3Delight NSI: A Streamable Render API

摘要： 3Delight是應用於高階電影級別渲染的軟體渲染器，迄今為止已經參與了無數的電影製作，具體可以參見連結。 如果你對3Delight的印象就依然是RenderMan的替代品，那就顯然已經和時代發展脫節了。現在的3Delight是一個完全PBR Unbiased的渲染器，而且完全為了互動式渲...

3Delight是應用於高階電影級別渲染的軟體渲染器，迄今為止已經參與了無數的電影製作，具體可以參見連結。

如果你對3Delight的印象就依然是RenderMan的替代品，那就顯然已經和時代發展脫節了。現在的3Delight是一個完全PBR Unbiased的渲染器，而且完全為了互動式渲染以及雲端渲染設計，所以你對它的固有印象可以從看到這篇文章開始徹底改變了。

渲染=資料操作

其實“渲染”這個動作的本身，就是資料處理，你可以用任何流行的思路來對照，比如MapReduce。但是歸根結底，可以認為只有3個概念。

• 資料填充
• 資料修改
• 資料計算

這3個概念可以直接展開，把你所知道所有的計算機圖形學相關的概念和技術都丟入，但是這裡不展開。

本文會結合這3個概念，來仔細的闡述3Delight NSI的優點和思路，以及解決的問題。

一切從過程開始

計算機，其實是過程性裝置。所謂面向物件，只是軟體設計領域的一個對過程和資料的合併抽象而已，本質上，最後的“執行”這個本身依然是個過程。

那麼回顧一下RenderMan API（以下簡稱RI）的設計。

RenderMan

一個完整RI可渲染的場景一般結構如下，來自ofollow,noindex">這裡 。

 1 ##RenderMan RIB-Structure 1.1
 2 ##Scene Bouncing Ball
 3 ##Creator /usr/ucb/vi
 4 ##CreationDate 12:30pm 8/24/89
 5 ##For RenderMan Jones
 6 ##Frames 2
 7 ##Shaders PIXARmarble, PIXARwood, MyUserShader
 8 ##CapabilitiesNeeded ShadingLanguage Displacements
 9 version 3.03
10 Declare "d" "uniform point"
11 Declare "squish" "uniform float"
12 Option "limits" "bucketsize" [6 6]#renderer specific
13 Option "limits" "gridsize" [18]#renderer specific
14 Format 1024 768 1#mandatory resolution
15 Projection "perspective"
16 Clipping 10 1000.0
17 FrameBegin 1
18##Shaders MyUserShader, PIXARmarble, PIXARwood
19##CameraOrientation 10.0 10.0 10.0 0.0 0.0 0.0
20Transform[.707107-.408248-.57735 0
210.816497-.577350
22-.707107-.408248-.577350
230017.32051 ]
24WorldBegin
25AttributeBegin
26Attribute "identifier" "name" "myball"
27Displacement "MyUserShader" "squish" 5
28AttributeBegin
29Attribute "identifier" "shadinggroup" ["tophalf"]
30Surface "PIXARmarble"
31Sphere .5 0 .5 360
32AttributeEnd
33AttributeBegin
34Attribute "identifier" "shadinggroup" ["bothalf"]
35Surface "plastic"
36Sphere .5 -.5 0. 360
37AttributeEnd
38AttributeEnd
39AttributeBegin
40Attribute "identifier" "name" ["floor"]
41Surface "PIXARwood" "roughness" [.3] "d" [1]
42# geometry for floor
43Polygon "P" [-100. 0. -100.-100. 0. 100.100. 0. 100.10.0 0. -100.]
44AttributeEnd
45WorldEnd
46 FrameEnd
47 FrameBegin 2
48##Shaders PIXARwood, PIXARmarble
49##CameraOrientation 10.0 20.0 10.0 0.0 0.0 0.0
50Transform [.707107-.57735-.4082480
510.57735
52-.815447 0
53-.707107-.57735-.4082480
540024.4949 1 ]
55WorldBegin
56AttributeBegin
57Attribute "identifier" "name" ["myball"]
58AttributeBegin
59Attribute "identifier" "shadinggroup" ["tophalf"]
60Surface "PIXARmarble"
61ShadingRate .1
62Sphere .5 0 .5 360
63AttributeEnd
64AttributeBegin
65Attribute "identifier" "shadinggroup" ["bothalf"]
66Surface "plastic"
67Sphere .5 -.5 0 360
68AttributeEnd
69AttributeEnd
70AttributeBegin
71Attribute "identifier" "name" ["floor"]
72Surface "PIXARwood" "roughness" [.3] "d" [1]
73# geometry for floor
74AttributeEnd
75WorldEnd
76 FrameEnd

