Привет. В прошлой статье я описал математику, которая необходима для вывода трехмерной сцены на экран в виде сетки — т.е. мы остановились на моменте получения координат вершин в пространстве экрана. Следующий шаг — это «заполнение» полигонов из которых состоит объект, т.е. поиск пикселей, которые входят в изображение объекта на экране. Процесс поиска этих точек называется растеризацией. Мы так же хотим иметь возможность текстурировать и освещать объекты — для этого необходимо уметь интерполировать атрибуты, заданные в вершинах (например, текстурные координаты, нормали, цвет и другие).

Наши входные данные — это набор полигонов (мы будем рассматривать только треугольники): координаты их вершин (система координат зависит от алгоритма) и значения атрибутов в каждой из этих вершин, которые в дальнейшем будут интерполироваться вдоль поверхности треугольника. Существует несколько подводных камней, которые я рассмотрю в этой статье:

• Правило заполнения пикселей (filling convention)
• Точность
• Коррекция перспективы при интерполяции аттрибутов (perspective-correct interpolation)

Я рассмотрю три подхода к растеризации:

• «стандартный» алгоритм, использующий наклон граней
• целый ряд алгоритмов, основанных на использовании уравнений граней полигона (traversal-алгоритмы)
• алгоритм растеризации в однородных координатах

Так же в конце будет ссылка на проект, который является примером реализации, оттуда же будут и примеры кода.

Программный рендеринг (software rendering) — это процесс построения изображения без помощи GPU. Этот процесс может идти в одном из двух режимов: в реальном времени (вычисление большого числа кадров в секунду — необходимо для интерактивных приложений, например, игр) и в «оффлайн» режиме (при котором время, которое может быть потрачено на вычисление одного кадра, не ограничено настолько строго — вычисления могут длиться часы или даже дни). Я буду рассматривать только режим рендеринга в реальном времени.

У этого подхода существуют как недостатки так и достоинства. Очевидным недостатком является производительность — CPU не в состоянии конкурировать с современными видеокартами в этой области. К достоинствам стоит причислить независимость от видеокарты — именно поэтому он используется как замена аппаратного рендеринга в случаях, когда видеокарта не поддерживает ту или иную возможность (так называемый software fallback). Существуют и проекты, цель которых — полностью заменить аппаратный рендеринг программным, например, WARP, входящий в состав Direct3D 11.

Но главным плюсом является возможность написания подобного рендерера самостоятельно. Это служит образовательным целям и, на мой взгляд, это — самый лучший способ понять лежащие в основе алгоритмы и принципы.

Это именно то, о чем будет рассказано в серии этих статей. Мы начнем с возможности закрашивать пиксель в окне заданным цветом и построим на этом возможность отрисовки трехмерной сцены в реальном времени, с движущимися текстурированными моделями и освещением, а так же с возможностью перемещаться по этой сцене.

Но для того, чтобы вывести на экран хотя бы первый полигон, необходимо освоить математику, на которой это построено. Первая часть будет посвящена именно ей, поэтому в ней будет много различных матриц и прочей геометрии.

В конце статьи будет ссылка на гитхаб проекта, который можно рассматривать как пример реализации.