TBR Pipeline Implementation & Pipeline Optimization

README-cn.md

@@ -85,7 +85,7 @@ cmake --build build-macos --target all
 #### 3. 运行示例应用程序
 
 ```bash
-./build/bin/system_test ../obj
+./build/bin/system_test ./obj
 ```
 
 ---

README.md

@@ -86,7 +86,7 @@ cmake --build build-macos --target all
 #### 3. Run the Example Application
 
 ```bash
-./build/bin/system_test ../obj
+./build/bin/system_test ./obj
 ```
 
 ---

src/include/rasterizer.hpp

@@ -3,6 +3,7 @@
 
 #include "config.h"
 #include "shader.hpp"
+#include "vertex_soa.hpp"
 
 namespace simple_renderer {
 
@@ -20,6 +21,18 @@ class Rasterizer {
   std::vector<Fragment> Rasterize(const Vertex& v0, const Vertex& v1,
                                   const Vertex& v2);
 
+  // 非分配版本：将片段直接写入调用方提供的容器
+  // 可选的裁剪区域为半开区间 [x0, x1) × [y0, y1)
+  // 用于 TBR：将光栅化限制在 tile 边界内，便于复用外部 scratch 容器
+  void RasterizeTo(const Vertex& v0, const Vertex& v1, const Vertex& v2,
+                   int x0, int y0, int x1, int y1,
+                   std::vector<Fragment>& out);
+
+  // SoA 版本：按顶点索引从 SoA 读取三角形三顶点
+  void RasterizeTo(const VertexSoA& soa, size_t i0, size_t i1, size_t i2,
+                   int x0, int y0, int x1, int y1,
+                   std::vector<Fragment>& out);
+
  private:
   size_t width_, height_;
 

src/include/renderer.h

@@ -31,6 +31,21 @@
 
 namespace simple_renderer {
 
+// 渲染模式枚举
+enum class RenderingMode {
+  TRADITIONAL,  // 传统光栅化模式 - 立即深度测试
+  TILE_BASED,   // Tile-based光栅化模式 - 移动GPU架构
+  DEFERRED      // 延迟渲染模式 - 经典GPU管线教学模拟
+};
+
+
+// SoA 版 tile 列表中的三角形引用（仅存索引与材质指针）
+struct TriangleRef {
+  size_t i0, i1, i2;
+  const Material* material = nullptr;
+  size_t face_index = 0;
+};
+
 class SimpleRenderer {
  public:
   /**
@@ -53,22 +68,144 @@ class SimpleRenderer {
   virtual ~SimpleRenderer() = default;
   /// @}
 
-  bool Render(const Model &model, const Shader &shader, uint32_t *buffer);
+  /**
+   * 绘制单个模型
+   * @param model 要绘制的模型
+   * @param shader 用于渲染的着色器
+   * @param buffer 输出缓冲区
+   * @return 绘制是否成功
+   */
+  bool DrawModel(const Model &model, const Shader &shader, uint32_t *buffer);
+
+  /**
+   * 设置渲染模式
+   * @param mode 渲染模式（传统或基于Tile）
+   */
+  void SetRenderingMode(RenderingMode mode);
+
+  /**
+   * 获取当前渲染模式
+   * @return 当前渲染模式
+   */
+  RenderingMode GetRenderingMode() const;
 
  private:
   const size_t height_;
   const size_t width_;
   LogSystem log_system_;
+  RenderingMode current_mode_;  // 当前渲染模式
+  bool early_z_enabled_;        // Early-Z优化开关
 
   std::shared_ptr<Shader> shader_;
   std::shared_ptr<Rasterizer> rasterizer_;
 
