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docs: explain 3D rasterization, picking and spatial indexing

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2026-11-12 18:50:21 +08:00
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src/render/scene3d.rs
+112
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@@ -11,19 +11,24 @@ use math::{Camera, Matrix, Projection, Vec3};
use serde::{Deserialize, Serialize};
use std::sync::Arc;
// 单份 Geometry 和全场景累计三角形都使用此上限；顶点另有单几何及全场景两种预算。
pub const MAX_TRIANGLES: usize = 65_536;
pub const MAX_VERTICES: usize = 32_768;
#[derive(Debug, Clone, PartialEq, Serialize, Deserialize)]
/// 不可变顶点、三角形和可选 UV；多个网格可共享同一数值缓冲。
pub struct Geometry {
// 局部坐标顶点；渲染与拾取都先乘 Mesh.world，再执行相机空间操作。
pub vertices: Vec<Vec3>,
// 每组三个下标引用 vertices；valid 在边界检查索引，热循环随后直接索引。
pub triangles: Vec<[u32; 3]>,
#[serde(default)]
// 缺省为空；非空时与顶点等长，裁剪交点继承插值 UV，采样时再钳到纹理范围。
pub uv: Vec<[f32; 2]>,
}
impl Geometry {
/// 检查顶点与三角数量、索引范围、坐标有效性及逐顶点 UV；允许缺省 UV，不在此限制 UV 到单位区间。
// model 的场景快照与 View::valid 调用几何校验；这里不保证三角形有非零面积，退化面在后续计算跳过。
pub fn valid(&self) -> bool {
// 检查顶点/三角形资源量和所有索引范围；UV 可省略，否则必须逐顶点对应且每个分量有限。
// 不在这里强制 UV 位于 [0,1]，纹理采样阶段再钳制。
@@ -40,6 +45,7 @@ impl Geometry {
.all(|&index| (index as usize) < self.vertices.len())
}
/// 生成以原点为中心的盒体顶点和三角形索引；位置和旋转由网格世界矩阵另行描述。
// model/scene3d 的盒体几何构造路径调用；返回可共享的数值网格，不在这里创建 VM 对象。
pub fn cuboid(width: f32, height: f32, depth: f32) -> Self {
// 八个角点共享位置，每个面拆两个三角形；尺寸有效性由构造调用边界检查，cuboid 本身只生成数值。
let (x, y, z) = (width / 2., height / 2., depth / 2.);
@@ -77,15 +83,20 @@ impl Geometry {
pub struct Mesh {
// 纯文本业务关联身份，用于拾取返回；不作为渲染线程可操作的托管引用。
pub identity: String,
// 共享局部几何；同一 Geometry 可配不同 world 矩阵形成多个实例。
pub geometry: Arc<Geometry>,
// 局部到世界的累计仿射矩阵，父子变换已在快照遍历阶段组合。
pub world: Matrix,
// 归一化 RGB 材质色，普通网格逐通道乘光照；有纹理面板直接使用纹理颜色。
pub color: [f32; 3],
// Some 表示世界 UI 面板，纹理由 panel::texture 生成；None 走普通材质分支。
pub panel: Option<Panel>,
}
#[derive(Debug, Clone, PartialEq, Serialize, Deserialize)]
/// 面板内普通 UI 的绘制命令及其裁剪/二维变换，逻辑排版不随外部相机改变。
pub struct UiSurface {
// panel::compose 把所属 Mount 的命令装入这里；clips/views 按命令索引一一对应。
pub commands: Vec<crate::document::RenderCommand>,
pub clips: Vec<Option<[f32; 4]>>,
pub views: Vec<Option<crate::viewport::Transform>>,
@@ -93,15 +104,19 @@ pub struct UiSurface {
#[derive(Debug, Clone, PartialEq, Serialize, Deserialize)]
/// 世界平面的有限 UI 纹理描述，包含像素尺寸、背景与内部显示内容。
pub struct Panel {
// 一次面板实例的稳定 key，panel::Mapping 用它在视图内找到对应网格。
pub key: u64,
// 纹理分辨率，单位为 UI 像素；与网格世界宽高分开，View::valid 限制每轴至多 2048。
pub width: u32,
pub height: u32,
pub background: [f32; 3],
// 装配后的普通 UI 子树；None 时纹理只保留背景，Arc 允许不可变快照共享内容。
pub surface: Option<Arc<UiSurface>>,
}
#[derive(Debug, Clone, PartialEq, Serialize, Deserialize)]
/// 方向光的原生数值，方向和强度在场景快照阶段校验。
pub struct Light {
// 光线传播方向；Lambert 使用其反向和面法线点积，快照校验要求近似单位长度。
pub direction: Vec3,
pub color: [f32; 3],
pub intensity: f32,
@@ -109,8 +124,10 @@ pub struct Light {
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
/// 不含摄像机的世界实例和光照集合；BVH 是可丢弃的派生缓存。
pub struct Scene {
// 原场景实例顺序也是等深度绘制和拾取的优先顺序，空间查询后仍须保留这个约定。
pub meshes: Vec<Mesh>,
pub lights: Vec<Light>,
// 所有通道共用的环境光底值，方向光在光栅化时逐通道累加。
pub ambient: f32,
pub background: [f32; 3],
#[serde(skip)]
@@ -134,6 +151,7 @@ pub struct View {
}
#[derive(Debug)]
/// 只读绘制结果使用的名义包装，让源 PaintCommand 可以携带不可变 3D 快照。
// native_visual 创建此 payload，source_paint 解码绘制命令时取出 Arc<View>；渲染线程只使用不可变数值快照。
