一些题外话
最近从腾讯离职了，算是裸辞吧。 一是休息下；二是给自己一个充充电的机会，感觉技术栈还是有很多薄弱的地方；三是考虑下未来要做些什么。 辞职原因无非就是做的事情不喜欢了。 有的人问我为啥要裸辞，不喜欢了，继续混一混不也很好吗？ 对这个问题，我觉得个人追求不一样吧，工作对我不仅仅只是混口饭吃，个人发展受限制了就必须得离开了。
前言
其实两、三年前实现过一个C#版本的软渲染器，但是后来看起来代码写的比较糟糕，也只是渲染了个立方体（12个面）而已，写在简历上挺丢人的。 这段时间闲下来了，觉得代码技能不能生疏，于是打算用C++写一个，算是重新拾起C++（写了两年C#）。 如果有(面试官/猎头/hr)看到了这篇文章，那么看看我的这个工程，应该能了解我C++的大致水平。 仓库地址： CpuRenderer
1. 第一次使用Cmake
之前我是直接用Visual Studio来写C++，VS本身是最流行的IDE，很多游戏引擎也都是VS作IDE的，例如Unity、EA的引擎。 后来看到很多开源的跨平台的C++项目都是用Cmake来管理构建的，而我基本只会运行Cmake，构建出静态库，然后用在自己的项目里。这时候其实就打算学习一下Cmake的，因为所有程序员都希望对代码库有最大程度的掌控，即使是第三方库，也最好能自己魔改，自己构建。然而后来一直拖延，觉得麻烦，就一直没有学。 很高兴，这是我的第一个用Cmake构建的项目，我算是学会了Cmake构建跨平台C++项目的基础用法。虽然很多是借鉴别的项目的CMakeLists.txt，但我已经了解了每一个语句是干什么的。 会者不难，难者不会。当你开始去做一件事，那这事很快就能做好，就是这么神奇。
2. 我实现软渲染器的步骤
一个软渲染器，算是一个比较小型的工程。然而如果没有划分好功能，循序渐进地去实现，那么即使你掌握计算机图形学的相关知识，实现起来也不会很容易，代码也可能会很混乱。 下面是我写代码的步骤，我会尽可能详细：
1）编写CMakeLists.txt
这一步其实就包含了挺多东西。首先是选择一个第三方的GUI类，因为我们不打算自己去实现一个跨平台的GUI类。这里我选择了SDL2，也是一个比较流行的跨平台轻量多媒体库（本来是打算用glfw的，但是在MacOS上，不能使用OpenGL非核心模式，这导致我们像素绘制很麻烦，需要用纹理绘制替代，于是放弃）。github上clone下代码后，在我们的Cmake里add_subdirectory,include_directories,然后target_link_library。此外我们还要魔改它的CmakeLists.txt，因为我们是静态链接，install的时候不想安装它生成的库，因此删去install的相关代码。
编写完成后，生成VS工程、make工程、xcode工程，确认正常后这一步算是完成了。
2）实现一个Hello Window，然后是视口类（ViewPort）
这一步我们主要目的是能得到一块可以进行像素操作的画布（canvas）。这里我用ViewPort类来管理，它是全局的，所以我们禁止复制（拷贝构造函数=delete）。在这个类中我们设置屏幕分辨率，维护一个frame buffer（后面的z-buffer也在这个类中维护），以及实现SetPixel函数。在程序的主循环的最后，我们调用SDL的渲染纹理的接口，将frame buffer的内容渲染到屏幕上。 我们需要简单测试一下帧率，例如每240帧切换一下颜色。在这一步我的垃圾cpu是能做到FPS > 240的，如果太慢了，可能是使用了比较慢的接口（例如SDL原生的SetPixel）。
3）实现DDA画线算法
我们新增一个Renderer类去操作ViewPort。在这个类里实现DDA画线算法，有了它，我们就有了画线框的能力。
4）实现sutherland hodgman裁剪算法
这一步可能有些人会有异议，因为一般这一步是在NDC（归一化坐标系）里做的，在观察变换、透视变换之后。我选择比较早实现这个函数，是因为这个算法是相对独立的，只要输入屏幕空间的点，和屏幕的裁剪边界，就能验证这个算法是不是实现正确了。我们可以用DDA画线框，来可视化我们的裁剪结果。在后面我们要在NDC里裁剪时，只需要输入NDC空间的点，以及[-1,1]这样的边界。
