光栅化渲染器c++实现

光栅化渲染器是一种基于图形学的渲染方式，它通过将三维模型转换为二维图像进行渲染。下面是一个简单的光栅化渲染器的C++实现示例：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cstring>
#include <cmath>

using namespace std;

// 定义三维向量结构体
struct Vec3f {
    float x, y, z;

    // 向量加法
    Vec3f operator+(const Vec3f& v) const {
        return Vec3f(x + v.x, y + v.y, z + v.z);
    }

    // 向量减法
    Vec3f operator-(const Vec3f& v) const {
        return Vec3f(x - v.x, y - v.y, z - v.z);
    }

    // 向量点乘
    float operator*(const Vec3f& v) const {
        return x * v.x + y * v.y + z * v.z;
    }

    // 向量叉乘
    Vec3f operator^(const Vec3f& v) const {
        return Vec3f(y * v.z - z * v.y, z * v.x - x * v.z, x * v.y - y * v.x);
    }

    // 向量数乘
    Vec3f operator*(const float& f) const {
        return Vec3f(x * f, y * f, z * f);
    }

    // 向量模长
    float length() const {
        return sqrtf(x * x + y * y + z * z);
    }

    // 向量归一化
    void normalize() {
        float len = length();
        x /= len;
        y /= len;
        z /= len;
    }
};

// 定义三角形结构体
struct Triangle {
    Vec3f v1, v2, v3;
};

// 定义光线结构体
struct Ray {
    Vec3f origin;               // 光线起点
    Vec3f direction;            // 光线方向
};

// 定义颜色结构体
struct Color {
    float r, g, b;

    // 颜色加法
    Color operator+(const Color& c) const {
        return Color(r + c.r, g + c.g, b + c.b);
    }

    // 颜色数乘
    Color operator*(const float& f) const {
        return Color(r * f, g * f, b * f);
    }

    // 颜色乘法
    Color operator*(const Color& c) const {
        return Color(r * c.r, g * c.g, b * c.b);
    }
};

// 定义相机结构体
struct Camera {
    Vec3f position;             // 相机位置
    Vec3f direction;            // 相机方向
    float fov;                  // 视场角
};

// 定义画布结构体
struct Canvas {
    int width, height;          // 画布宽度和高度
    Color* pixels;              // 像素数组

    // 获取指定位置的像素颜色
    Color& getPixel(int x, int y) const {
        return pixels[y * width + x];
    }
};

// 定义场景结构体
struct Scene {
    Triangle* triangles;        // 三角形数组
    int numTriangles;           // 三角形数量
    Color ambientLight;         // 环境光颜色
    Vec3f lightPosition;        // 光源位置
    Color lightColor;           // 光源颜色
};

// 计算光线和三角形的交点
bool intersect(const Ray& ray, const Triangle& triangle, Vec3f& intersection) {
    Vec3f edge1 = triangle.v2 - triangle.v1;
    Vec3f edge2 = triangle.v3 - triangle.v1;
    Vec3f h = ray.direction ^ edge2;
    float a = edge1 * h;
    if (a > -0.00001f && a < 0.00001f) {
        return false;
    }
    float f = 1.0f / a;
    Vec3f s = ray.origin - triangle.v1;
    float u = f * (s * h);
    if (u < 0.0f || u > 1.0f) {
        return false;
    }
    Vec3f q = s ^ edge1;
    float v = f * (ray.direction * q);
    if (v < 0.0f || u + v > 1.0f) {
        return false;
    }
    float t = f * (edge2 * q);
    if (t > 0.00001f) {
        intersection = ray.origin + ray.direction * t;
        return true;
    }
    return false;
}

// 计算光线和场景的交点
bool intersect(const Ray& ray, const Scene& scene, Vec3f& intersection) {
    bool intersected = false;
    float nearestDistance = INFINITY;
    for (int i = 0; i < scene.numTriangles; i++) {
        Vec3f intsec;
        if (intersect(ray, scene.triangles[i], intsec)) {
            float distance = (intsec - ray.origin).length();
            if (distance < nearestDistance) {
                nearestDistance = distance;
                intersection = intsec;
                intersected = true;
            }
        }
    }
    return intersected;
}

// 计算点在三角形上的投影颜色
Color shade(const Vec3f& point, const Triangle& triangle, const Scene& scene) {
    Vec3f normal = (triangle.v3 - triangle.v1) ^ (triangle.v2 - triangle.v1);
    normal.normalize();
    Vec3f toLight = scene.lightPosition - point;
    toLight.normalize();
    float diffuse = normal * toLight;
    diffuse = max(diffuse, 0.0f);
    Color color = scene.lightColor * diffuse;
    color = color + scene.ambientLight;
    return color;
}

// 渲染场景
void render(const Scene& scene, const Camera& camera, const Canvas& canvas) {
    float fovScale = tanf(camera.fov / 2.0f * M_PI / 180.0f);
    for (int y = 0; y < canvas.height; y++) {
        for (int x = 0; x < canvas.width; x++) {
            float px = (2.0f * ((x + 0.5f) / canvas.width) - 1.0f) * fovScale;
            float py = (1.0f - 2.0f * ((y + 0.5f) / canvas.height)) * fovScale;
            Vec3f direction = camera.direction + Vec3f(px, py, 1.0f);
            direction.normalize();
            Ray ray = { camera.position, direction };
            Vec3f intersection;
            if (intersect(ray, scene, intersection)) {
                Color color = shade(intersection, scene.triangles[0], scene);
                canvas.getPixel(x, y) = color;
            }
        }
    }
}

// 保存渲染结果到文件
void saveCanvas(const Canvas& canvas, const char* filename) {
    ofstream file(filename);
    file << "P3\n" << canvas.width << ' ' << canvas.height << "\n255\n";
    for (int y = 0; y < canvas.height; y++) {
        for (int x = 0; x < canvas.width; x++) {
            Color color = canvas.getPixel(x, y);
            file << (int)(color.r * 255.0f) << ' '
                 << (int)(color.g * 255.0f) << ' '
                 << (int)(color.b * 255.0f) << '\n';
        }
    }
    file.close();
}

int main() {
    // 定义场景
    Scene scene;
    scene.numTriangles = 1;
    scene.triangles = new Triangle[scene.numTriangles];
    scene.triangles[0] = { { -1.0f, -1.0f, 0.0f }, { 1.0f, -1.0f, 0.0f }, { 0.0f, 1.0f, 0.0f } };
    scene.ambientLight = { 0.1f, 0.1f, 0.1f };
    scene.lightPosition = { 0.0f, 0.0f, -10.0f };
    scene.lightColor = { 1.0f, 1.0f, 1.0f };

    // 定义相机
    Camera camera;
    camera.position = { 0.0f, 0.0f, -5.0f };
    camera.direction = { 0.0f, 0.0f, 1.0f };
    camera.fov = 60.0f;

    // 定义画布
    Canvas canvas;
    canvas.width = 640;
    canvas.height = 480;
    canvas.pixels = new Color[canvas.width * canvas.height];

    // 渲染场景
    render(scene, camera, canvas);

    // 保存渲染结果到文件
    saveCanvas(canvas, "output.ppm");

    // 释放内存
    delete[] scene.triangles;
    delete[] canvas.pixels;

    return 0;
}

这个渲染器实现了一个简单的场景渲染，包含一个三角形和一个白色光源。它使用了光线追踪算法进行渲染，可以在输出文件中看到渲染结果。不过，这个渲染器还有很多可以优化的地方，比如增加阴影、反射、抗锯齿等功能。