pub struct PaintView(pub Arc<View>);
impl endor_core::ObjectPayload for PaintView {
/// 提供受检查的 Any 下转型入口，让宿主按具体 payload 类型读取数据。
@@ -148,18 +166,22 @@ impl endor_core::ObjectPayload for PaintView {
#[derive(Debug, Clone, PartialEq)]
/// 射线与实际三角形的精确交点，含实例身份、距离、法线和重心坐标。
pub struct Hit {
// 命中的 Scene.meshes 下标，用于面板遮挡判断；identity 则供 model 重新关联业务 Mesh。
pub instance: usize,
pub identity: String,
pub point: Vec3,
pub normal: Vec3,
pub distance: f32,
// 原几何中的三角形下标，barycentric 依次对应该面三个顶点的权重。
pub triangle: usize,
pub barycentric: [f32; 3],
}
impl View {
/// 递归验证相机、材质、灯光、网格/面板表面及全场景资源预算；世界 UI 嵌套最多八层。
// 绘制命令验证和 render_aspect 都调用此入口，确保直接索引、纹理尺寸和相机计算所需的前提。
pub fn valid(&self) -> bool {
// DEPTH 按线程累计当前调用链，不是场景内网格个数；面板命令 validate 可能再次调用 View::valid。
thread_local! { static DEPTH:std::cell::Cell<usize>=const { std::cell::Cell::new(0) }; }
// 验证可能递归进入面板内的 3D；作用域结束时归还深度，错误返回也不泄漏计数。
struct Guard;
@@ -169,7 +191,9 @@ impl View {
DEPTH.with(|depth| depth.set(depth.get() - 1));
}
}
// 只有成功增加深度的调用才创建下方 Guard；到达八层时直接失败，不能误减尚未增加的计数。
if !DEPTH.with(|depth| {
// 达到上限不修改计数，外层仍负责恢复自己的深度。
if depth.get() >= 8 {
false
} else {
@@ -181,6 +205,7 @@ impl View {
}
// 深度检查通过才建立 Guard，之后任一短路校验失败都会恢复计数；上限覆盖嵌套面板中的 3D 命令。
let _guard = Guard;
// 局部闭包统一校验背景、材质和光色，拒绝 NaN/无穷及超出 [0,1] 的通道。
let color_valid = |color: [f32; 3]| {
color
.iter()
@@ -224,11 +249,13 @@ impl View {
&& panel.width <= 2048
&& panel.height <= 2048
&& color_valid(panel.background)
// 无子树时只验证面板本身；有子树时还要检查平行表、二维投影和所有嵌套命令。
&& panel.surface.as_ref().is_none_or(|surface| {
surface.commands.len() <= 10001
&& surface.commands.len() == surface.views.len()
&& surface.commands.len() == surface.clips.len()
&& surface.views.iter().flatten().all(|view| view.valid())
// 裁剪原点允许负数，但所有分量必须有限，宽高不能为负。
&& surface.clips.iter().flatten().all(|clip| {
clip.iter().all(|value| value.is_finite())
&& clip[2] >= 0.
@@ -241,6 +268,7 @@ impl View {
})
})
})
// 每盏方向光单独验证方向、颜色和强度；前面的灯数上限限制后续逐面光照循环。
&& self.scene.lights.iter().all(|light| {
color_valid(light.color)
&& light.direction.valid()
@@ -251,6 +279,7 @@ impl View {
})
}
/// 按包围盒候选发射射线，再检查三角形；距离相同时保留与绘制顺序一致的实例。
// model 的 pick3D 协议和 panel::Mapping 可见命中调用；这里只返回原生 Hit，不操作托管对象。
pub fn pick(&self, u: f32, v: f32, aspect: f32) -> Option<Hit> {
// 拾取只接受有效相机、视口内归一化点及正有限宽高比；不在此完整重验几何，调用方应先验证 View。
if !self.camera.valid()
@@ -261,8 +290,10 @@ impl View {
{
return None;
}
// 相机生成单位方向射线，所以三角形返回参数可作为世界距离；basis 用于后面的 near/far 深度筛选。
let ray = self.camera.ray(u, v, aspect)?;
let basis = self.camera.basis()?;
// 累积目前最近的有效三角形；temporary 只在缓存索引不可用时持有本次重建的 BVH。
let mut hit: Option<Hit> = None;
let temporary;
// 无缓存或网格数失配时本次临时重建；数量相同的内容变更须由快照层生成新索引，不靠 matches 检测。
@@ -272,21 +303,27 @@ impl View {
temporary = spatial::Index::build(&self.scene.meshes);
&temporary
};
// 候选只有包围盒命中保证，仍需逐面精确求交；entry 是进入盒子的距离下界。
for (entry, instance) in index.ray(ray) {
// BVH 候选按包围盒进入距离排序；后续盒子起点已比最近真实交点远时，可安全停止查询。
if hit.as_ref().is_some_and(|hit| entry > hit.distance) {
break;
}
// instance 指向原场景下标，不能把 BVH 返回顺序当成业务身份。
let mesh = &self.scene.meshes[instance];
// 每个面先变换三个顶点到世界空间，射线与这些真实顶点求交而非局部包围盒。
for (triangle, indices) in mesh.geometry.triangles.iter().enumerate() {
let [a, b, c] =
indices.map(|i| mesh.world.point(mesh.geometry.vertices[i as usize]));
// 平行、退化或交点在三角形外时跳过当前面，继续查找其他候选。
let Some((distance, barycentric)) = ray.triangle(a, b, c) else {
continue;
};
// 用同一世界射线还原交点，既用于返回位置，也用于计算相机正向深度。
