基于CoreGraphics的3D渲染方案

2017 年 12 月 24 日 CocoaChina handyTOOL

前言

今年的首要研究对象OpenGL基本研究的差不多了，突发奇想，想用CoreGraphics根据OpenGL的渲染流水线，渲染出3D图形来。折腾了2天，写出了个demo，效果如下。

其实这种通过2D渲染引擎渲染3D的技术方案在Flash时代我就听说了，但是当时对于3D技术不是很了解，并没有做深入研究。

原理

在OpenGL中，每个顶点通过Vertex Shader的处理，被处理成基本的绘制图形，比如三角形，再通过Fragment Shader处理各个像素点的颜色。最终以透视的效果呈现在屏幕上（当然如果你用了正交矩阵就没透视啦）。根据上面的原理，我在渲染方案中定义了两种基本图形，线和多边形。线由2个顶点组成，多边形由3到多个顶点组成。通过MVP矩阵对顶点进行变换，然后用CoreGraphics绘制顶点变换后的图形。上图中的正方体就是由6个四边形组成，锥体则是4个三角形组成。

基本绘制图形

每个基本绘制图形都会实现下面的协议，material是图形的样式，包括颜色，线条粗细等，transform方法用来对组成图形的顶点进行变换，并返回变换后的图形。sortZRef会返回图形在z方向排序的参考值，这个主要用来弥补CoreGraphics中无法进行Depth Test的缺陷。不过目前的参考值计算方案还是有问题的，仅仅是计算了所有顶点变换后z的平均值而已。

public protocol HT3DElement {

var material: HT3DMaterial { get set }

func transform(matrix: GLKMatrix4) -> Self

func sortZRef() -> Float

}

下面我们来看看图形-线的实现。

public var startPoint: GLKVector3

public var endPoint: GLKVector3

public var material: HT3DMaterial

public func transform(matrix: GLKMatrix4) -> HT3DLineElement {

let newStartPoint = matrix * GLKVector4.init(vector3: startPoint, w: 1)

let newEndPoint = matrix * GLKVector4.init(vector3: endPoint, w: 1)

return HT3DLineElement.init(startPoint: (newStartPoint / newStartPoint.w).xyz, endPoint:

(newEndPoint

/ newEndPoint.w).xyz, material: material)

}

public func sortZRef() -> Float {

return (startPoint.z + endPoint.z) / 2.0

}

在使用矩阵对顶点变换后，要重新把顶点变换到屏幕空间，所以将顶点除以它的w。xyz是自定义的扩展，获取4维向量的前3维。

(newStartPoint / newStartPoint.w).xyz

sortZRef的实现正如上面所说，求z的平均值。

几何体Geometry

Geometry由一组基本图形组成，比如一个正方体。Geometry提供modelMatrix对这一组基本图形进行变换。它的存在让我们可以为每一组基本图形提供不同的模型变换。同时它也肩负着管理图形材质的任务。可以通过它的setMaterialForElementsInRange方法为每一个基本图形设置不同的样式。

public var elements: [HT3DElement]?

public var materials: [HT3DMaterial] = []

public var modelMatrix: GLKMatrix4 = GLKMatrix4Identity

public var material: HT3DMaterial? {

return materials.first

}

public init(elements: [HT3DElement], material: HT3DMaterial) {

self.elements = elements

self.materials.append(material)

self.setMaterialForElementsInRange(range: Range<Int>.init(uncheckedBounds: (0,

elements.count - 1)), materialIndex: 0)

}

public func setMaterialForElementsInRange(range: Range<Int>, materialIndex: Int) {

if let material = materials[cycle: materialIndex] {

for index in range.lowerBound...range.upperBound {

if let element = self.elements?[safe: index] {

var ele = element

ele.material = material

self.elements?[index] = ele

}

}

}

}

CoreGraphics渲染

为了方便其他渲染器的实现，我定义了渲染器的协议。渲染器的主要功能就是渲染基本图形的集合。

protocol HT3DRenderContext {

func render(elements: [HT3DElement])

}

为了更加方便的调用渲染器代码，为该协议编写了下面的扩展方法。

extension HT3DRenderContext {

public func render(vpMatrix: GLKMatrix4, geometries: [HT3DGeometry]) {

var elements: [HT3DElement] = []

for geometry in geometries {

let _ = geometry.elements?.map {

elements.append($0.transform(matrix: vpMatrix * geometry.modelMatrix))

}

}

elements.sort { $0.sortZRef() > $1.sortZRef() }

render(elements: elements)

}

}

这样就可以很方便的使用VP（ProjectionMatrix * ViewMatrix）和几何体列表渲染了。在这个方法中，我们将基本图形的顶点使用VP和所属几何体的ModelMatrix进行变换，然后将这些基本图形按照z轴排序，从而模拟DepthTest，最后调用渲染器的渲染方法。这个方法的具体实现取决于你用什么样的渲染器。本文自然采用了CoreGraphics渲染器。渲染器代码在HT3DCGRenderContext.swift中。主要就是线和多边形两种基本图形的渲染，非常简单的代码。

func renderElement(context: CGContext, element: HT3DLineElement) {

context.setStrokeColor(UIColor.fromVec3(glkVector3: element.material.lineColor).cgColor)

context.setLineWidth(element.material.lineWidth)

context.beginPath()

context.move(to: convertCoordFromGLToCG(element.startPoint.cgPoint()))

context.addLine(to: convertCoordFromGLToCG(element.endPoint.cgPoint()))

context.strokePath()

}

func renderElement(context: CGContext, element: HT3DPolygonElement) {

context.setFillColor(UIColor.fromVec3(glkVector3: element.material.diffuse).cgColor)

context.setStrokeColor(UIColor.fromVec3(glkVector3: element.material.lineColor).cgColor)

context.setLineWidth(element.material.lineWidth)

context.beginPath()

element.points.first.map { context.move(to: convertCoordFromGLToCG($0.cgPoint())) }

for index in 1..<element.points.count {

context.addLine(to: convertCoordFromGLToCG(element.points[index].cgPoint()))

}

if element.isClosed {

context.closePath()

}

context.drawPath(using: .fillStroke)

}

func convertCoordFromGLToCG(_ from: CGPoint) -> CGPoint {

return (from * (1, -1) + 1.0) * 0.5 * (canvasSize.width, canvasSize.height)

}