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Tinyrenderer3D和Tinyrenderer2D的编写心得

这几天写了3D和2D的渲染器，原本是只打算编写一个2D渲染器的，但是在写的过程中发现2D能写的很少，用不到我学的所有东西，所以就在2D的基础上编写的3D的渲染器。

渲染器地址：2D，3D

2D渲染器的心得

2D的话我打算写一个比SDL强一些的渲染器的，主要是想要这种五彩斑斓的多边形：

而且确实也写成了。这个渲染器给我的收获就是让我明白了SDL的渲染器是如何构建的，虽然说我没有看过SDL的源码，但是我参考着SDL的API，将渲染器部分重要的API都实现了一遍。这种五彩斑斓的五边形的API设计是参考SFML的。

SDL本身是有两种渲染器，在SDL1的时候是软渲染，渲染用不到GPU，完全的软件，所以这个时候用的是SDL_Surface用来代表图像，并且可以直接通过成员获得其图像数据和格式。但是在SDL2时出现了基于OpenGL和DX的渲染器，使用SDL_Texture表示图像，充分利用了GPU。所以SDL_Texture是不能直接获取图像数据，图像格式的，因为他们都保存在了GPU中，其加载图片时执行了类似这样的代码：

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int w, int h;
unsigned char* data = load_image(filename, &w, &h);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, w, h, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
free_image(data);

将图片数据传给GPU之后就可以将内存中的数据删除了，所以每次调用GetPixel()这样的数据的话必须问GPU要像素，很耗时间。

至于可以将Texture作为渲染器的目标，这是使用了帧缓冲做出来的。

3D渲染器的心得

到了3D渲染器这方面就裂开了，因为之前没有深入用过3D引擎的经历，只用过一点Pandas。而且市面上一般都是3D游戏引擎，纯写渲染器的好像都是用于建模软件的静态渲染器，也没找着什么源码来参考。当时在写的时候参考了一下Irrlicht引擎的API，然后从头开始自己摸索组织代码。

这一部分跟着Learning OpenGL的教程来实现的，其实这个教程我之前走过，当时是每个部分分开写的，所以感觉没什么难度。这一次我得把所有的东西全放到一起，感觉难度瞬间就上来了。

错误处理

首先最令人头疼的就是OpenGL的错误处理，这一点我只能说Vulkan验证层牛逼。原本的教程中没说这方面，我去B站搜了视频才知道方法。主要有两个方法：

首先是最原始的glGetError()函数。OpenGL会把错误放入到队列中，任何一个函数出错了，它会将错误信息放入队列，然后可以通过这个函数从队列里面拿一个错误出来。如果队列是空就会返回GL_NO_ERROR。所以跟着视频我编写了这样的函数：
```
inline void GLClearError() {
    while (glGetError() != GL_NO_ERROR);
}

inline void GLPrintError(const char* function, int line) {
    GLenum error;
    while ((error = glGetError()) != GL_NO_ERROR) {
        printf("[OpenGL Error](%s - %d): %s\n",
        function, line, ErrorCode2Str(error).c_str());
    }
}

#define GLCall(x) \
    do { \
        GLClearError(); \
        x; \
        GLPrintError(__FUNCTION__, __LINE__); \
    } while(0)
```
这样的的话每次调用函数都得裹上一层GLCall宏来判断错误。这个东西的好处就是所有版本OpenGL都支持，缺点就是他只返回一个错误码，要知道什么错误还得去查码。
或者使用GL_ARB_debug_output拓展，这个拓展会自动在出错的时候在控制台上输出信息，类似于Vulkan的验证层，不过很可惜的是我电脑不支持这个。。。

这些错误中最令人头疼的就是GL_INVALID_OPERATION，这个错误说你的操作在当前状态下不行。意思就是说我也不知道为什么错了，你自己查去。

每每遇到这个错误，都要花费我好长时间去调试，现在总结起来，一般都是调用glBufferData,glVertexAttribPointer这类需要缓冲的函数时，当前绑定的缓冲不存在或者是0，这样由于当前OpenGL状态不正确，所以会报错。