let point = ray.origin + ray.direction * distance;
// near/far 限制相机前向深度，而不是到相机的欧氏距离；离轴射线同样按视锥范围筛选。
let depth = self.camera.view(basis, point).z;
// 裁剪面之外或优先级落后于已有命中的面不能覆盖结果；同距时优先较小实例下标。
if depth < self.camera.near
|| depth > self.camera.far
|| hit.as_ref().is_some_and(|hit| {
@@ -312,35 +349,42 @@ impl View {
});
}
}
// 返回 None 是正常未命中；不把包围盒候选伪装为表面交点。
hit
}
}
/// 把有限颜色通道转换成最终像素使用的字节。
// rgb 的内部转换步骤；调用边界负责颜色合法性，最终输出仍钳制过亮的光照结果。
fn channel(value: f32) -> u32 {
(value.clamp(0., 1.) * 255.).round() as u32
}
/// 将三个颜色通道打包为软件像素缓冲使用的 RGB 值。
// render_aspect 与 panel::texture 用它初始化背景或打包面颜色，布局为 0xRRGGBB，不携带透明度。
pub fn rgb(color: [f32; 3]) -> u32 {
channel(color[0]) << 16 | channel(color[1]) << 8 | channel(color[2])
}
/// 某个不可变视图在特定分辨率和宽高比下的光栅结果。
struct CachedSurface {
// 强持有视图使缓存键的 Arc 身份在条目存活期间稳定；不通过场景内容哈希判等。
view: Arc<View>,
width: u32,
height: u32,
aspect: f32,
// 最终像素可直接由多个绘制请求共享，缓存淘汰后外部 Arc 仍可继续读取。
pixels: Arc<[u32]>,
}
#[derive(Default)]
/// 限制条目数和总像素数的表面缓存；不承担场景业务所有权。
struct SurfaceCache {
entries: std::collections::VecDeque<CachedSurface>,
// 所有缓存条目像素总数，插入和淘汰同步增减；这不是 render_aspect 的递归工作预算。
pixels: usize,
}
/// 按不可变视图身份、分辨率和投影比例查光栅缓存；未命中时在锁外绘制，支持嵌套世界 UI。
// software_renderer 遇到 DrawCommand::Scene3D 时调用；尺寸可按 LOD 降低，aspect 仍来自原始布局矩形。
pub fn surface(
view: &Arc<View>,
width: u32,
@@ -349,9 +393,12 @@ pub fn surface(
) -> Result<Arc<[u32]>, &'static str> {
// 全局缓存以 View Arc 身份+输出尺寸+aspect 为键；值相等但不同 Arc 的视图不会自动命中。
static CACHE: std::sync::OnceLock<std::sync::Mutex<SurfaceCache>> = std::sync::OnceLock::new();
// 进程内惰性初始化共享缓存；锁中毒按错误返回，不绕过锁继续使用状态。
let cache = CACHE.get_or_init(Default::default);
// 短作用域只做查找和 Arc 克隆；离开这个块释放锁，后面的渲染可以递归请求其他 3D 表面。
{
let cache = cache.lock().map_err(|_| "3D surface cache poisoned")?;
// 键必须同时匹配 Arc 身份、像素宽高和投影宽高比；相同像素尺寸不代表相同投影。
if let Some(entry) = cache.entries.iter().find(|entry| {
Arc::ptr_eq(&entry.view, view)
&& entry.width == width
@@ -363,15 +410,19 @@ pub fn surface(
}
// Do not hold a cache lock across rendering: world UI can contain another
// 3D viewport and recurse through the compositor.
// 未命中时先在锁外完整绘制，失败不会向缓存插入半成品；并发请求允许重复计算。
let pixels: Arc<[u32]> = render_aspect(view, width, height, aspect)?.into();
// 绘制成功后重新加锁插入；这里不二次查重，因此并发同键结果可各占一个条目。
let mut cache = cache.lock().map_err(|_| "3D surface cache poisoned")?;
// 按插入顺序从队首淘汰，不在命中时搬到队尾；最多 8 项、累计 8388608 像素，渲染单表面另有限额。
while cache.entries.len() >= 8 || cache.pixels + pixels.len() > 8_388_608 {
// 移走最早插入条目并归还它的像素计数；空队列时停止淘汰。
let Some(entry) = cache.entries.pop_front() else {
break;
};
cache.pixels -= entry.pixels.len();
}
// 下方给缓存克隆一个像素 Arc，再把本地 Arc 返回调用方；外部持有时间独立于队列淘汰。
cache.pixels += pixels.len();
cache.entries.push_back(CachedSurface {
view: view.clone(),
@@ -393,6 +444,7 @@ struct Vertex {
}
impl Vertex {
/// 按裁剪交点比例同时插值位置和 UV，保持新顶点的几何与纹理坐标一致。
// clip 在一条边跨裁剪面时调用；t 按两端带符号距离求得，同步移动位置和纹理参数。
fn lerp(self, other: Self, t: f32) -> Self {
Self {
position: self.position + (other.position - self.position) * t,
@@ -406,13 +458,16 @@ impl Vertex {
/// 生成相机空间六个视锥平面，供三角形裁剪与 BVH 可见性查询共用。
fn frustum_planes(camera: Camera, aspect: f32) -> [[f32; 4]; 6] {
// 平面内侧满足 ax+by+cz+d>=0。透视侧平面随 z 展开，正交侧平面是固定 x/y 边界。
// x/y 表示透视单位深度半宽高或正交固定半宽高，slope 用于在同一平面公式中选择 z 项。
let (x, y, slope) = match camera.projection {
// 透视侧边经过相机原点，其边界横纵坐标随正向深度线性增长。
Projection::Perspective { fov } => {
let y = (fov.to_radians() / 2.).tan();
(y * aspect, y, 1.)
