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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:

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)
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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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