View Code

聰明的你告訴我，你覺得這個場景描述有什麼限制？這個問題可能很難回答，但是我們先來提幾個看似簡單的需求。

• 流式更新
• 幾何體資料的修改
• 幾何體屬性的修改
• 材質資料的修改
• 材質和幾何體關係的修改
• 多螢幕計算
• 多螢幕不同解析度的計算
• 多螢幕不同解析度不同資料的計算

但是告訴我，如果你想修改這個Mesh的幾何資料，你會如何做？這個答案在RI內，使用負責場景資料，範例如下。

1 RiEditBegin("attribute", "string editlights", "light1", RI_NULL);
2// specify the coordinate system for light1
3RiTransform( ... );
4RiLightsource( "spotlight", RI_HANDLEID, "light1", "color lightcolor", (RtPointer)&color );
5 RiEditEnd();

View Code

這套系統只支援非常有限的場景元素的修改，也就是你只能改改Shader引數，移動一下位置如此，也就是我們現在看到常見IPR的所有的操作。

當然這一套系統的限制呢，也是寫的明明白白。

限制有

• 僅僅是支援stochastic和raytrace 2種Hider。
• 不支援多攝影機渲染。
• 不支援CSG幾何體。
• 需要新的Display Driver支援。
• 不支援變長的Shader陣列引數。

那麼顯然，這一套系統的缺陷是

• 先後順序存在依賴
• API太多太瑣碎每次都得學新的函式
• 可操作的物件和資料型別受限
• 不支援複雜操作，比如刪除幾何體
• 不支援修改解析度、攝影機引數等必須引數

來到Nodel Scene API

顯然到了如今，再遵循RenderMan標準，顯然已經沒有意義。如今RenderMan渲染器本身就沒有絲毫優勢，大家的渲染已經更多，已經不是當年那個缺少靠譜的解決方案的時代了。所以，為了克服RenderMan的所有缺點和限制，3Delight重新引入了NSI這麼一套API。下面是所有函式列表，對，你沒有看錯，所有的函式。

NSIContext_t NSIBegin(int nparams, const struct NSIParam_t *params );

void NSIEnd( NSIContext_t ctx );

void NSICreate(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t handle, const char *type, int nparams, const struct NSIParam_t *params );

void NSIDelete(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t handle, int nparams, const struct NSIParam_t *params);

void NSISetAttribute(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t object, int nparams, const struct NSIParam_t *params );

void NSISetAttributeAtTime(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t object, double time, int nparams, const struct NSIParam_t *params );

void NSIDeleteAttribute(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t object, const char *name );

void NSIConnect(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t from, const char *from_attr, NSIHandle_t to, const char *to_attr, int nparams, const struct NSIParam_t *params );

void NSIDisconnect(NSIContext_t ctx, NSIHandle_t from, const char *from_attr, NSIHandle_t to, const char *to_attr);

void NSIEvaluate(NSIContext_t ctx, int nparams, const struct NSIParam_t *params);

void NSIRenderControl(NSIContext_t ctx, int nparams, const struct NSIParam_t *params);

以上就是所有的函式。

其實從函式名字就可以看到背後的設計思路，雖然還是填充場景物件的資料，但是由於這個不存在任何的依賴關係，所以克服了RI的那幾個重要的缺點，一切的一切只要在呼叫NSIRenderControl 之前即可。使用者可以用這一套API以自己喜歡的順序組織場景，構造節點和節點之間的連線即可。下面來具體用例子解釋如何構造場景。