}
Projection::Orthographic { height } => (height * aspect / 2., height / 2., 0.),
};
// 依次返回近、远、左、右、下、上六个内侧平面；不必单位化，因为这里只使用符号和距离比例。
[
[0., 0., 1., -camera.near],
[0., 0., -1., camera.far],
@@ -423,31 +478,41 @@ fn frustum_planes(camera: Camera, aspect: f32) -> [[f32; 4]; 6] {
]
}
/// 在透视除法前逐平面裁剪多边形，并同步插值 UV，避免跨近面顶点投影到极大坐标。
// render_aspect 对每个三角形调用，返回可能为空或顶点更多的凸多边形，随后用扇形重新三角化。
fn clip(mut polygon: Vec<Vertex>, camera: Camera, aspect: f32) -> Vec<Vertex> {
// 每次只处理一个半空间，再把结果交给下一个平面；六轮结束后所有剩余顶点都在视锥内。
for [a, b, c, d] in frustum_planes(camera, aspect) {
// 上一轮已完全裁掉时不再访问 last，也无需继续处理其他平面。
if polygon.is_empty() {
break;
}
// 返回平面方程的带符号值，不要求是真实距离；同一边的两端共享系数，比例仍可用于求交。
let distance = |vertex: Vertex| {
let p = vertex.position;
a * p.x + b * p.y + c * p.z + d
};
// 本轮写入新多边形；遍历消耗旧 polygon，避免边遍历边插入导致重复处理。
let mut output = Vec::new();
// 从闭多边形最后一点连到第一点开始，逐边做 Sutherland–Hodgman 裁剪，不遗漏首尾边。
let mut previous = *polygon.last().unwrap();
// 保存上一端点的内外状态；闭合首边的上一点从旧多边形末尾取得。
let mut before = distance(previous);
// 逐边判断是否跨平面；每条边可输出一个交点，再按需保留当前内侧端点。
for current in polygon {
let after = distance(current);
// 边跨平面时按带符号距离求交点比例，同步插值相机位置和 UV；内侧端点另行保留。
if (before >= 0.) != (after >= 0.) {
output.push(previous.lerp(current, before / (before - after)));
}
// 当前点位于内侧或恰在面上时保留；外侧端点只可能贡献前面的边交点。
if after >= 0. {
output.push(current);
}
// 前进到下一条边，同时更新端点及其平面值，避免重复求上一端点距离。
previous = current;
before = after;
}
// 本轮输出成为下一平面的输入；返回的 UV 已包含所有裁剪交点插值。
polygon = output;
}
polygon
@@ -455,6 +520,7 @@ fn clip(mut polygon: Vec<Vertex>, camera: Camera, aspect: f32) -> Vec<Vertex> {
#[cfg(test)]
/// 把当前绘制输入转换为输出表面；分配、裁剪和预算由本实现检查。
// 仅测试构建暴露的便利入口，按输出像素宽高推导 aspect；生产合成使用 surface 的显式 aspect。
pub fn render(view: &View, width: u32, height: u32) -> Result<Vec<u32>, &'static str> {
render_aspect(view, width, height, width as f32 / height as f32)
}
@@ -465,6 +531,7 @@ fn render_aspect(
height: u32,
aspect: f32,
) -> Result<Vec<u32>, &'static str> {
// 进入共享 RenderScope，让面板递归中的二维/三维分配共用预算；作用域退出由 RAII 恢复嵌套深度，已申请像素额度仍按本帧累计。
let _scope = crate::software_renderer::RenderScope::enter()?;
// 颜色与深度各占一份面积，既有每表面硬上限，也在下方计入递归累计像素预算。
let area = width as usize * height as usize;
@@ -482,8 +549,10 @@ fn render_aspect(
crate::software_renderer::reserve_pixels(area.saturating_mul(2))?;
let mut pixels = vec![rgb(view.scene.background); area];
let mut depths = vec![f32::INFINITY; area];
// 前面 view.valid 已保证相机基可构造，因此这里的 unwrap 依赖该校验前提。
let camera = view.camera;
let basis = camera.basis().unwrap();
// 后续深度与 UV 是否使用倒深度校正只由投影类型决定，不能按网格是否带纹理决定。
let perspective = matches!(camera.projection, Projection::Perspective { .. });
// 点已经经过视锥裁剪，才做透视除法；屏幕 y 向下，保留相机 z 用于后续深度/UV 校正。
let project = |point: Vec3| {
@@ -497,8 +566,10 @@ fn render_aspect(
point.z,
)
};
// 累计所有三角形屏幕包围矩形的扫描面积，遮挡后未写像素的工作也计入。
let mut work = 0usize;
let temporary;
// 与 pick 一样按网格数量决定是否使用已有索引；内容改变须由快照层重建，数量匹配不等于内容匹配。
let index = if view.scene.acceleration.matches(view.scene.meshes.len()) {
&*view.scene.acceleration
} else {
@@ -507,18 +578,23 @@ fn render_aspect(
};
// 宽阶段只筛选候选：离屏网格不进入后续纹理分配和逐三角形处理。
for instance in index.visible(camera, aspect) {
// visible 已恢复原场景顺序，等深度时先出现的实例保持优先。
let mesh = &view.scene.meshes[instance];
// 只为宽阶段可见的面板生成普通 UI 纹理；同一 mesh 的所有三角形复用本次纹理。
let texture = mesh.panel.as_ref().map(panel::texture).transpose()?;
// 逐个原始面计算世界法线、光照并裁剪；一个原始面裁成多个小三角形后仍共享同一面颜色。
for indices in &mesh.geometry.triangles {
let [a, b, c] = indices.map(|i| mesh.world.point(mesh.geometry.vertices[i as usize]));
// 零面积面不能形成可靠法线，跳过后续光照和光栅循环。
let Some(normal) = (b - a).cross(c - a).normalized() else {
continue;
};
// 每三角形使用平面法线做 Lambert 漫反射，环境光为基础，方向光逐 RGB 累加；背光点积钳零。
let mut light = [view.scene.ambient; 3];
// 方向光的 direction 指传播方向，所以取反才是从表面指向光源的入射方向。
for source in &view.scene.lights {
let intensity = normal.dot(source.direction * -1.).max(0.) * source.intensity;
// 光色逐 RGB 通道调制强度，再加到同一面的环境光底值。
