3D 渲染器

目的与范围

本文档全面概述了从零开始构建 3D 渲染系统的教程和资源。它涵盖了各种渲染技术，包括光线追踪、光栅化和实时渲染方法。重点在于多种编程语言的实际实现，指导开发者创建自己的渲染器，以加深对计算机图形学基础的理解。

有关体素引擎等相关可视化系统的信息，请参阅体素引擎。对于可以补充 3D 渲染器的物理模拟，请参考物理引擎。

核心渲染方法

3D 渲染器通常采用以下几种基本方法之一，每种方法都具有独特的特性、优点和应用

渲染方法	描述	适用性	性能特征
光线追踪	通过追踪穿过像素的光线路径来模拟光线的物理行为	照片级渲染、反射、全局照明	计算开销大，传统上非实时
光栅化	通过投影和扫描转换将 3D 模型转换为 2D 像素	实时图形、游戏、交互式应用	速度更快，适用于实时应用
射线投射	简化的射线技术，从视点发射射线，在第一次命中时停止	第一人称视角渲染，早期 3D 游戏	性能与视觉质量之间的平衡
基于物理渲染 (PBR)	根据材料的物理特性建模光线交互	电影、视觉特效、高级游戏	将准确性与优化技术相结合

来源：README.md43-48

渲染管道架构

下图展示了典型 3D 渲染管线的高层架构

来源：README.md43-48 README.md49-53

光线追踪实现

光线追踪通过从摄像机穿过每个像素追踪光线并计算与场景物体的交互来模拟光的物理行为。该仓库提供了多种语言的光线追踪教程。

关键光线追踪组件

光线生成：从摄像机穿过图像平面创建主光线
加速结构：优化相交测试 (BVH, KD 树)
BRDF 模型：模拟材料与光的交互方式
全局照明：多次反射以实现真实感照明

来源：README.md43 README.md45 README.md47 README.md50

光栅化实现

光栅化将 3D 几何体转换为 2D 像素，是大多数实时渲染系统（如游戏引擎）的基础。

关键光栅化概念

顶点处理：将 3D 顶点变换到屏幕空间
图元组装：将顶点组织成三角形/图元
扫描转换：确定哪些像素被几何体覆盖
深度测试：使用 Z 缓冲区解决可见性问题
像素着色：应用光照、材质和纹理

来源：README.md44 README.md48 README.md52

特定编程语言方法

该仓库提供了用各种编程语言构建 3D 渲染器的教程，每种教程都有不同的侧重点和方法

语言	可用教程	重点领域
C++	6 个教程	光线追踪、OpenGL 软件渲染、德军总部 3D 射线投射、PBR
C#/TypeScript/JavaScript	1 个教程	3D 软引擎开发
Java/JavaScript	1 个教程	光线追踪器实现
Java	1 个教程	简单 3D 渲染引擎
JavaScript/伪代码	1 个教程	计算机图形学基础
Python	1 个教程	3D 建模系统

C++ 实现路径

对于使用 C++ 的开发者，这些教程提供了一条循序渐进的学习路径

从基本的光线追踪概念开始
实现一个简化的类似 OpenGL 的软件渲染器
构建一个类似于经典游戏的射线投射器
进阶到基于物理渲染的概念

来源：README.md43-48

面向 Web 的实现

对于 Web 开发者，JavaScript、TypeScript 及相关技术的教程涵盖

在浏览器中运行的基于软件的 3D 引擎
与 Web 技术的集成
适用于 Web 部署的简化渲染技术

来源：README.md49-50 README.md52

核心渲染器组件

无论采用何种方法，大多数 3D 渲染器都包含以下基本组件

来源：README.md43-53

学习路径和实际实现

初级路径

从光栅化开始：理解图形管线的基础知识
- 实现一个简单的线框渲染器
- 添加平面着色和 Gouraud 着色功能
- 实现 Z 缓冲以正确处理深度
添加纹理映射：用纹理增强视觉质量
- 实现 UV 坐标映射
- 添加对不同纹理过滤方法的支持
实现基本光照模型：添加简单的光照计算
- 漫反射光照 (Lambert)
- 镜面高光 (Phong/Blinn-Phong)

来源：README.md44 README.md48 README.md51-52

中级路径

实现一个简单的射线投射系统：创建一个《德军总部 3D》风格的渲染器
- 理解光线-平面相交
- 在墙壁上实现纹理映射
- 添加简单的光照效果
构建一个基本的光线追踪器：创建一个支持以下功能的简单光线追踪器
- 主光线生成
- 光线-球体和光线-三角形相交
- 基本反射和阴影

来源：README.md43 README.md46 README.md50

高级路径

开发一个基于物理的渲染器：实现物理精确的材质和光照
- 微面元 BRDF 模型
- 全局照明技术
- 高级采样策略
优化渲染性能：应用加速技术
- 实现空间数据结构 (BVH, KD 树)
- 优化着色计算
- 添加多线程支持

来源：README.md45 README.md47

按主题分类的教程推荐

光线追踪专题

“光线追踪入门：创建 3D 图像的简单方法” (C++)
“周末光线追踪” (C++)
“构建你自己的 3D 渲染器” (Java/JavaScript)

光栅化专题

“OpenGL 工作原理：500 行代码实现软件渲染” (C++)
“光栅化：实践实现” (C++)
“从零开始的计算机图形学” (JavaScript/伪代码)

面向游戏的渲染

“德军总部 3D 的射线投射引擎” (C++)
“学习如何从零开始编写 3D 软引擎” (C#/TypeScript/JavaScript)

高级/PBR 技术

“基于物理渲染：从理论到实现” (C++)