一個NSI場景

首先從構造一個Plane的片段開始。

 1 #include <nsi.hpp>
 2 
 3 
 4 // Set mesh data.
 5 //
 6 int plane_shape_nvertices_data[1] =
 7 {
 84
 9 };
10 
11 int plane_shape_indices_data[4] =
12 {
130, 1, 3, 2
14 };
15 
16 float plane_shape_P_data[12] = // 3 * 4
17 {
18-50, 0, 50,
1950, 0, 50,
20- 50, 0, - 50,
2150, 0, - 50
22 };
23 
24 int plane_shape_N_data[12] = // 3 * 4
25 {
260, 1, 0,
270, 1, 0,
280, 1, 0,
290, 1, 0
30 };
31 
32 NSI::ArgumentList plane_shape_attrs;
33 
34 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("nvertices")
35->SetType(NSITypeInteger)
36->SetCount(1)
37->SetValuePointer(plane_shape_nvertices_data));
38 
39 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("P")
40->SetType(NSITypePoint)
41->SetCount(4)
42->SetFlags(NSIParamInterpolateLinear)
43->SetValuePointer(plane_shape_P_data));
44 
45 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("P.indices")
46->SetType(NSITypeInteger)
47->SetCount(4)
48->SetValuePointer(plane_shape_indices_data));
49 
50 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("N")
51->SetType(NSITypeNormal)
52->SetCount(4)
53->SetFlags(NSIParamInterpolateLinear)
54->SetValuePointer(plane_shape_N_data));
55 
56 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("N.indices")
57->SetType(NSITypeInteger)
58->SetCount(4)
59->SetValuePointer(plane_shape_indices_data));
60 
61 nsi.SetAttribute(plane_shape_handle, plane_shape_attrs);

對於一個mesh來說，它具備如下幾個內建的屬性

• nvertices
• nholes
• clockwisewinding
• subdivision.scheme
• subdivision.cornervertices
• subdivision.cornersharpness
• subdivision.creasevertices
• subdivision.creasesharpness

顧名思義，這些屬性定義了這個mesh的所有幾何資料，每一個屬性的資料就是一個數組，如同範例C++程式碼所展示的一樣。

光有mesh當然不行，還需要transform

 1 #include <nsi.hpp>
 2 
 3 // Set transform data, which is identity.
 4 //
 5 double plane_xform_matrix_data[16] =
 6 {
 71, 0, 0, 0,
 80, 1, 0, 0,
 90, 0, 1, 0,
100, 0, 0, 1
11 };
12 
13 NSI::ArgumentList plane_xform_attrs;
14 plane_xform_attrs.push(NSI::Argument::New("transformationmatrix")
15->SetType(NSITypeDoubleMatrix)
16->SetCount(1)
17->SetValuePointer(plane_xform_matrix_data));
18 
19 nsi.SetAttributeAtTime(plane_xform_handle, 0.0, plane_xform_attrs);
20 
21 // Create plane's mesh and connect it to the last transform.
22 //
23 const std::string plane_shape_handle("planeShape1");
24 
25 nsi.Create(plane_shape_handle, "mesh");
26 nsi.Connect(plane_shape_handle, "", plane_xform_handle, "objects");

其實非常簡單，這裡使用了SetAttributeAtTime ，用來定義多個matrix實現運動模糊。末了，直接呼叫Connect ，這樣就把先前構造的mesh放入了transform的objects這個屬性之下，從此這個mesh可以被transform所變換。當然transform是可以包含transform，構造成了層次化的變換。

下面當然是需要附上材質了，我們就用最簡單的lambert。

 1 #include <nsi.hpp>
 2 
 3 // Assign lambert shader to the plane.
 4 //
 5 const std::string plane_xform_attrs_handle = plane_xform_handle + "Attrs";
 6 
 7 nsi.Create(plane_xform_attrs_handle, "attributes");
 8 nsi.Connect(plane_xform_attrs_handle, "", plane_xform_handle, "geometryattributes");
 9 
10 const std::string lambert_shader_handle("lambert1");
11 
12 nsi.Create(lambert_shader_handle, "shader");
13 
14 char lambert_shader_name[256];
15 sprintf(lambert_shader_name, "%s/maya/osl/lambert", delight_dir);
16 
17 nsi.SetAttribute(lambert_shader_handle, (NSI::StringArg("shaderfilename", lambert_shader_name),
18NSI::FloatArg("i_diffuse", 0.8)));
19 
20 nsi.Connect(lambert_shader_handle, "", plane_xform_attrs_handle, "surfaceshader");

這裡需要先構造attributes，然後把這個attributes和之前創造的transform節點的geometryattributes連線，這樣所有attributes都會被所有transform的objects所繼承，從此那個mesh就會附上了這個lambert材質。當然此shader例項可以用同樣的方式共享給其他的幾何體。

還有更多的程式碼可以從nsi-example 這個開源專案看到完整的原始碼。

感興趣的使用者可以直接到3Delight Download 下載試用版體驗最新3Delight，體驗其卓越的效能和所有功能特色。