for (channel, color) in light.iter_mut().zip(source.color) {
*channel += intensity * color;
}
@@ -545,31 +621,39 @@ fn render_aspect(
camera,
aspect,
);
// 完全裁掉或仅剩线/点时没有可填充面积，不能进入扇形三角化。
if polygon.len() < 3 {
continue;
}
// 裁剪后可能多于三个顶点，用扇形重新三角化，保持同一平面的纹理参数。
for index in 1..polygon.len() - 1 {
// 扇形固定第一个顶点，依次连接相邻两点；保留这三个顶点的 UV 供每像素插值。
let vertices = [polygon[0], polygon[index], polygon[index + 1]];
let [a, b, c] = vertices.map(|vertex| project(vertex.position));
// 四个屏幕边界先取整再夹到缓冲尺寸，扫描使用左闭右开范围，避免数组越界。
let min_x = a.x.min(b.x).min(c.x).floor().max(0.) as u32;
let max_x = a.x.max(b.x).max(c.x).ceil().min(width as f32) as u32;
let min_y = a.y.min(b.y).min(c.y).floor().max(0.) as u32;
let max_y = a.y.max(b.y).max(c.y).ceil().min(height as f32) as u32;
// 按屏幕包围矩形面积计工作，而非仅成功写像素数；大量重叠/细长三角形也不能绕过循环预算。
work += max_x.saturating_sub(min_x) as usize * max_y.saturating_sub(min_y) as usize;
// 先检查工作预算再进入像素扫描；超额时整张表面返回错误，不发布部分结果。
if work > 32_000_000 {
return Err("3D raster work budget exceeded");
}
// 二维边函数给出有向面积，统一用于面积退化判断和像素中心的重心权重。
let edge = |a: Vec3, b: Vec3, x: f32, y: f32| {
(x - a.x) * (b.y - a.y) - (y - a.y) * (b.x - a.x)
};
// 有向面积允许任意顶点绕序，除相同 area 得到一致重心权重；近零面积跳过，不做背面剔除。
let area = edge(a, b, c.x, c.y);
// 投影后几乎共线的面不稳定且没有可见面积；这里的 area 已遮蔽上方缓冲面积变量。
if area.abs() < 1e-6 {
continue;
}
// 只扫描当前小三角形的包围矩形；深度缓冲会处理不同三角形之间的遮挡。
for y in min_y..max_y {
// 以像素中心而非左上角采样，两个坐标均加半个像素。
for x in min_x..max_x {
let px = x as f32 + 0.5;
let py = y as f32 + 0.5;
@@ -588,14 +672,18 @@ fn render_aspect(
} else {
weights[0] * a.z + weights[1] * b.z + weights[2] * c.z
};
// 按行主序定位颜色和深度数组中的同一像素；与外层三角形扇形下标是不同局部变量。
let index = y as usize * width as usize + x as usize;
// 只让最近表面写像素；等深度保留先绘制实例，与拾取的排序约定一致。
if depth < depths[index] {
// 通过严格小于测试后同步更新深度和颜色；没有通过时保留原像素及其深度。
depths[index] = depth;
pixels[index] =
// 只有纹理和面板描述同时存在才采样；普通网格直接使用前面计算的材质光照色。
if let (Some(texture), Some(panel)) = (&texture, &mesh.panel) {
// UV 也要除以深度再插值，否则倾斜面板会出现纹理拉伸失真。
let interpolated = |axis| {
// 透视下先对各顶点 UV 除以 z，再乘回当前插值深度；正交下直接按屏幕权重求和。
if perspective {
depth
* (weights[0] * vertices[0].uv[axis] / a.z
@@ -633,10 +721,14 @@ mod tests {
#[test]
/// 构造99个远离视锥的网格，宽阶段只保留正中实例；有/无预存BVH的精确拾取身份与距离必须一致。
fn spatial_index_culls_offscreen_meshes_and_preserves_ray_pick() {
// 从一个原点盒体开始，随后加入大量远离视锥的实例以验证索引筛选。
let mut view = view(Geometry::cuboid(1., 1., 1.));
// 测试需要修改快照，Arc::make_mut 保证独占可写场景，不改共享视图的语义。
let scene = Arc::make_mut(&mut view.scene);
let mesh = scene.meshes[0].clone();
// 保留原始实例为下标 0，其余盒体沿世界 x 轴每次平移 100，确保落在侧视锥之外。
for index in 1..100 {
// 复制几何和材质，只改变业务身份与世界平移，隔离测试中的变量。
let mut far = mesh.clone();
far.identity = format!("far{index}");
far.world = Matrix::trs(
@@ -646,20 +738,26 @@ mod tests {
);
scene.meshes.push(far);
}
// 显式建立缓存索引，后面还会清空副本索引对比临时重建路径。
scene.acceleration = Arc::new(spatial::Index::build(&scene.meshes));
// 远处实例应被宽阶段剔除；随后比较带缓存与临时重建索引的精确拾取身份/距离，防止加速改变结果。
assert_eq!(scene.acceleration.visible(view.camera, 1.), vec![0]);
// 中心射线应只得到原点盒体候选，既检查视锥筛选，也检查射线宽阶段。
let ray = view.camera.ray(0.5, 0.5, 1.).unwrap();
assert_eq!(scene.acceleration.ray(ray).len(), 1);
// 先记录缓存路径的精确结果，避免后面清空副本索引影响比较基准。
let indexed = view.pick(0.5, 0.5, 1.).unwrap();
// 复制 View 后清空其派生缓存，场景几何和相机保持一致。
let mut plain = view.clone();
Arc::make_mut(&mut plain.scene).acceleration = Arc::default();
// 触发 pick 的临时重建分支；身份与距离断言共同验证加速不改变最终命中。
let fallback = plain.pick(0.5, 0.5, 1.).unwrap();
assert_eq!(indexed.identity, fallback.identity);
assert_eq!(indexed.distance, fallback.distance);
}
/// 构造测试最小视图：默认相机、原点红网格、纯环境光与白背景，不依赖业务VM或外部光源。
fn view(geometry: Geometry) -> View {
// 统一返回红色单网格、白背景与满环境光，像素断言可直接识别纯红，无需外部灯光。
View {
camera: Camera::default(),
scene: Arc::new(Scene {
@@ -680,6 +778,7 @@ mod tests {
#[test]
/// 跨越近裁剪面的三角形仍应产生像素，射线命中受同一 near/far 约束；缩短远面后命中消失。
fn triangles_crossing_near_plane_are_clipped_and_pick_uses_the_same_range() {
// 三角形一个顶点在 near 前方外侧，两个顶点在内侧，构造必须裁剪而不能整面丢弃的输入。
