# 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`