5）实现一些数学基础类
这里主要指的Vector3和Matrix4x4。这里我的经验是，只实现自己真正使用到的函数。这两个类我都是使用的POD（plain old data）类型，简单、高效、栈分配内存、无构造函数。只需要实现基本运算，这里矩阵我实现了转置（transpose）和求逆操作（inverse），后面根本没用到。
这里需要注意的是矩阵是行主序（Row Major）还是列主序(Column Major)，二者都可，但是影响几种变换矩阵的书写。Vector的叉乘，在左手系、右手系里公式是一样的，无影响。
6）实现相机类，以及几种变换矩阵
相机类里需要维护观察矩阵V、投影矩阵P、视口变换矩阵。还有模型变换矩阵M（transform、rotate、scale），一般维护在场景中或者其他持久化的系统中（如Unity的Prefab），这个我们这里不实现了。 这里要注意的是，左手系和右手系的变换矩阵的公式是有区别的（上面说过，行主序和列主序的公式也不同），抄公式可能会抄错，所以自己推导最好。 这一步还是比较关键，实现之后，应该验证一下，例如在原点放一个1x1x1的立方体，相机放在稍远处，然后用线框画出来，看看是不是和自己期望的一致。 相机类还应实现旋转、进退的功能，这样就能从不同角度、位置观察模型，也方便验证我们的裁剪是不是正确
7）实现顶点类，以及加载模型
一个重要的概念，顶点≠顶点位置，这个很多人容易混淆。顶点除了位置，一般还包括纹理坐标、法向量等。
加载模型我使用了也是比较流行的tinyObjLoader，虽然我们也可以自己去撸.obj文件的读取（其实还挺好读），但是这种工作不是我们的目的，所以我们选择直接用tinyObjLoader。
我们用Mesh类来管理读取到的三角形，然后用线框画出来，验证一下。我读的模型大概2000面，这一步已经开始对性能有挑战了。
在后面我们还要用到顶点的法向量（光照要用到），有的.obj文件带这个信息，有的不带，所以这里我统一自己计算法向量（v1v0 cross v2v0）
我们还要读取纹理坐标到顶点中，后面的纹理映射要用到。
8）实现三角形填充算法
上一步我们能得到模型的线框视图，这一步之后我们能得到白模。 我使用的是BaryCentric三角形填充算法。它的原理是计算像素点在质心坐标系的位置，从而判断像素点是不是在三角形内部。其他的也可以用扫描线算法来填充三角形。 使用BaryCentric算法方便的一点是，有了质心坐标，我们还可以很方便的进行纹理插值，这个后面说。 如果用同一种颜色填充，那看起来就是白色的一篇。 其实这里我们已经相当于是在做pixel shader做的事情，就是给具体的像素着色。我们可以实现Half-Lambert算法，在环境中设置一束平行光，通过顶点的法向量来计算光照。这样我们就能得到明暗变化的白模了。
9）实现纹理映射
首先是读取纹理，我引入lodepng来读取png图片。
纹理映射很简单，也就是通过顶点里存的s、t这种归一化的值，来确定像素颜色。
需要注意的是，我们只有顶点的纹理坐标，我们要怎么得到光栅化的点的纹理坐标呢？当然是插值。插值这里有一个trick，就是我们不能用上面得到的质心坐标，因为它是透视不正确的（带一个1/w）。也就是说，纹理在世界空间是线性变化的，在屏幕空间，是1/w线性的。如果我们在1/w空间进行插值，就能得到透视正确的纹理了。我们在顶点中储存texcoord / w和1/w两个变量，用它们去插值，然后相除得到最后的纹理坐标。
3. 未来可以继续迭代的内容
- 优化帧率（SIDM、多线程）
- 目前我们的着色是unlit的，可以加入简单的光照模型
- 加入场景管理，实现模型变换。
- 加入Alpha Test和Blend
- 实现deferred rendering
- 用OpenGL接口替换我们的接口，逐渐变成一个学习OpenGL的项目…
