软件渲染引擎实现说明作者: insky(李文耀) 主页：gamecoding.cn 下载 　　本程序实现了一整套3D渲染流水线，首先抽象出一个画点函数DrawPoint( int x, int y, DWORD color )，后继模型的所有绘制操作都是通过调用DrawPoint来完成的。实现功能及流程可由下图表示： 1  软件效果及速度        算法实现的最终效果如上图所示，在扫描线Z缓冲算法基础上增加了T&L,背面剔除，屏幕空间裁剪，颜色插值，全屏反走样等一整套3D渲染流水线。最终效果跟D3D9固定流水线的渲染效果已经相当接近，除了一些少数的黑点无法剔除，主要原因是顶点浮点坐标跟屏幕整型坐标的转换带来的锯齿。另外在速度上，对于有92856个面片的兔子模型，软件渲染依然有6.16 fps. 测试电脑配置如下： 　　　　　　CPU　　　　　　　　　　　　　显卡　　　　　　内存Intel Core 2 E7300(双核，2.66GHz)　　NVIDIA GeForce 9600 GT　　2G2　编程环境，操作说明         ①编程环境为　　　　vs 2005 + Directx 9.0(c) + DXUT(跟glut类似，DX框架)。 　　②用户界面使用说明　　　　中间是当前查看的OBJ文件模型，可以通过鼠标左键旋转模型，也可通过右键水平移动模型以及通过滚轮前后　　移动模型。 　　　　右边是功能按钮，单击 打开文件 按钮会跳出文件选择对话框，用于加载新的OBJ模型。也可通过 下拉框 直　　接选择程序默认的4个OBJ模型。　　　　选择按钮允许用户选择使用D3D9渲染还是使用软件渲染。下面是一堆渲染选项开关：自动旋转，使用光照模　　　型，全屏反走样，背面剔除，深度测试。 ３　软件渲染过程中使用的数据结构与算法说明　　所有的操作都封装在类ZLBuffer中，代码1000行左右，其接口只有四个如下： 　　ZLBuffer();                                                                // 构造函数     　HRESULT LoadFromOBJFile( const WCHAR* strFileName );                       //加载OBJ模型      　void RenderByD3D9( IDirect3DDevice9* pd3dDevice, float fElapsedTime );     // D3D9渲染 　　void RenderBySoftWare( IDirect3DDevice9* pd3dDevice, float fElapsedTime );// 软件渲染      　bool MsgProc( HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam );       // windows消息处理   3.1        加载OBJ模型，填充原始顶点数据结构和面数据结构 　　HRESULT ZLBuffer::LoadFromOBJFile( const WCHAR* strFileName )函数负责加载模型，填充下面两个数据结构： 　　std::vector<PrimaryVertex>  m_PrimaryVertexSet;  // 模型原始顶点集合 　　std::vector<Face>        m_FaceSet;           // 模型原始面集合 　　// 原始顶点结构 　　struct PrimaryVertex 　　{ 　　 D3DXVECTOR3 position; 　　  D3DXVECTOR3 normal; 　　  int t;                   　　}; 　　// 原始面结构 　　struct Face 　　{ 　　  int p0,p1,p2; 　　}; 　　其中，D3DXVECTOR3定义如下，t成员是用来记录该顶点属于多少个面，如此计算法法线向量的时候可以直接把每个面的法线向量加到normal再除t来完成。 　　struct D3DXVECTOR3 　　{ 　　      float x; 　　     float y; 　　     float z; 　　}; 　　3.2 软件渲染RenderBySoftWare代码仅三行，如下 　　TANDL();             // 坐标变换和光照过程 　　DoZLBuffer();        // 光栅化过程结果写到m_ColorBuffer二维数组 　　Flush( pd3dDevice );  // 把m_ColorBuffer数组写到后台颜色缓存，先进行// 全屏反走样处理 　　DoZLBuffer就是扫描线Z缓冲算法，其中加入了背面剔除跟裁剪，很大程度上提高了渲染速度。 　　3.3写后台缓存代码如下： 　　// 把m_ColorBuffer二维颜色数组里的数据刷到后台颜色缓存 　　void ZLBuffer::Flush( IDirect3DDevice9* pd3dDevice ) 　　{ 　　     HRESULT hr = S_OK; 　　     D3DLOCKED_RECT rect; 　　     IDirect3DSurface9 *pSurface = NULL; 　　     //获取后台表面   　　   V( pd3dDevice->GetBackBuffer( 0, 0, D3DBACKBUFFER_TYPE_MONO, &pSurface ) );     　　     V( pSurface->LockRect( &rect, 0, D3DLOCK_DISCARD ) ); 　　     DWORD *pixels = (DWORD *)(rect.pBits);    // 后台数据指针 　　     rect.Pitch >>= 2;                         // 每一行的跨度,字节数 　　     int num = 0; 　　     for (int y = 0; y < HEIGHT; y++) 　　     { 　　         for (int x = 0; x < WIDTH; x++) 　　         { 　　              pixels[num + x] = m_ColorBuffer[y][x]; 　　         } 　　         num += rect.Pitch; 　　     } 　　     pSurface->UnlockRect(); 　　     V( pSurface->Release() );   // 释放表面指针 　　} 附：ZLBuffer.h文件源代码（完整工程 和 可执行程序请下载附件）： //------------------------------------------------------------------------- // File: ZLBuffer.h // ZLBuffer类及相关结构体的声明 // 作者: 李文耀(gamecoding.cn) // 时间：2009-01-02 // // 该类实现了一个简单的3D流水线，自己抽象出了一个画点函数DrawPoint( int x, int y, DWORD color )， // 模型的所有绘制操作都是调用DrawPoint来完成的。