let mut view = view(Geometry {
uv: vec![],
vertices: vec![
@@ -689,6 +788,7 @@ mod tests {
],
triangles: vec![[0, 1, 2]],
});
// 把相机放原点朝 +z 看，令世界 z 直接对应裁剪深度，简化断言解释。
view.camera.position = Vec3::default();
view.camera.target = Vec3::new(0., 0., 1.);
view.camera.near = 1.;
@@ -697,30 +797,37 @@ mod tests {
// 三角形跨近面仍应产生可见红像素，拾取也必须尊重相同 near/far；缩短 far 后命中消失。
let pixels = render(&view, 64, 64).unwrap();
assert!(pixels.contains(&0xFF0000));
// 中心射线命中必须落在相机深度范围，不能只证明渲染输出存在。
let hit = view.pick(0.5, 0.5, 1.).unwrap();
assert!(hit.point.z >= view.camera.near && hit.point.z <= view.camera.far);
// 只收紧远面，令原中心命中退出有效深度范围，验证拾取同样受 far 裁剪。
view.camera.far = 1.1;
assert!(view.pick(0.5, 0.5, 1.).is_none());
}
#[test]
/// 验证局部TRS先于父变换作用于点；正交投影不同水平采样的射线方向相同但原点按可见宽度平移。
fn group_transform_order_and_orthographic_rays_are_consistent() {
// 局部先绕 y 轴转 90 度再平移 1，父层另外平移 10；输入点 z=1 最终应落在 x=12。
let local = Matrix::trs(
Vec3::new(1., 0., 0.),
Vec3::new(0., 90., 0.),
Vec3::new(1., 1., 1.),
);
// 父变换无旋转和缩放，用于区分 local 与 parent 的应用顺序。
let parent = Matrix::trs(
Vec3::new(10., 0., 0.),
Vec3::default(),
Vec3::new(1., 1., 1.),
);
// compose 先作用 local 再作用 parent；误换顺序会使父平移参与局部旋转而改变断言。
let transformed = parent.compose(local).point(Vec3::new(0., 0., 1.));
assert!((transformed.x - 12.).abs() < 1e-5 && transformed.z.abs() < 1e-5);
// 复用默认观察方向，仅改成高度为 4 的正交投影，检查平行射线与水平起点间距。
let camera = Camera {
projection: Projection::Orthographic { height: 4. },
..Camera::default()
};
// 归一化横坐标相差 0.5，对应可见宽度 4 的一半；中心纵坐标保持一致。
let left = camera.ray(0.25, 0.5, 1.).unwrap();
let right = camera.ray(0.75, 0.5, 1.).unwrap();
assert_eq!(left.direction, right.direction);
@@ -729,15 +836,20 @@ mod tests {
#[test]
/// 同一不可变视图/尺寸/aspect复用像素Arc；改变aspect重绘，超像素预算或退化相机必须拒绝。
fn surface_cache_reuses_immutable_frames_and_rejects_invalid_resources() {
// 缓存键使用 View 的 Arc 身份，因此两次调用必须引用同一个 Arc 而不是重新构造等值对象。
let view = Arc::new(view(Geometry::cuboid(1., 1., 1.)));
// 首次取得表面，第二次相同键应复用像素缓冲；测试不依赖全局缓存先前是否已有其他条目。
let first = surface(&view, 64, 64, 1.).unwrap();
let second = surface(&view, 64, 64, 1.).unwrap();
// 同一不可变视图/尺寸/aspect 返回同像素 Arc；仅改变 aspect 即使像素尺寸不变也必须重绘。
assert!(Arc::ptr_eq(&first, &second));
// 只改变投影 aspect，输出尺寸仍为 64×64；既检查缓存未复用，也检查投影结果确实改变。
let wide = surface(&view, 64, 64, 2.).unwrap();
assert!(!Arc::ptr_eq(&first, &wide));
assert_ne!(first, wide);
// 1600 万像素超过单表面硬上限，应在大缓冲分配前返回错误。
assert!(render(&view, 4000, 4000).is_err());
// 单独复制视图并令 target 等于 position，验证退化观察基在 valid 和渲染入口都被拒绝。
let mut invalid = (*view).clone();
invalid.camera.target = invalid.camera.position;
assert!(!invalid.valid());
src/render/scene3d/spatial.rs
+51 -1
View File
@@ -9,13 +9,17 @@ use super::{
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
/// 变换后网格的世界空间 AABB，做保守筛选而不是精确表面描述。
// Index::build 为每个非空 Mesh 构造，查询时用它拒绝整组不可能命中的实例。
pub struct Bounds {
// 世界 x/y/z 三轴最小值；max 为最大值，二者围成与世界轴对齐的保守外包围。
pub min: Vec3,
pub max: Vec3,
}
impl Bounds {
/// 变换网格顶点并求世界 AABB，作为空间索引的保守外包围。
// Index::build 调用；必须从真实变换后顶点取极值，不能只变换局部 min/max 两个角。
fn mesh(mesh: &Mesh) -> Option<Self> {
// 惰性遍历局部顶点并应用 world，每个非空网格只扫描一次来建立包围盒。
let mut points = mesh
.geometry
.vertices
@@ -23,6 +27,7 @@ impl Bounds {
.map(|point| mesh.world.point(*point));
// 空网格没有包围盒，返回 None 后不会进入树；首顶点初始化上下界，避免把原点误算进边界。
let first = points.next()?;
// 以首顶点为初始界，其余点逐分量扩大范围；fold 的最终值同时覆盖所有变换后顶点。
Some(points.fold(
Self {
min: first,
@@ -43,6 +48,7 @@ impl Bounds {
))
}
/// 求两个包围盒的最小共同外包围，供 BVH 父节点使用。
// Index::split 用 reduce 合并当前节点全部实例的界，父节点可一次剔除整棵子树。
fn union(self, other: Self) -> Self {
Self {
min: Vec3::new(
@@ -58,16 +64,20 @@ impl Bounds {
}
}
/// 取指定轴中心位置，供最长轴排序和分割使用。
// split 选择排序轴后用它计算中心；axis 只由内部逻辑产生 0/1/2，不接受任意外部下标。
fn center(self, axis: usize) -> f32 {
// 临时三分量数组便于按轴索引，避免为 x/y/z 写三套排序表达式。
let min = [self.min.x, self.min.y, self.min.z];
let max = [self.max.x, self.max.y, self.max.z];
(min[axis] + max[axis]) / 2.