有东西没画出来

第二令人头大的是程序也没报错，但是窗口上就有些该出现的东西没出现，有些东西画不出来。主要有两个原因：

着色器问题：可能存在uniform类型变量没有赋值，或者直接被删了。这里比较坑的是如果一个uniform变量你在着色器中没有使用，它会给你删了，然后在使用glGetUniformLocation()函数的时候直接返回-1。

而且比较坑的是，如果你想这样定义了一个函数：
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uniform sampler2D shadow_map; float CalcShadow() { // use shadow_map ... }
在函数里面用了uniform变量，但是你却没有调用过这个函数的话，这个变量默认还是会被删除！所以可以推测在编译着色器程序的时候，OpenGL会将没用到的变量，函数都删了。
视角问题：有时候MVP矩阵可能会出错，导致将物体移到了未知的地方。解决办法就是提前确保MVP矩阵没错，然后加一个可以自由移动视角的摄像机，这样当视野中没显示的时候可以转动摄像机看看。或者在绘制物体的时候输出物体变换后的坐标。
面剔除问题：可能物体的顶点不符合当前设置的面剔除规则，OpenGL帮你剔除了。解决办法就是关闭面剔除再转一遍。

而且在绘制阴影的时候，也比较难确保阴影究竟有没有绘制成功，这个时候需要将阴影贴图画出来看一看。

综上所述，通过这些经验我可以做一个简单的单元测试框架，来查看发生问题的原因（当时着急赶进度没写，现在后悔了😭），这个框架的主要功能是：

禁用面剔除，模板测试（有些时候模板测试也会带来一些问题）
物体的位置永远在(0,0,0)以便于更好地判断位置问题
多种绘制模式：
- 只绘制线框
- 只绘制颜色
- 绘制贴图
并且可以通过按键来自由调控，这样的话就可以判断到底是在哪个阶段出了问题。

如果是线框出问题，那可能是顶点没有传输到GPU中或者VAO,EBO有问题。

如果是颜色没画出来，那可能是片段着色器出问题，或者颜色没传到GPU中。

如果是贴图没画出来，就要检查贴图方面的问题，贴图加载是否成功，有没有传到GPU中，纹理格式设置对不对等。

其实针对光照和其他的功能还得写针对的框架，这里就不赘述了。

着色器

第三个令人头疼的是着色器，以前跟教程的时候都是每个章节新开一个着色器，着色器中就那么点功能。但是现在我的着色器又要绘制纯色，又要绘制纹理，又要光照，还得在有没有法线纹理之间来回切换。有些需要将顶点和颜色一起通过layout传入，有些只要传入顶点，但是需要纹理。

我第一个解决办法是将着色器分类，比如纯色的着色器放一个文件，贴图的着色器放一个文件。但是当我写到光照贴图部分的时候就不行了，因为我的API是这样设计的：

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plane_.material.ambient = {0.6, 0.6, 0.6};
plane_.material.diffuse = {0.6, 0.6, 0.6};
plane_.material.specular = {0.6, 0.6, 0.6};
plane_.material.shininess = 32;

plane_.material.diffuse_texture = texture;

每个物体都有环境光，漫反射和镜面三种属性，你可以通过数值直接指定，或者给他贴图。当有贴图的时候相应的数值部分就不再发挥作用。

这就导致我没得办法将着色器分类，我总不能为纯色写一个，为有漫反射贴图的写一个，再给镜面光的写一个吧，这样着色器数量也太多了。

最后没得办法，只能把所有的着色器并成一个，然后在里面使用bool类型的uniform变量指定是否存在贴图。

结果就是着色器很长，而且我认为那些bool变量没什么必要，还让我的uniform数量减少了（我电脑上最多一次性支持50个uniform），将这些变量去掉我能多加一些光源呢。但是目前我没更好的办法，只能这样将就一下。

天空盒子

以前我写天空盒就遇到过坑：天空盒的六个图像大小必须一样。

这次又遇到一个：图像边长必须为2的倍数。

总结

这次编写渲染器不仅仅让我复习了OpenGL，也让我欣赏到了凌晨三四点的风景，让我在半夜看着屏幕血压飙升，以及连续5天中午吃泡面的艰辛历程。

游戏渲染器的编写心得

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