模拟了D流水线中的“T&L”并用扫描线Z缓冲算法 // 实现rasterization，同时实现OBJ模型文件的读取。 // 为了优化渲染速度，实现了背面剔除跟裁剪; // 为了改善画面，实现了,线性插值，全屏幕反走样。 // // 使用 // 1，加载模型：调用LoadFromOBJFile( const WCHAR* strFileName )加载模型。 // 2，渲染模型：为了便于比较，提供了两个渲染函数RenderByD3D9( IDirect3DDevice9* pd3dDevice )， //    RenderBySoftWare。前者使用D3D9固定流水线渲染，后者为纯软件渲染。 // 3，操作：可以使用鼠标旋转，拖拉模型，可开启或关闭开关：光照，背面剔除，反走样，深度测试 // // 软件渲染RenderBySoftWare中使用到D3D9的内容罗列如下： // 1, 写后台缓存，这是唯一与D3D9流水线交互的地方。 // 2，矩阵类D3DXMATRIX以及矩阵操作相关函数如：生成视野矩阵的D3DXMatrixLookAtLH // 3，向量类D3DXVECTOR3以及向量操作相关函数如：计算叉积D3DXVec3Dot // // 软件渲染RenderBySoftWare代码仅行，如下： //       TANDL();             // 坐标变换和光照过程 //       DoZLBuffer();        // 光栅化过程结果写到m_ColorBuffer数组 //       Flush( pd3dDevice );  // 把m_ColorBuffer数组写到后台颜色缓存 //-------------------------------------------------------------------------------------- #ifndef __ZLBufferH__ #define __ZLBufferH__ #pragma warning(disable: 4995) #include <vector> #include <list> #pragma warning(default: 4995) #define WIDTH  800 #define HEIGHT 600 #define MINZ   0 #define MAXZ   65535 #define BACKGROUND BLUE // 颜色常量 const D3DXCOLOR      WHITE( D3DCOLOR_XRGB( 255, 255, 255 ) ); const D3DXCOLOR      BLACK( D3DCOLOR_XRGB( 0, 0, 0 ) ); const D3DXCOLOR        RED( D3DCOLOR_XRGB( 255, 0, 0 ) ); const D3DXCOLOR      GREEN( D3DCOLOR_XRGB(  0, 255, 0 ) ); const D3DXCOLOR       BLUE( D3DCOLOR_XRGB(  0, 0, 255 ) ); const D3DXCOLOR     YELLOW( D3DCOLOR_XRGB( 255, 255, 0 ) ); const D3DXCOLOR       CYAN( D3DCOLOR_XRGB( 0, 255, 255 ) ); const D3DXCOLOR    MAGENTA( D3DCOLOR_XRGB( 255, 0, 255 ) ); // 原始顶点结构 struct PrimaryVertex {      D3DXVECTOR3 position;      D3DXVECTOR3 normal;      int t;                               }; // 原始面结构 struct Face {      int p0,p1,p2; }; // 经过“T&L”流水线后的顶点结构 struct TLVertex {      D3DXVECTOR3 position;      float         color; }; // 边表成员结构体 struct Edge {      int id;            // 所属多边形ID      int minY;     // 最小Y      int x,z;      // 边的minY端点的x,z坐标（minY对应的x坐标）      int dy;            // 边跨越的扫描线数目      float dx,dz;  // 两相邻扫描线交点的x坐标之差,z坐标之差           float color;  // 边的minY端点颜色值      float dc;     // 两相邻扫描线交点的颜色值之差 }; // 多边形表成员结构体 struct Triangle {      int id;              // 多边形ID      char state;          // 当前状态,1,2      float a,b,c,d;    // 多边形平面参数      float dzX,dzY;       // Z值沿X轴，Y轴每像素改变值      DWORD color;    // 颜色 }; // 活化边表成员结构体 struct ActiveEdge {      int id;       // 多边形ID      float xL;     // 左交点的x坐标      int   dyL;    // 和左交点所在边相交的剩余扫描线数      float dxL;    // 左边两相邻扫描线交点的x坐标之差      float xR;     // 右交点的x坐标      int   dyR;    // 和右交点所在边相交的剩余扫描线数      float dxR;    // 右边两相邻扫描线交点的x坐标之差      float zL;     // 左交点深度值      float dzX,dzY;// 沿扫描线向右每像素深度增量，沿y方向每像素深度增量           float cL,dcL; // 左交点颜色值，左边两相邻扫描线交点的颜色值之差      float cR,dcR; // 