::Vector3 get_back() const { return transform_direction(Math::Vector3(0.0f, 0.0f, -1.0f)); }
+ };
+}
diff --git a/CPU-Software-Renderer/Scene/Vertex.h b/CPU-Software-Renderer/Scene/Vertex.h
index 40c5f0b..9e66d68 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/Scene/Vertex.h
+++ b/CPU-Software-Renderer/Scene/Vertex.h
@@ -1,7 +1,14 @@
#pragma once
+#include "Vector3.h"
namespace Scene
{
class Vertex
- {};
+ {
+ public:
+ Vertex() = default;
+ Vertex(Math::Vector3 position) :position(position) {}
+
+ Math::Vector3 position = Math::Vector3(0, 0, 0);
+ };
}
\ No newline at end of file
diff --git a/CPU-Software-Renderer/main.cpp b/CPU-Software-Renderer/main.cpp
index ef66813..119a337 100644
--- a/CPU-Software-Renderer/main.cpp
+++ b/CPU-Software-Renderer/main.cpp
@@ -167,9 +167,9 @@ static bool IsFaceVisible(const CubeFace& face, const std::array cubeVertices = {
Math::Vector3(-0.5f, -0.5f, -0.5f),
diff --git a/CPU-Software-Renderer/TODO.md b/Knowledge.md
similarity index 100%
rename from CPU-Software-Renderer/TODO.md
rename to Knowledge.md
diff --git a/TODO.md b/TODO.md
new file mode 100644
index 0000000..fc4d88c
--- /dev/null
+++ b/TODO.md
@@ -0,0 +1,433 @@
+# CPU Software Renderer TODO
+
+## 目标
+
+把当前项目从“能显示线框立方体”的状态，逐步推进到“具备基本 3D 渲染管线能力的 CPU Software Renderer”。
+
+当前已经具备的基础：
+
+- SDL 窗口、纹理和显示循环
+- `FrameBuffer`
+- 像素写入
+- 直线光栅化
+- 三角形包围盒遍历和点内测试雏形
+- `Model -> View -> Projection -> NDC -> Viewport`
+- 简单的线框绘制与面可见性判断
+
+下面的 TODO 按建议实现顺序展开。
+
+---
+
+## Step 1. 稳定 2D 光栅基础
+
+目标：把当前 2D 线段 / 三角形基础打稳，为后续 3D 面渲染做准备。
+
+### 1.1 线段光栅化收尾
+
+- 确认 Bresenham 在所有斜率下都正确
+- 验证水平线、垂直线、45 度线、反向输入点
+- 统一线段接口的输入输出约定
+- 为调试准备简单测试图形
+
+完成标准：
+
+- 任意两个屏幕点都能稳定画线
+- 没有明显断裂、漏点、方向依赖问题
+
+### 1.2 三角形 2D 填充稳定化
+
+- 校验 `BoundingBox` 的边界是否正确
+- 校验点在三角形内判定的顶点顺序依赖
+- 明确像素采样点采用像素中心还是整数坐标
+- 明确边界像素规则，避免共享边重复或漏画
+
+完成标准：
+
+- 任意顺序输入的三角形都能被正确填充
+- 边界行为稳定，没有明显裂缝
+
+### 1.3 TriangleRasterizer 接入主流程前的准备
+
+- 让 `TriangleRasterizer` 支持直接接收屏幕空间三角形
+- 明确光栅阶段输入结构
+- 为之后接 `DepthBuffer` 预留每像素深度写入点
+
+---
+
+## Step 2. MVP 与视口变换
+
+目标：把 3D 顶点稳定变换到屏幕空间。
+
+### 2.1 Model / View / Projection 约定固定
+
+- 统一矩阵乘法约定
+- 明确当前使用列向量还是行向量
+- 明确当前 view space 是右手系还是左手系
+- 明确相机前方是 `-Z`
