How to write a simple software rasterizer

How to write a simple software rasterizer

 

 

 

Why to write a software rasterizer

眾所周知，已經存在硬件加速的光柵化渲染器，如OpenGL, Direct3D。一些專業書如紅寶書《OpenGL編程寶典》也介紹了如何使用OpenGL的渲染管線。但自己寫軟件光柵化渲染器，不僅可以增加對渲染管線的理解，還能掌握一些書上沒講到的知識，一些有OpenGL編程經驗的人可能也不知道的，比如Perspective-Correct Interpolation等。這次要不是做圖形學課程的大作業，也不知道什么時候我會去實現個這東西。

Features of our software rasterizer

主要模擬一下整個渲染管線，主要包括 Vertex shading, Primitive Assembly, Perspective transformation, Rasterization, Fragment shading等，這些是最基本的，做完這些至少能簡單的渲染一張Image出來了。現在寫software rasterizer沒有必要再寫個類似OpenGL的fixed pipeline，直接寫個programmalbe pipeline反正更加簡單。利用面向對象語言里的繼承、多態，完全可以讓用戶自己寫各種Shader代碼。當然還可以有更高級的做法，如空明流轉的SALVIA，完全可以自己首先整個Shader編譯器，定義一套類似GLSL, HLSL的shader語言。反正目前我是沒那能耐去折騰編譯器，所以就實現了個把shader寫死在C++代碼里的版本。

How to write

1. Vertex Process

Vertex shading就不多說了，寫過shader的都知道干嘛的。既然要實現一個programmable pipeline，那么至少也得知道shader寫在哪，怎么寫。不像GLSL、HLSL，Shader代碼寫個單獨的文件里。最簡單的方法就是利用C++的繼承和多態，定義一套shader的基類，以后要寫新的shader時，繼承一下就好了。這種方法的缺點就是Shader被寫死在C++里了，當然你也可以用Shader做成dll，動態導入。

Base Class:

class VertexShader : public Shader
{
public:
    VertexShader();
    virtual ~VertexShader();

    virtual void Execute(const VS_Input* input, VS_Output* output) = 0;
};

class PixelShader : public Shader
{
public:
    PixelShader();
    virtual ~PixelShader();

    /**
     * return false if discard current pixel
     */
    virtual bool Execute(const VS_Output* input, PS_Output* output, float* pDepthIO) = 0;
};

 

Derived Class

class SimpleVertexShader : public VertexShader
{
public:

    void Bind()
    {
        DeclareVarying(InterpolationModifier::Linear, float4, oPosW, 0);
        DeclareVarying(InterpolationModifier::Linear, float4, oNormal, 1);
        DeclareVarying(InterpolationModifier::Linear, float2, oTex, 2);
    }

    void Execute(const VS_Input* input, VS_Output* output)
    {
        DefineAttribute(float4, iPos, 0);
        DefineAttribute(float4, iNormal, 1);
        DefineAttribute(float2, iTex, 2);

        DefineVaryingOutput(float4, oPosW, 0);
        DefineVaryingOutput(float4, oNormal, 1);
        DefineVaryingOutput(float2, oTex, 2);

        oPosW = iPos * World;
        oNormal = float4(iNormal.X(), iNormal.Y(), iNormal.Z(), 0.0) * World;
        oTex = iTex;

        output->Position = oPosW * View * Projection;
    }

    uint32_t GetOutputCount() const
    {
        return 4;
    }

public:
    float44 World;
    float44 View;
    float44 Projection;
};

 上面只是個簡單的示例，可以看到Shader參數現在可以直接簡單地定義為成員變量，使用起來相當方便。

2 Primitive Assembly

Vertex Process相當於做了頂點變換，以及保存一些varying變量，插值后給Fragment Shader使用。Vertex Shader輸出的頂點定義在Clip Space，我們可以一次性把View Frustum的上下左右前后6個面都做Clip，也可以只做近平面和遠平面，后面掃描線的時候，還可以在屏幕空間裁減。根據《3D游戲編程大師技巧》的說法，后面屏幕空間的裁剪可能速度更快，所以我的實現也只裁剪了近、遠平面。但是，近平面是一定要Clip的，原因看這篇文章，http://www.altdevblogaday.com/2012/04/14/software-rasterizer-part-1/，可能需要翻牆。裁剪完了做perspective divide，之后便是viewpot transform。這里很重要的一點就是perspective correct interpolation。我不介紹，大致看這篇文章吧，http://www.cnblogs.com/ArenAK/archive/2008/03/13/1103532.html。所以要把1/z給保存下來，所有的Vertex Shader輸出，varying變量都要乘上1/z。但是經過Vertex Shader后，頂點已經在Clip Space，怎么獲得Z值呢，這個根據Projection矩陣自己倒推一下就可以了。Primitive Assembly就是把一個個頂點組成三角形光柵化。