右交点颜色值，右边两相邻扫描线交点的颜色值之差 }; class ZLBuffer { public:      ZLBuffer(); // 加载指定的OBJ文件，会先调用Clear清空原有数据                                          HRESULT LoadFromOBJFile( const WCHAR* strFileName ); // 用D3D9绘制当前模型      void RenderByD3D9( IDirect3DDevice9* pd3dDevice, float fElapsedTime );       // 用软件绘制当前模型      void RenderBySoftWare( IDirect3DDevice9* pd3dDevice, float fElapsedTime ); // 键盘，鼠标消息处理函数      bool MsgProc( HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam );         private:      std::vector<PrimaryVertex>  m_PrimaryVertexSet;           // 模型原始顶点集合      std::vector<Face>           m_FaceSet;                    // 模型原始面集合      std::vector<TLVertex>       m_TLVertexSet;                // 经T&L流水线后的顶点集合      std::vector<Triangle>       m_TriangeSet;                 // 多边形集合      std::list<Edge>             m_EdgeSet[HEIGHT];            // 边集合      std::list<ActiveEdge>       m_ActiveEdgeSet;              // 活跃边集合      D3DXVECTOR3                      m_position;                        // 模型的世界坐标      float                            m_rotateY;                         // 模型绕Y轴旋转角度      float                            m_rotateX;                         // 模型绕X轴旋转角度 // 与后台颜色缓存等大的颜色数组,先渲染到此数组然后再一次性写到后台颜色缓存      DWORD                            m_ColorBuffer[HEIGHT][WIDTH];                            DWORD                            m_TempColorBuffer[HEIGHT][WIDTH];  // 临时颜色数组      bool                        m_bIsLightAble;               // 是否使用光照      bool                        m_bIsAntiAliasing;            // 是否抗锯齿      bool                        m_bIsBackCull;                // 是否背面剔除      bool                        m_bIsDepthTest;               // 是否开启深度测试      bool                        m_bIsAutoRotate;              // 是否自动旋转      WCHAR                       m_fileName[100];              // 当前模型文件名 // 软件渲染相关函数 private:      void DrawPoint( int x, int y, DWORD color );   // 打点(屏幕空间)，写到m_ColorBuffer数组      void Flush( IDirect3DDevice9* pd3dDevice );    // 将m_ColorBuffer数组刷到后台缓存      void TANDL();                                  // T&L过程，实现了平行光光照模型      void DoZLBuffer();                             // 光栅化过程即扫描线Z缓冲算法 public:      inline void Clear();                         // 清空所有模型相关数据，并初始化      void SetLightAble( bool isLightAble )        { m_bIsLightAble = isLightAble; }      void SetAntiAliasingAble( bool isAnti )     { m_bIsAntiAliasing = isAnti; }      void SetBackCullAble( bool isBackCull )     { m_bIsBackCull = isBackCull; }      void SetDepthTestAble( bool isDepthTest )   { m_bIsDepthTest = isDepthTest; }      void SetAutoRotateAble( bool isAutoRotate ) { m_bIsAutoRotate = isAutoRotate; }      int  GetVertexCount()                      { return m_TLVertexSet.size(); }      int  GetFaceCount()                         { return m_FaceSet.size(); }      const WCHAR * GetRenderFileName()           { return m_fileName; } }; #endif // __ZLBufferH__

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