/AccRender

OpenGL的渲染器

Primary LanguageC++

渲染效果

边缘高亮

实例化绘制

多种光源：点光源，方向光，聚光

导入模型

法线可视化

基于排序的透明

后期处理：边缘检测

PBR-直接光照

渲染器的整体结构

整体流程

初始化阶段：

  • 组件初始化：AccRender 引用了一些第三方库，比如 glad, glfw, imgui 等，在这里进行这些库的初始化
  • 窗口初始化：AccRender 使用 glfw 作为窗口系统，在这个阶段创建一个窗口，并将其设置为 OpenGL 的上下文（注：目前的 AccRender 只支持一个窗口）

渲染阶段：

  • 摄像机初始化：创建一个 camera 对象，作为 render 的静态成员（注：场景可以通过 render::camera 访问到摄像机）
  • 场景初始化：这一部分可以根据场景在 scene::_init() 中自定义，可以包含这些操作：创建模型/纹理/着色器；为模型绑定纹理；为着色器绑定数据
  • 绘制场景：这是渲染循环的主要部分，可以通过 scene::_udpate() 来自定义。这里会调用每个 shader 的 update_per_frame() 方法，来将每一帧都会变换的数据更新到着色器里面（比如摄像机相关的数据）;通过调用 shader 的 draw(const Mesh &) 方法来绘制具体的模型
  • 绘制GUI：这是渲染循环的饿另一个部分，可以在 scene::_gui() 中自定义。GUI 相关的操作依赖于第三方库 imgui

终止阶段：

  • 销毁窗口：销毁 render 的 window 成员
  • 关闭组件：销毁第三方组件，回收资源

各个类的作用

整体的类图

Shader

整个渲染的主流程实现在 shader 类中，包括：

  • 创建全局的窗口系统，全局的摄像机
  • 维护渲染循环，清空帧缓存，交换双缓冲
  • 轮询 window 的键盘输入，在每一帧里面更新摄像机的位置和姿态
  • 维护 GUI 的重绘
  • 回收资源，结束程序

Window

  • 是对 glfw 窗口的封装，提供了默认的 framebuffer，输入输出系统（提供了检测键盘的方法，鼠标位置改变的回调函数，检测鼠标按键的方法）

camera

  • 全局的摄像机，通过摄像机相关的参数，提供了 view matrix 和 model matrix；使用欧拉角作为旋转系统

mesh

  • Mesh 对象的实质是一系列的顶点和面，以及通过 OpenGL 创建的 VAO, VBO, EBO 对象

  • 支持导入模型数据：基于 assimp，可以导入模型文件为 Mesh 类型的对象

  • 提供了 draw 方法，可以绘制当前模型，需要提前设置好 shader

  • 每个 Mesh 对象都有一个纹理的列表，按照纹理的类型（diffuse，specular）来存放纹理

shader

  • 可以根据以 glsl 编写的文件，调用 OpenGL 创建着色器程序
  • 提供了设置着色器中 uniform 变量的方法
  • 提供了以描述性语句为 uniform 变量绑定数据的方法
  • 提供了绘制 Mesh 对象的方法

注：update_per_frame() 方法可以根据回调函数 set_update_per_frame() 的设置，在每一帧开始时更新一些 uniform 变量（比如 view matrix）。这个方法需要在场景中手动调用。

虽然可以提供将 shader 注册到 render 的机制，然后由 render 在合适的时机更新 shader，但是这样会导致整个渲染器结构变得很复杂，当前阶段暂不考虑

texture

  • 从图像文件加载数据，调用 OpenGL 的借口创建纹理对象
  • 可以创建普通的 2D 纹理，等距柱状投影的 HDR 纹理，以及 6 个方向单独存放的立方体贴图

scene

  • 每个自定义的场景都应该继承自这个类
  • 在 _init() 方法中进行模型的初始化，以及为 shader 绑定数据
  • 在 _update() 方法中绘制模型
  • 在 _gui() 方法中绘制 GUI

为什么 window 只有一个，而且是一个静态类？

主要原因是 glfw 在注册回调函数时，必须要传入一个函数指针。虽然可以维护一个全局的 GLFWwindow* - window对象 的表，但这样做会增加项目的复杂度，且目前大概率用不上，所以当前的渲染器只支持一个 window