}
/// 用包围盒筛出射线候选；索引查询按进入距离排序，精确三角形求交在调用方完成。
// Index::ray 同时用它测试树节点和叶内实例；返回值是射线参数下界，不是精确表面交点。
fn ray(self, ray: Ray) -> Option<f32> {
// slab 算法逐轴交区间；near 从零开始，只保留射线前方，起点在盒内时返回零。
let mut near = 0f32;
let mut far = f32::INFINITY;
// 每个轴给出一个可行射线参数区间，逐轴求交后才得到穿过整个盒子的区间。
for (origin, direction, min, max) in [
(ray.origin.x, ray.direction.x, self.min.x, self.max.x),
(ray.origin.y, ray.direction.y, self.min.y, self.max.y),
@@ -75,29 +85,35 @@ impl Bounds {
] {
// 近乎平行该轴时不做除法；起点在 slab 外即可拒绝，在 slab 内则该轴不收窄距离。
if direction.abs() < 1e-12 {
// 近乎平行且起点在该轴两面之外时，射线无法进入盒子；其余轴不必继续测试。
if origin < min || origin > max {
return None;
}
continue;
}
// 求该轴两边界的射线参数，方向为负时 a/b 次序会反转，下面统一取 min/max。
let a = (min - origin) / direction;
let b = (max - origin) / direction;
// 方向可为负，先排序该轴进入/退出距离，再与之前各轴区间求交。
near = near.max(a.min(b));
far = far.min(a.max(b));
// 三个轴的参数交集为空时拒绝；far==near 的擦边仍保留，交给精确求交处理。
if far < near {
return None;
}
}
// 起点在盒内时 near 保持 0；View::pick 将该下界与已有最近三角形距离比较来提前结束。
Some(near)
}
/// 检查八角是否全落在任一视锥平面外侧；返回保守可见性，不代表真实三角形可见。
// Index::visible 对节点和叶内实例使用同一保守测试；相机基和六平面由查询入口统一准备。
fn visible(self, camera: Camera, basis: Basis, planes: &[[f32; 4]; 6]) -> bool {
// 用三位索引枚举 AABB 八角，再转到相机空间，使角点与视锥平面处于同一坐标系。
let corners: [Vec3; 8] = std::array::from_fn(|index| {
camera.view(
basis,
Vec3::new(
// 索引最低位选 x，接着两位选 y/z 的 min 或 max，组合恰好覆盖八个角点。
if index & 1 == 0 {
self.min.x
} else {
@@ -126,11 +142,14 @@ impl Bounds {
}
#[derive(Debug)]
/// BVH 叶或分支；叶保存实例索引，分支保存两个子节点索引。
// 节点保存在 Index.nodes 连续数组，分支通过下标连接子树，查询不持有递归引用。
enum Node {
// 少量实例的叶节点，items 是原 Scene.meshes 下标，并非几何中的三角形下标。
Leaf {
bounds: Bounds,
items: Vec<usize>,
},
// 内部节点合并两个子树的界；命中父界后再把左右子节点加入查询栈。
Branch {
bounds: Bounds,
left: usize,
@@ -139,7 +158,9 @@ enum Node {
}
impl Node {
/// 读取叶/分支统一的包围盒，隐藏节点种类差异。
// ray/visible 不必分别处理叶和分支的界，先统一测试，再决定是否展开子节点。
fn bounds(&self) -> Bounds {
// 两种节点共享同名 bounds 字段且 Bounds 可复制，返回值无需借用整棵树。
match self {
Self::Leaf { bounds, .. } | Self::Branch { bounds, .. } => *bounds,
}
@@ -149,32 +170,41 @@ impl Node {
#[derive(Debug, Default)]
/// 由不可变场景建立的包围盒树，供相机视锥和射线查询复用。
pub struct Index {
// 长度始终等于构建时网格数；空网格对应 None，不入树但保留原场景下标。
bounds: Vec<Option<Bounds>>,
// 节点数组先放父占位再递归放子节点，子树返回后补写父分支的左右下标。
nodes: Vec<Node>,
// 空输入或全空网格时没有根，查询从空栈开始自然返回空候选。
root: Option<usize>,
}
impl Index {
/// 用变换后的网格顶点建立世界 AABB 与 BVH；忽略空网格，树内仅保存原生几何下标。
// model/scene3d 在世界数据变化时建立缓存；View::pick/render_aspect 无匹配缓存时也调用此函数临时构建。
pub fn build(meshes: &[Mesh]) -> Self {
// 保留与原网格下标等长的包围盒数组；items 仅收集非空网格，最终候选仍指向原场景下标。
let bounds: Vec<_> = meshes.iter().map(Bounds::mesh).collect();
// 收集带有效界的原实例下标供后续排序分割；不复制几何，也不重排外部 Scene.meshes。
let mut items: Vec<_> = bounds
.iter()
.enumerate()
.filter_map(|(index, bounds)| bounds.map(|_| index))
.collect();
// 先保存完整 bounds 表，节点和根从空开始，递归分割只改变索引自身。
let mut index = Self {
bounds,
nodes: Vec::new(),
root: None,
};
// split 需要非空切片才能 reduce/unwrap；空集合直接保留 root=None。
if !items.is_empty() {
index.root = Some(index.split(&mut items));
}
index
}
/// 按包围盒最长轴的中心排序并递归二分，叶节点保留少量网格候选。
// build 首次调用，随后自身递归；每次切片保证非空，返回节点数组中的稳定下标。
fn split(&mut self, items: &mut [usize]) -> usize {