+- 明确 `nearPlane` 和 `farPlane` 使用正距离
+
+完成标准：
+
+- `M * V * P` 的方向清晰
+- 相机朝向、投影矩阵、裁剪空间定义互相一致
+
+### 2.2 NDC 与 Viewport 约定固定
+
+- 明确 NDC 使用 `[-1, 1]`
+- 明确屏幕原点为左上角
+- 明确 `x` 向右、`y` 向下
+- 明确 viewport 使用 `width - 1` / `height - 1`
+
+完成标准：
+
+- `ProjectToScreen()` 或等价流程不再分散写逻辑
+- `Camera::get_viewport_matrix()` 成为唯一屏幕映射入口
+
+### 2.3 从 main 中抽离变换逻辑
+
+- 把 `clip -> ndc -> viewport` 从 `main.cpp` 抽到专门模块
+- 明确输入是 object vertex 还是 assembled vertex
+- 为后续 mesh / triangle pipeline 准备统一入口
+
+建议新增模块：
+
+- `Renderer` 或 `Pipeline`
+- `ProjectVertex`
+- `AssembleTriangle`
+
+---
+
+## Step 3. 三角形装配与实心面渲染
+
+目标：从“线框”进入“实心三角形渲染”。
+
+### 3.1 三角形装配
+
+- 从 mesh 顶点和索引装配三角形
+- 不再手写 cube edge 作为主流程
+- 统一输入为 triangle list
+
+完成标准：
+
+- 主流程以“三角形”为核心，而不是“边”
+
+### 3.2 背面剔除
+
+- 统一顶点绕序约定
+- 明确在 view space 还是 screen space 做剔除
+- 验证法线方向与绕序一致
+
+完成标准：
+
+- 可稳定剔除背面
+- 不会因为模型顶点顺序混乱而随机闪面
+
+### 3.3 实心立方体跑通
+
+- 用三角形填充代替线框
+- 先可不加光照，只显示纯色面
+- 验证旋转时每个面都正确显示
+
+完成标准：
+
+- 可以正确绘制一个实心旋转立方体
+
+---
+
+## Step 4. 深度测试
+
+目标：解决遮挡关系。
+
+### 4.1 DepthBuffer 基础
+
+- 初始化深度缓冲
+- 明确默认值是最远深度
+- 每帧清空深度缓冲
+- 和 `FrameBuffer` 保持相同分辨率
+
+### 4.2 深度写入与比较
+
+- 明确深度值使用哪个空间
+- 推荐先使用 NDC z 或映射后的深度值
+- 明确比较方向
+- 在通过测试时更新颜色和深度
+
+完成标准：
+
+- 前面的三角形能正确遮挡后面的三角形
+
+### 4.3 深度约定补全
+
+- 明确 `near -> 0 / far -> 1` 还是其他映射
+- 明确 viewport 是否处理 z
+- 明确是否保留 `w` 供后续透视校正使用
+
+这是当前 TODO 中原本写得比较粗的部分，建议补成文档。
+
+---
+
+## Step 5. 重心坐标与属性插值
+
+目标：从“只会画面”走到“会在片元阶段传递数据”。
+
+### 5.1 重心坐标
+
+- 在三角形内部计算每个像素的重心坐标
+- 输出 `alpha / beta / gamma`
+- 先用于深度插值
+
+### 5.2 线性属性插值
+
+- 插值颜色
+- 插值深度
+- 插值法线
+- 插值世界坐标
+- 插值 UV
+
+### 5.3 透视校正插值
+
+这一项建议显式加入 TODO，原文没有写清楚。
+
+需要补上的内容：
+
+- 保存每个顶点的 `1 / w`
+- 对属性做 `attr / w` 插值
+- 最后再除以插值后的 `1 / w`
+
+完成标准：
+
+- 纹理坐标和法线在透视投影下不发生明显拉伸错误
+
+---
+
+## Step 6. 裁剪
+
+目标：正确处理部分进入视锥的几何体。
+
+这一项当前代码和原 TODO 都不够明确，但它是完整渲染器必须补的。
+
+### 6.1 近平面裁剪
+
+- 不要简单按顶点是否在 NDC 内直接丢弃
+- 支持一个三角形部分穿过近平面
+- 处理裁剪后生成 1 个或 2 个新三角形
+
+### 6.2 视锥裁剪
+
+- 支持左右上下近平远平面
+- 最开始至少要处理 near plane
+- 后续再扩展到完整 frustum clipping
+
+完成标准：
+
+- 靠近相机的大三角形不会突然破碎或整块消失
+
+---
+
+## Step 7. Shader 数据流
+
+目标：让渲染流程从“硬编码逻辑”过渡到“清晰的着色阶段”。
+
+这一项 README 提过方向，但 TODO 里不够明确，建议单独成阶段。
+
+### 7.1 顶点输出结构
+
+- 定义 vertex shader 输出
+- 至少包含：
+ - clip position
+ - world position