摄像机应该作为 render 的成员还是作为 scene 的成员？

考虑到摄像机在每一帧都需要读取键盘和鼠标输入，且 window 是一个全局对象，摄像机获取 window 数据时会涉及到渲染器的底层。为了将耦合的代码集中起来，因此在 render 中处理摄像机的输入输出，这样摄像机就完全不需要关注 window 了

为什么有 model 这个类？

一个 obj 文件中通常会有多个 mesh，整个 obj 通常是一个整体；model 类就是为了将多个具有关联的 mesh 组织起来的

代码结构

_
|__ assets
|   |__ model              # 模型文件
|   |__ obj                # 使用代码定义的模型
|   |__ texture            # 纹理图片
|__ engine                 # 渲染器的源文件
|__ examples               # 使用渲染器绘制场景的示例
|__ lib                    # 通过源代码引用的第三方库
|__ CMakeLists.txt         # 项目的配置
|__ config.in              # 通过 cmake 注入的相对路径定义

shader与描述性数据绑定方法

shader 里面有很多的 uniform 变量需要和应用程序中的字段做绑定，OpenGL 提供了绑定变量的方法：

比如，着色器的代码为：

uniform mat4 model;
uniform sampler2D texture_diffuse_0;

用于数据绑定的应用代码为：

GLint location = glGetUniformLocation(shader_id, "texture_diffuse_0");
glUniform1i(location, texture_unit);

这些代码零散地分布在应用代码中，看起来不怎么直观

AccRender 使用了“描述性”地语句来进行数据绑定，让数据绑定集中在一起，比较直观：

/* 为 shader 绑定数据，这些数据每一帧都会改变 */
some_shader->set_update_per_frame([](Shader &shader){
    shader.uniform_mat4_set("view", Render::camera->view_matrix_get());
    shader.unifrom_mat4_set("projection", Render::camera->projection_matrix());
});

/* 为 shader 绑定数据，这些数据会随着渲染的 Mesh 改变而改变 */
some_shader.set->set_draw([](Shader &shader, const Mesh &mesh){
    shader.uniform_mat4_set("model", mesh.model());
    shader.set_textures(mesh, {
        {"texture_diffuse_0", TextureType::diffuse, 0},
        {"texture_specular_0", TextureType::specular, 0},
    });
});

这种从“命令式”到“描述式”的变化，在我看来是很重要的

实现细节

立方体纹理的顺序

顺序示意图：

着色器中顶点属性的编号

顶点属性标准状态为：

layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;

某个属性可以没有，也可以纬度不足，但一定要保证上述的 glsl 着色器可以兼容识别

VAO 对象的构成：

摄像机的设置

摄像机的朝向

摄像机在世界坐标系中的初始朝向，以及使用欧拉角表示旋转：

摄像机的局部坐标系

局部坐标系是固定在摄像机上的，示意图为：

注：为了防止欧拉角死锁，以及让参考向量 up=(0, 1, 0) 有效，需要限定俯仰角为 [-89, 89]

摄像机获得输入输出

目前的做法是：在摄像机中主动查看输入输出系统的数值，改变摄像机的位姿

考虑该用另一种方法：由 render 去获取输入系统的数值，并调用摄像机位姿改变的参数

遇到的问题

glfw 的窗口尺寸问题

如果屏幕使用了缩放，将导致 glfw 一开始不能正确地显示内容

原因分析：

  • 首先以特定的尺寸创建一个窗口，如 800, 600，并且将设置 OpenGL glViewport(0, 0, 800, 600)
  • 系统自动对该窗口进行缩放，该窗口的实际分辨率达到了 1600, 1200 ，但并没有引起 glfwFramebufferSize 的事件
  • 而且，如果此时调用 glfwGetWindowSize 查看窗口的尺寸，得到的仍然是 800, 600

解决办法就是：

  1. 手动地调节一下窗口尺寸
  2. 或者在开始时不要调用 glViewport 调节窗口的尺寸

Thanks to

  • glad
  • glfw
  • imgui
  • spdlog
  • fmt
  • glm
  • stb_image
  • assimp