CG4 - 3D 流水线

07 Jul 2015

0、概述

流水线又称为装配线,一种工业上的生产方式，指每一个生产单位只专注处理某一个片段的工作，以提高工作效率及产量。（引自百度百科）

3D 流水线（3D pipeline，也称 3D 管线）是指将软件渲染器实现渲染的整个过程按功能分割成各个部分，将每个部分只处理其相应的内容，然后将整个过程串联起来。流水线的优势在于，每个部分只需要关注其职责范围内的工作，不会产生业务交叉，只有各部分的处理结果对后续工序有影响。

3D 流水线的实现存放在 Pipeline.h 中，这里先介绍一个最粗略的 3D 流水线，随着每一部分的深入再对其细化和完善。

pipeline1

1、物体

从一个纯粹的物体出发，考虑要将一个物体绘制出来，需要几个基本属性：

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struct Object4D 
{
    ...
    // 世界坐标，用于变换
    Point4D world_pos;
    // 初始化为局部坐标顶点
    // 此处用了两个数组，一个数组存储原始的顶点数据，一个数组存储坐标变换后的数据
    Vertex4D vlist_local[OBJECT4D_MAX_VERTICES];
    Vertex4D vlist_trans[OBJECT4D_MAX_VERTICES];
    Poly4D plist[OBJECT4D_MAX_POLYS];
    ...
};

一个物体存储了许多个面与许多个顶点，两个面可能有 1 - 2 个公用顶点，如果存储面的结构中依然使用顶点数组进行存储，会造成比较大的资源浪费。实际实现中，只需要存储指向顶点数组的指针和对应顶点的偏移信息即可。

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struct Poly4D
{
    ...
    PVertex4D vlist = NULL;
    int vert[3];
};

2、渲染列表

从世界坐标系的整体出发，渲染列表代表着实际空间中的多个物体。实际上，在渲染列表中已经没有了物体的表示，保留下来的是物体的面的信息。

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struct RenderList4D
{
    ...
    PPolyList4D poly_ptrs[RENDERLIST4D_MAX_POLYS];
    PolyList4D poly_data[RENDERLIST4D_MAX_POLYS];
};

渲染列表中的面与物体中的面数据格式并不完全相同，因为在物体中，面的顶点是用指针表示的，若渲染列表中的面的顶点仍使用指针，会出现从渲染列表指向物体的指针，若物体在渲染过程中被回收或改变，那指针指向的内容可能也被对应改变了。所以在渲染列表的面结构中，需要真实地创建面的数组空间。

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struct PolyList4D
{
    ...
    // vlist 用于存储变换前的顶点，tvlist 用于存储变换后的顶点
    Vertex4D vlist[3];
    Vertex4D tvlist[3];

    // 将渲染面列表设计成双向链表，此处也可以设计成数组
    PolyList4D* prev = NULL;
    PolyList4D* next = NULL;
};

3、坐标变换

物体和渲染列表均支持两种操作：旋转和平移。

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struct Object4D
{
    ...
    void rotate(PMatrix4x4 m, TransformMode mode, int basis);
    void to_World(TransformMode mode = TRANSFORM_LOCAL_TO_TRANS);
};
struct RenderList4D
{
    ...
    void rotate(PMatrix4x4 m, TransformMode mode);
    void to_World(PPoint4D pos, TransformMode mode);
};

triangleDemo

此时再看 3D 流水线，在物体变换到顶点之前，加入了“局部坐标=>世界坐标”的变换过程：

pipeline2

事实上，这部分实现得并不好： 1）两个 to_World 没有统一接口，Object4D 中的 world_pos 并不是必须的，需要时创建即可； 2）rotate 实际效果取决于 PMatrix4x4，若变换矩阵为平移矩阵，这里的 rotate 将出现“旋转导致了平移效果”的二义性。

添加更多的 API wrapper 和校验或许是一个不错的选择，当然，就目前而言这并不影响继续前行。

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