+ - normal
+ - color / uv
+
+### 7.2 片元输入结构
+
+- 定义 rasterizer 传给 fragment 的输入
+- 区分线性插值字段与透视校正字段
+
+### 7.3 Shader 接口整理
+
+- 不要把光照直接写死在 `main`
+- 把着色逻辑集中到 `Shading/`
+- 明确 shader 输入输出边界
+
+完成标准：
+
+- 后续增加 Lambert / Blinn-Phong / 纹理采样时不需要重写主流程
+
+---
+
+## Step 8. Blinn-Phong 光照
+
+目标：实现基本光照模型。
+
+### 8.1 光照输入准备
+
+- 法线插值
+- 世界空间或观察空间位置
+- 相机方向
+- 光源方向
+
+### 8.2 Blinn-Phong 模型
+
+- ambient
+- diffuse
+- specular
+- half vector `H = normalize(L + V)`
+
+### 8.3 法线空间与归一化
+
+- 明确法线在 world 还是 view space 计算
+- 每像素重新归一化法线
+
+完成标准：
+
+- 模型出现稳定高光和明暗面变化
+
+---
+
+## Step 9. OBJ 加载与通用模型渲染
+
+目标：从内置立方体过渡到真实模型。
+
+### 9.1 OBJ 基础加载
+
+- 读取 `v`
+- 读取 `vn`
+- 读取 `vt`
+- 读取 `f`
+
+### 9.2 Mesh 数据整理
+
+- 统一索引格式
+- 处理 OBJ 中 position / uv / normal 分离索引
+- 生成项目自己的 mesh 数据结构
+
+### 9.3 模型接入渲染管线
+
+- 用真实 mesh 走完整 triangle pipeline
+- 不再依赖 demo 专用几何体
+
+完成标准：
+
+- 能渲染 teapot、bunny 或其他基础模型
+
+---
+
+## Step 10. 相机控制
+
+目标：让 renderer 具备交互能力。
+
+### 10.1 平移控制
+
+- `WASD`
+- 上下移动
+
+### 10.2 旋转控制
+
+- 鼠标控制 yaw / pitch
+- 限制 pitch 防止翻转
+
+### 10.3 运行时参数调整
+
+- FOV
+- near / far plane
+- 光照参数
+
+完成标准：
+
+- 能在场景中自由观察模型
+
+---
+
+## Step 11. 结构收口
+
+目标：让代码不再长期堆在 `main.cpp`。
+
+### 11.1 Renderer 主流程落地
+
+- 把渲染调度逻辑移入 `Renderer`
+- `main.cpp` 只保留：
+ - 初始化
+ - 场景创建
+ - 输入处理
+ - 每帧调用 renderer
+
+### 11.2 数据结构分层
+
+- `Scene`: 相机、模型、变换
+- `RenderData`: 光栅输入输出数据
+- `Rasterizer`: 三角形覆盖与插值
+- `Shading`: 顶点 / 片元着色
+- `Core`: framebuffer / depthbuffer / renderer
+
+### 11.3 调试与测试工具
+
+- 增加简单数学单元测试
+- 增加投影和视口断言
+- 增加线框 / 深度 / 法线可视化模式
+
+---
+
+## 可选增强
+
+这些不影响基础 renderer 完成，但能显著提升项目质量。
+
+### A. Texture Mapping
+
+- 纹理采样
+- UV 插值
+- 可先做 nearest，再做 bilinear
+
+### B. MSAA
+
+- 子像素采样
+- Resolve 到最终 framebuffer
+
+### C. 阴影或简单后处理
+
+- Shadow map
+- Gamma 校正
+- Tone mapping
+
+### D. 性能优化
+
+- 降低无效像素遍历
+- 更高效的 depth / color 写入
+- SIMD 或分块光栅化
+
+---
+
+## 里程碑
+
+### Milestone 1
+
+- 线框立方体稳定显示
+- MVP 与 viewport 正确
+
+### Milestone 2
+
+- 实心立方体
+- 背面剔除
+- Z-buffer
+
+### Milestone 3
+
+- 属性插值
+- Blinn-Phong
+- OBJ 模型
+
+### Milestone 4
+
+- 相机交互
+- 结构整理
+- 可选增强项
+
+---
+
+## 当前最建议优先做的 5 件事
+
+1. 把主流程从线框切到实心三角形
+2. 接入 `DepthBuffer`
+3. 实现重心坐标和深度插值
+4. 明确并实现透视校正插值
+5. 把 `main.cpp` 的渲染逻辑收口到 `Renderer`