I07: render

tags: sysprog2020

主講人: jserv / 課程討論區: 2020 年系統軟體課程

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預期目標

• 學習數值系統：浮點運算和定點數
• 以 C 語言為基礎的物件導向程式設計
• 視窗程式開發
• 事件驅動的程式設計

raycaster

raycaster 程式實作《毀滅戰士》(Doom) 系列遊戲中經典的 ray casting 並確保光線追蹤的算繪 (render) 完全不用除法操作。原始程式碼約 500 行，透過 SDL2 達到跨平台圖形處理，已在 macOS 和 Ubuntu Linux 測試過。

左圖是 fixed-point 實作，右圖是 floating-point 實作，可見到右圖的算繪 (render) 效果不理想，預期應該是連續牆壁投影

注意用語，"render" 一詞在多個領域都存在，例如口語的 "Render a Wall" 是「粉刷牆壁」的意思 (這裡不該出現「渲染」)，在資料庫領域中，對資料進行操作時，"render" 和 "process" 同等意思，都是對指定的資料欄位或範圍予以處理。
關於翻譯用語討論，可參見 論 Render 翻譯（算繪/演繹)。在本專案中，我們將 "render" 翻譯為「算繪」。

raycaster 程式支援的按鍵:

• 向上 (arrow up): 前往更深處
• 向下 (arrow down): 自深處離開
• 向左 (arrow left): 左轉
• 向右 (arrow right): 右轉
• Esc: 離開本程式

前述方向按鍵按壓後，遊戲的視角會隨之變動。可嘗試透過方向鍵變更位置和視角，請留意到畫面左側 (fixed-point 實作) 和右側 (floating-point 實作) 的算繪結果差異。

延伸閱讀:

• Doom rendering engine
• Casting Wolf3D-style Rays with an FPGA and Arduino
• Game Engine Black Book: Doom

作業要求

• 在 GitHub 上 fork raycaster，目標如下:
  • 修正浮點數和定點數算繪程式展現的缺失，並提出改進 precision 及 accuracy 的方式
  • 輸出算繪過程的 frame rate，日後當我們進一步提升算繪程式的效率時，這會是效能評比的方式之一
  • 利用 tools/precalculator.cpp 產生運算表格，修改相關程式碼，使得程式碼在編譯時期才去產生運算表格，後者以標頭檔案 (generated header) 的形式存在並編譯進入主程式。換言之，檔案 raycaster_tables.h 應自 repository 移除，改用編譯時期產生
  • 解說現有 fixed-point 實作機制，並探討前述表格產生的機制，需要提及其中的考量點
  • 參照 C 語言：物件導向程式設計篇，透過建立共用介面 (interface) 的手法，將 raycaster 以 C99/C11 (或 gnu99/gnu11) 重寫，允許在執行時期載入 fixed-point 和 floating-point 為基礎的 renderer

    對照研讀 Object-oriented techniques in C 及 Achieving polymorphism in C

• 閱讀 Doom rendering engine 和 Casting Wolf3D-style Rays with an FPGA and Arduino，解釋 raycaster 運作原理，並探討後續的改進方案，例如更換彩色的貼圖素材 (texture)、引入遊戲元素 (sprite) 等等。

繳交方式

編輯 Homework5 作業區共筆，將你的觀察、上述要求的解說、應用場合探討，以及各式效能改善過程，善用 gnuplot 製圖，紀錄於新建立的共筆

截止日期

• Nov 9, 2020 (含) 之前

越早在 GitHub 上有動態、越早接受 code review，評分越高