// 把当前切片内所有非空实例界合并为节点界；items 来自过滤后的集合，因此 unwrap 有前提。
let bounds = items
.iter()
.map(|&index| self.bounds[index].unwrap())
@@ -193,7 +223,9 @@ impl Index {
items: items.to_vec(),
};
} else {
// 较大的集合按合并包围盒的最长轴切分，避免总沿固定轴分割拉长的场景。
let extent = bounds.max - bounds.min;
// 相等时优先 x 再 y，选择只影响树形；最终查询排序恢复外部可见顺序。
let axis = if extent.x >= extent.y && extent.x >= extent.z {
0
} else if extent.y >= extent.z {
@@ -201,6 +233,7 @@ impl Index {
} else {
2
};
// 按选定轴的中心排序，total_cmp 提供确定的浮点比较规则；此处不按三角形或材质排序。
items.sort_unstable_by(|&a, &b| {
self.bounds[a]
.unwrap()
@@ -209,9 +242,11 @@ impl Index {
});
// 两半均非空，即使所有中心重合也能递减集合规模，保证递归终止。
let mid = items.len() / 2;
// 把可变切片分成互不重叠两半供递归使用，变量随后被各自节点下标遮蔽。
let (left, right) = items.split_at_mut(mid);
let left = self.split(left);
let right = self.split(right);
// 两个子树都已存在，再用同一父下标覆盖占位节点，连接左右子树。
self.nodes[index] = Node::Branch {
bounds,
left,
@@ -221,28 +256,36 @@ impl Index {
index
}
/// 检查索引覆盖的网格数量是否与场景相符；缺失缓存时允许重建。
// 这里只校验数量，不验证顶点或 world 变换；调用方必须在几何改变后重建索引。
// View 在查询前用它选择缓存或临时构建；不验证顶点或 world 变换，几何改变后须由快照层重建。
pub fn matches(&self, meshes: usize) -> bool {
self.bounds.len() == meshes
}
/// 用包围盒筛出射线候选；索引查询按进入距离排序，精确三角形求交在调用方完成。
// View::pick 消费排序候选，再逐三角形求交与裁剪；本函数不检查相机 near/far。
pub fn ray(&self, ray: Ray) -> Vec<(f32, usize)> {
// 空树的栈为空；显式栈避免查询递归，先测分支包围盒，未命中时整棵子树跳过。
let mut stack: Vec<_> = self.root.into_iter().collect();
// 收集 (盒进入参数, 原实例下标)，遍历结束后统一排序以支持 pick 的距离提前终止。
let mut output = Vec::new();
// 深度优先弹出待查节点；树构建时已保证子节点下标有效，不需要在循环中重新验证。
while let Some(index) = stack.pop() {
// 节点整体不与射线相交，叶内实例或分支下的所有后代都可跳过。
if self.nodes[index].bounds().ray(ray).is_none() {
continue;
}
// 叶逐实例精测包围盒，分支继续展开；节点界命中不等于其中每个实例界都命中。
match &self.nodes[index] {
Node::Leaf { items, .. } => {
// 叶的合并界可能比单实例界大，因此逐项测试以减少最终三角形候选。
for &item in items {
// 只把实际穿过的实例盒加入结果，保留原下标用于查回 Scene.meshes。
if let Some(distance) = self.bounds[item].unwrap().ray(ray) {
output.push((distance, item));
}
}
}
Node::Branch { left, right, .. } => {
// 栈后进先出，右子树会先遍历；下方排序消除遍历顺序对候选次序的影响。
stack.push(*left);
stack.push(*right);
}
@@ -253,25 +296,32 @@ impl Index {
output
}
/// 用相机六平面保守判断包围盒可见性，返回保持原场景顺序的候选。
// render_aspect 用于剔除离屏网格，panel 纹理也只对返回候选生成，节约中间表面预算。
pub fn visible(&self, camera: Camera, aspect: f32) -> Vec<usize> {
// 相机无法建立有效正交基时没有可靠视锥，返回空候选，不继续使用无效投影。
let Some(basis) = camera.basis() else {
return Vec::new();
};
// 与 render_aspect 的三角形裁剪共享平面公式，确保宽阶段不会使用另一套投影约定。
let planes = super::frustum_planes(camera, aspect);
// 空根转换为空迭代器，非空根变成只有一个元素的初始查询栈。
let mut stack: Vec<_> = self.root.into_iter().collect();
// 输出原实例下标，最后升序排列以维持光栅化的同深度先绘制优先规则。
let mut output = Vec::new();
// 先测试节点合并界；完全处于任一视锥平面外的子树无需逐实例遍历。
while let Some(index) = stack.pop() {
if !self.nodes[index].bounds().visible(camera, basis, &planes) {
continue;
}
match &self.nodes[index] {
// 叶内继续逐实例做保守可见性筛选，不能把整个叶直接视为可见。
Node::Leaf { items, .. } => output.extend(
items
.iter()
.copied()
.filter(|item| self.bounds[*item].unwrap().visible(camera, basis, &planes)),
),
// 分支只负责加入后续待测节点，真正可见实例仍在叶中确认。
Node::Branch { left, right, .. } => {
stack.push(*left);
stack.push(*right);