3 Rasterization

光柵化這里可大有文章，光柵化主要干的事就是確定哪些像素塊屬於三角形內部。這里有兩點要先介紹一下，Top-Left填充規則和頂點屬性的插值計算方法。Top-Left填充規則大致看這篇文章，http://blog.csdn.net/damenhanter/article/details/6388934，講得比較詳細。頂點屬性的插值，主要是利用三角形Barycentric coordinate，參考《Fundamentals of Computer Graphics》第三版，2.7節。可以自己推公式，大致就是選擇三個頂點中的一個點作為base點，計算沿着兩條邊的Difference，寫成ddx, ddy的形式，插值時，只要計算相對於base點的offsetX, offsetY，根據ddx, ddy就能計算插值后的值。關於BarryCentric Coordinate插值，還可以參考這篇Gamedev的文章，http://www.gamedev.net/topic/457998-software-rendering---vertex-attribute-interpolation/。

光柵化主要介紹兩種方法，經典的掃描線Scanline算法和Tiled-based的算法。掃描線算法比較經典，就是把一個三角形分成平底三角形和平頂三角形，按行掃描就好了，可以參考《3D游戲編程大師技巧》第九章。Tiled-based的算法參考Advanced Rasterization。我不多做介紹，這兩篇文章都介紹的很詳細了。另外在提供兩篇文章，Rasterization on Larrabee 和 A modern approach to software rasterization。前面一篇是Intel Larrabee架構下的一個Rasterizer，空明流轉的SALVIA好像就是用的這個算法。后面一篇我覺得也不錯，實現起來也相對簡單。另外還有一篇GPU上cuda實現的，我覺得應該是最高效的方法，可以參考論文“High-Performance Software Rasterization on GPUs”。掃描線算法主要不太適合多線程，主要是后面Fragment Shading的時候，肯定會有好幾個線程同時更新同一個像素backbuffer的問題，但gameKnife大神的多線程版掃描線效率很高，我也不知道他具體是怎么做的。而Tiled-based的算法則對多線程比較友好，不過我簡單的實現了一個Tiled-based的half-space算法，好像也沒快到哪里去。主要感覺雖然多線程了，但每個CPU core的使用率不是很高，可能Cahce沒用好。第一次寫多線程的程序，沒什么經驗。

4 Fragment Shading

Fragmene Shader也可以模仿上面Vertex Shader的方法，通過繼承實現。

class SimplePixelShader : public PixelShader
{
public:

    float3 LightPos;

    DefineTexture(0, DiffuseTex);
    DefineSampler(0, LinearSampler);

    bool Execute(const VS_Output* input, PS_Output* output, float* pDepthIO)
    {
        DefineVaryingInput(float3, iPosW, 0);
        DefineVaryingInput(float3, iNormal, 1);
        DefineVaryingInput(float2, iTex, 2);

        float3 L = Normalize(LightPos - iPosW);
        float3 N = Normalize(iNormal);
        float NdotL = Dot(N, L);

        ColorRGBA diffuse = Sample(DiffuseTex, LinearSampler, iTex.X(), iTex.Y());

        output->Color[0] = Saturate(diffuse * NdotL);

        return true;
    }

    uint32_t GetOutputCount() const
    {
        return 1;
    }
};

 跑Fragment Shader前，先對當前像素用插值方法計算Vertex Shader過來的頂點屬性，插值的方法上面介紹了，計算挺方便的。Fragment Shader這塊最大的問題是，很難計算屏幕空間的導數，這個在做mipmap的時候需要用到。具體可以參考空明流轉的《開源光柵化渲染器SALVIA的漫長五年（准·干貨）》。我覺得要做這個的話，就應該像空明流轉說的，用硬件的方式來執行，一次讓2x2的像素塊一起執行，所以如果還是使用用C++寫shader的話，肯定不能再像上面一樣，一個Execute函數，讓一個fragment執行，必須要四個像素一起執行。這方面可以參考A modern approach to software rasterization的shader實現。Fragment Shader完了后，就是Z-Test，Blend等了，這個應該比較好寫，完全可以自己代碼控制。

另外再附加幾個鏈接吧，可以參考一下

A trip through the Graphics Pipeline 2011 http://fgiesen.wordpress.com/2011/07/09/a-trip-through-the-graphics-pipeline-2011-index/ 這個系列的文章相當的高級，介紹了Direct3D 11管線的各個方面，真的值得一讀。

Perspective Texture Mapping http://chrishecker.com/Miscellaneous_Technical_Articles

 

最后貼一下我寫的光柵化渲染器的效果圖