如何0基础开始学3D编程

如何0基础开始学3D编程C 写 3D 系统 显卡入门基础第一部分 3D 图形基础概念 1

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C++写3D系统,显卡入门基础

第一部分:3D图形基础概念

1.1 3D坐标系系统

在3D图形中,我们通常使用右手坐标系:

如何0基础开始学3D编程

X轴:水平方向(右为正)

Y轴:垂直方向(上为正)

Z轴:深度方向(前为正)

// 3D点结构

struct Vector3

{

float x, y, z;

Vector3(float x =0,float y =0,float z =0) : x(x), y(y), z(z)

Vector3 operator+(const Vector3& other)const

{

return Vector3(x + other.x, y + other.y, z + other.z);

Return Vector3(x – other.x, y – other.y, z – other.z);

float dot(const Vector3& other) const

{

Return x * other.x + y * other.y + z * other.z;

Vector3 cross(const Vector3& other)const

{

return Vector3(y * other.z – z * other.y, z * other.x – x * other.z, x * other.y – y * other.x );

Vector3 normalize()const

{

float length = sqrt(x*x + y*y + z*z);

return Vector3(x/length, y/length, z/length);

};

1.2 矩阵变换

3D图形中的基本变换:平移、旋转、缩放

// 4×4矩阵类

class Matrix4x4

{

public:

{

// 初始化为单位矩阵

for(int i =0; i <4; ++i)

for(int j =0; j <4; ++j)

m[i][j] = (i == j) ?1.0f:0.0f;

}

// 平移矩阵

static Matrix4x4 translation(float tx,float ty,float tz)

{

Matrix4x4 mat;

mat.m[0][3] = tx;

mat.m[1][3] = ty;

mat.m[2][3] = tz;

return mat;

static Matrix4x4 scaling(float sx,float sy, float sz)

{

Matrix4x4 mat;

mat.m[0][0] = sx;

mat.m[1][1] = sy;

mat.m[2][2] = sz;

return mat;

float cosA =cos(angle);

mat.m[1][1] = cosA;

mat.m[1][2] = -sinA;

mat.m[2][1] = sinA;

mat.m[2][2] = cosA;

Return mat;

Matrix4x4 operator*(const Matrix4x4& other)const

{

Matrix4x4 result;

for(int i =0; i <4; ++i)

{for(int j =0; j <4; ++j)

{

result.m[i][j] =0;

for(int k =0; k <4; ++k)

{

result.m[i][j] += m[i][k] * other.m[k][j];} }}

return result;

}

};

第二部分:现代图形API基础

2.1 OpenGL基础设置

#include<GL/glew.h>

#include<GLFW/glfw3.h>

uniform mat4 view;

{

gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);

2.2 渲染循环基础

第三部分:显卡架构基础

3.1 GPU架构概述

现代GPU采用并行架构设计:

流处理器(Stream Processors):大量小型处理核心,擅长并行计算

纹理单元(Texture Units):处理纹理采样和过滤

ROP单元(Raster Operations Pipeline):处理像素输出和混合

显存架构:高带宽GDDR/GDDR6内存

3.2 渲染管线

// 简化的渲染管线流程class RenderPipeline{public:void renderFrame(){// 1. 应用阶段 (CPU)

void applicationStage()

{

// 处理输入、动画、物理等

// 准备渲染数据

{

// 顶点着色器处理

// 曲面细分

// 几何着色器

// 裁剪

// 屏幕映射

{

// 三角形设置

// 三角形遍历

// 生成片段

{

// 片段着色器处理

// 纹理采样

// 颜色计算

第四部分:现代渲染技术基础

4.1 统一缓冲区对象(UBO)

·

·

·

·

·

4.2 基本光照模型

// 冯氏光照模型

// 环境光

float ambientStrength = 0.1;

vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;

// 漫反射

vec3 norm = normalize(Normal);

vec3 lightDir = normalize(lightPos – FragPos);

float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);

float specularStrength = 0.5;

vec3 viewDir = normalize(viewPos – FragPos);

vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);

float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);

FragColor = vec4(result, 1.0);

})”;

第五部分:性能优化基础

5.1 批处理和实例化

// 实例化渲染

void setupInstancedRendering()

{

// 实例化数据

glm::mat4* modelMatrices =new glm::mat4[instanceCount];

for(unsigned int i =0; i < instanceCount; i++)

{

// 计算每个实例的模型矩阵

GLuint instanceVBO;

glGenBuffers(1, &instanceVBO);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);

std::size_t vec4Size =sizeof(glm::vec4);

for(int i =0; i <4; i++)

{

glEnableVertexAttribArray(3+ i);

glVertexAttribPointer(3+ i,4, GL_FLOAT, GL_FALSE,sizeof(glm::mat4),(void*)(i * vec4Size));

glVertexAttribDivisor(3+ i,1);

// 告诉OpenGL这是每实例数据

}

5.2 帧缓冲区优化

// 创建多采样帧缓冲区

GLuint createMultisampledFramebuffer(int width,int height,int samples)

{

GLuint fbo;

glGenFramebuffers(1,&fbo);

GLuint texture;

glGenTextures(1,&texture);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D_MULTISAMPLE, texture);

glTexImage2DMultisample(GL_TEXTURE_2D_MULTISAMPLE, samples, GL_RGB, width, height, GL_TRUE);

GLuint rbo;

glGenRenderbuffers(1, &rbo);

glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, rbo);

glRenderbufferStorageMultisample(GL_RENDERBUFFER, samples, GL_DEPTH24_STENCIL8, width, height);

{

std::cerr <<“帧缓冲区不完整”<< std::endl;

return fbo;}

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