   /**
-   * 绘制模型
+   * 执行绘制管线
+   * @param model 模型
+   * @param buffer 输出缓冲区
+   */
+  void ExecuteDrawPipeline(const Model &model, uint32_t *buffer);
+
+
+  /**
+   * 传统光栅化渲染
+   * @param model 模型
+   * @param processedVertices 已处理的顶点
+   * @param buffer 输出缓冲区
+   * @return 渲染统计信息
+   */
+  struct RenderStats {
+    double buffer_alloc_ms;
+    double rasterization_ms;
+    double merge_ms;
+    double total_ms;
+  };
+
+  RenderStats ExecuteTraditionalPipeline(const Model &model, 
+                                        const std::vector<Vertex> &processedVertices,
+                                        uint32_t *buffer);
+
+  /**
+   * Tile-based光栅化渲染
+   * @param model 模型
+   * @param processedVertices 已处理的顶点
+   * @param buffer 输出缓冲区
+   * @return 渲染统计信息
+   */
+  struct TileRenderStats {
+    double setup_ms;
+    double binning_ms;
+    double buffer_alloc_ms;
+    double rasterization_ms;
+    double merge_ms;
+    double total_ms;
+  };
+
+  /**
+   * 延迟渲染统计信息
+   */
+  struct DeferredRenderStats {
+    double buffer_alloc_ms;
+    double rasterization_ms;
+    double fragment_collection_ms;
+    double fragment_merge_ms;
+    double deferred_shading_ms;
+    double total_ms;
+  };
+  TileRenderStats ExecuteTileBasedPipeline(const Model &model,
+                                              const VertexSoA &soa,
+                                              uint32_t *buffer);
+
+  /**
+   * 延迟渲染管线
    * @param model 模型
+   * @param processedVertices 已处理的顶点
+   * @param buffer 输出缓冲区
+   * @return 渲染统计信息
+   */
+  DeferredRenderStats ExecuteDeferredPipeline(const Model &model,
+                                             const std::vector<Vertex> &processedVertices,
+                                             uint32_t *buffer);
+
+
+private:
+
+
+  // SoA 版本的 Triangle-Tile binning（两遍计数 + reserve）
+  void TriangleTileBinning(
+    const Model &model,
+    const VertexSoA &soa,
+    std::vector<std::vector<TriangleRef>> &tile_triangles,
+    size_t tiles_x, size_t tiles_y, size_t tile_size);
+
+
+  // SoA 版本的 tile 光栅化
+  void RasterizeTile(
+    size_t tile_id,
+    const std::vector<TriangleRef> &triangles,
+    size_t tiles_x, size_t tiles_y, size_t tile_size,
+    float* tile_depth_buffer, uint32_t* tile_color_buffer,
+    std::unique_ptr<float[]> &global_depth_buffer,
+    std::unique_ptr<uint32_t[]> &global_color_buffer,
+    const VertexSoA &soa,
+    bool use_early_z = false,
+    std::vector<Fragment>* scratch_fragments = nullptr);
+
+
+  /**
+   * 透视除法 - 将裁剪空间坐标转换为归一化设备坐标(NDC)
+   * @param vertex 裁剪空间坐标的顶点
+   * @return 转换后的顶点(NDC坐标)
+   */
+  Vertex PerspectiveDivision(const Vertex &vertex);
+
+  /**
+   * 视口变换 - 将NDC坐标转换为屏幕坐标
+   * @param vertex NDC坐标的顶点
+   * @return 转换后的顶点(屏幕坐标)
    */
-  void DrawModel(const Model &model, uint32_t *buffer);
-  void DrawModelSlower(const Model &model, uint32_t *buffer);
+  Vertex ViewportTransformation(const Vertex &vertex);
+
 };
 }  // namespace simple_renderer
 

src/include/vertex.hpp

@@ -34,7 +34,15 @@ class Vertex {
   // Constructor with parameters 带参数的构造函数
   explicit Vertex(const Vector4f& pos, const Vector3f& norm,
                   const Vector2f& tex, const Color& color_)
-      : position_(pos), normal_(norm), texCoords_(tex), color_(color_) {}
+      : position_(pos), normal_(norm), texCoords_(tex), color_(color_),
+        clip_position_(pos), has_clip_position_(false) {}
+
+  // 扩展构造函数：包含裁剪空间坐标
+  explicit Vertex(const Vector4f& pos, const Vector3f& norm,
+                  const Vector2f& tex, const Color& color_,
+                  const Vector4f& clip_pos)
+      : position_(pos), normal_(norm), texCoords_(tex), color_(color_),
+        clip_position_(clip_pos), has_clip_position_(true) {}
 
   // Transform the vertex with a matrix     使用矩阵变换顶点
   void transform(const Matrix4f& matrix) { position_ = matrix * position_; }
@@ -45,12 +53,20 @@ class Vertex {
   [[nodiscard]] inline Vector3f GetNormal() const { return normal_; }
   [[nodiscard]] inline Vector2f GetTexCoords() const { return texCoords_; }
   [[nodiscard]] inline Color GetColor() const { return color_; }
+
+  // 扩展坐标访问
+  [[nodiscard]] inline Vector4f GetClipPosition() const { return clip_position_; }
+  [[nodiscard]] inline bool HasClipPosition() const { return has_clip_position_; }
 
  private:
   Vector4f position_;   // 3D position, 3D顶点坐标
   Vector3f normal_;     // Normal vector, 顶点法向量
   Vector2f texCoords_;  // Texture coordinates, 顶点纹理坐标
   Color color_;
+
+  // 扩展坐标用于裁剪优化
+  Vector4f clip_position_; // 裁剪空间坐标 (用于视锥体裁剪)
+  bool has_clip_position_; // 是否包含裁剪坐标
 };
 
 inline Vertex operator*(const Matrix4f& matrix, const Vertex& vertex) {

src/include/vertex_soa.hpp

@@ -0,0 +1,33 @@
+// Minimal SoA layout for TBR pipeline (Phase 1)
+#ifndef SIMPLERENDER_SRC_INCLUDE_VERTEX_SOA_HPP_
+#define SIMPLERENDER_SRC_INCLUDE_VERTEX_SOA_HPP_
+
+#include <vector>
+
+#include "math.hpp"
+#include "color.h"
+
+namespace simple_renderer {
+
+struct VertexSoA {
+  // 屏幕空间坐标（视口变换后）
+  std::vector<Vector4f> pos_screen;  // screen space position (x,y,z,w)
+  // 裁剪空间坐标（用于视锥体剔除）：clip = MVP * pos
+  std::vector<Vector4f> pos_clip;
+  std::vector<Vector3f> normal;
+  std::vector<Vector2f> uv;
+  std::vector<Color>    color;
+
+  inline size_t size() const { return pos_screen.size(); }
+  inline void resize(size_t n) {
+    pos_screen.resize(n);
+    pos_clip.resize(n);
+    normal.resize(n);
+    uv.resize(n);
+    color.resize(n);
+  }
+};
+
+}  // namespace simple_renderer
+
+#endif  // SIMPLERENDER_SRC_INCLUDE_VERTEX_SOA_HPP_