CPUによる描画ができるようにフレームワークを作った。

経緯

• 現状のゲームプログラムにおいて描画対象をGPUに投げるのがメインで、自前でレンダリング命令を構築するとかは行うことは少ない（＝CPU側で描画を制御することは少なくなる）
• ただ基礎知識は必要
• 応用しやすい。例えば内部でテクスチャに描画だけを行って表示する等が可能。また、レイマーチングはGPU側で処理しているが、結局のところレンダラーを簡易的に作成している位置づけになる
• GPUでシェーダによる制御を行う場合1ピクセル単位なのでできることに限度があるが、CPU側では手続き的に記述を書くことができるので、アルゴリズムを試行するテスト環境としても最適

作成したフレームワークについて

• 特定のメモリ領域に色を置いて、それを自動的に描画領域として表示するプログラムを作成した
• OpenGL等3DAPIは使わない想定
• 大量に機能は追加せず、まずは枠組みを作ることにした
• ピクセルが描画できれば方法はなんでもいいんだけど、実装について楽したいのでライブラリを利用する。今回はSFMLを使うことにした
• メイン（ウィンドウ）スレッドと描画スレッドを分割した。どちらかの処理待ちによるボトルネックを軽減させる目的
• ついでに低解像度で試したいのでスケーリングも想定して実装済み

ソースコード

main.cpp

#include <SFML/Graphics.hpp>
#include <thread>

unsigned int x = 0;
unsigned int y = 0;

//描画イメージ。低解像度の場合ここを変更してもいいかも。
sf::Image image({ 800, 600 }, sf::Color::Black);

void renderingThread(sf::RenderWindow* window)
{
    // ウィンドウのコンテキストを有効化する
    window->setActive(true);

    //描画した仮想領域の描画準備
    sf::Texture texture;

    //イメージをセットする
    texture.loadFromImage(image);

    //スプライト（2D描画）として描画する
    sf::Sprite sprite(texture);

    //仮想の描画領域の位置を指定（左上）
    sprite.setPosition({ 0,0 });

    //スケーリング（今回は8倍）
    sprite.setScale({ 8,8 });

    // レンダリングループ。メインとは別スレッドで動く
    while (window->isOpen())
    {
        // ウィンドウ側の描画をクリアする。SFML上でダブルバッファが有効化になっているため、これでOKになってる
        window->clear(sf::Color::Black);
        // イメージ（メモリ上の描画領域）のクリア。一面に黒色を塗る実装
        for (unsigned int i = 0; i < 200; i++) {
            for (unsigned int j = 0; j < 150; j++) {
                image.setPixel({ i, j }, sf::Color::Black);
            }
        }

        //================================================
        //以下、描画テスト。
        //本来だとここは別のソースコードに書く等できる
        //================================================

        //適当にピクセル描画のテスト
        sf::Color test(0, 25, 25, 255);
        image.setPixel({ 1, 2 }, test);

        //線分の描画（横）
        for (unsigned int i = 0; i < 70; i++) {
            int plus = i;
            image.setPixel({10+i, 10 }, sf::Color::Red);
        }

        //線分の描画（縦）
        for (unsigned int i = 0; i < 70; i++) {
            image.setPixel({ 10, 10+i }, sf::Color::Red);
        }

        //線分の描画（斜め）
        for (unsigned int i = 0; i < 70; i++) {
            int plus = i;
            image.setPixel({ 10 + i, 10+i }, sf::Color::Blue);
        }

        //メインスレッド上で更新した値を参照して描画する
        image.setPixel({ x, y }, sf::Color::Green);

        //================================================
        
        //描画領域を更新する
        texture.update(image);

        //描画反映
        window->draw(sprite);

        // end the current frame
        window->display();
    }
}

int main()
{
    // create the window (remember: it's safer to create it in the main thread due to OS limitations)
    sf::RenderWindow window(sf::VideoMode({ 800, 600 }), "CPU drawing test framework");

    // メインスレッドではウィンドウのコンテキストを無効にする
    window.setActive(false);

    // レンダリングスレッドを起動する（以降、メインスレッドとは関係なく動く）
    std::thread thread(&renderingThread, &window);

    // イベント処理用のループ
    while (window.isOpen())
    {
        //イベント受信はメインスレッド側で行う
        while (const std::optional event = window.pollEvent())
        {
            // クローズのリクエストが来たら、ウィンドウをクローズする
            if (event->is<sf::Event::Closed>())
                window.close();
        }
        
        //メインスレッド側で特定ピクセル更新
        x = rand() % 200;
        y = rand() % 150;

        //ウェイト命令を入れる
        sf::sleep(sf::milliseconds(100));
    }
    
    thread.join();
}

今後の予定

• ブレゼンハムのアルゴリズムについて調べてみる
• そもそも基本的な図形の描画ができないので実装してみる
• 高速な描画はどうすれば実現できるのか調べてみる
• 重ね合わせの描画順位について調べてみる
• レイトレーシング実装してみる