3Delight NSI: A Streamable Render API

3Delight是应用于高端电影级别渲染的软件渲染器，迄今为止已经参与了无数的电影制作，具体可以参见链接。

如果你对3Delight的印象就依然是RenderMan的替代品，那就显然已经和时代发展脱节了。现在的3Delight是一个完全PBR Unbiased的渲染器，而且完全为了交互式渲染以及云端渲染设计，所以你对它的固有印象可以从看到这篇文章开始彻底改变了。

渲染=数据操作

其实“渲染”这个动作的本身，就是数据处理，你可以用任何流行的思路来对照，比如MapReduce。但是归根结底，可以认为只有3个概念。

数据填充
数据修改
数据计算

这3个概念可以直接展开，把你所知道所有的计算机图形学相关的概念和技术都丢入，但是这里不展开。

本文会结合这3个概念，来仔细的阐述3Delight NSI的优点和思路，以及解决的问题。

一切从过程开始

计算机，其实是过程性设备。所谓面向对象，只是软件设计领域的一个对过程和数据的合并抽象而已，本质上，最后的“执行”这个本身依然是个过程。

那么回顾一下RenderMan API（以下简称RI）的设计。

RenderMan

一个完整RI可渲染的场景一般结构如下，来自这里。

 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
20     Transform  [.707107  -.408248  -.57735 0
21                 0  .816497  -.57735  0
22                 -.707107  -.408248  -.57735  0
23                 0  0  17.3205  1 ]
24     WorldBegin
25         AttributeBegin
26             Attribute "identifier" "name" "myball"
27             Displacement "MyUserShader" "squish" 5
28             AttributeBegin
29                 Attribute "identifier" "shadinggroup" ["tophalf"]
30                 Surface "PIXARmarble"
31                 Sphere .5 0 .5 360
32             AttributeEnd
33             AttributeBegin
34             Attribute "identifier" "shadinggroup" ["bothalf"]
35                 Surface "plastic"
36                 Sphere .5 -.5 0. 360
37             AttributeEnd
38         AttributeEnd
39         AttributeBegin
40             Attribute "identifier" "name" ["floor"]
41                 Surface "PIXARwood" "roughness" [.3] "d" [1]
42                 # geometry for floor
43                 Polygon "P" [-100. 0. -100.  -100. 0. 100.  100. 0. 100.  10.0 0. -100.]
44         AttributeEnd
45     WorldEnd
46 FrameEnd
47 FrameBegin 2
48     ##Shaders PIXARwood, PIXARmarble
49     ##CameraOrientation 10.0 20.0 10.0 0.0 0.0 0.0
50     Transform [.707107  -.57735  -.408248  0
51                0   .57735
52                -.815447 0
53                -.707107  -.57735  -.408248  0
54                0  0  24.4949 1 ]
55     WorldBegin
56         AttributeBegin
57             Attribute "identifier" "name" ["myball"]
58             AttributeBegin
59                 Attribute "identifier" "shadinggroup" ["tophalf"]
60                     Surface "PIXARmarble"
61                     ShadingRate .1
62                     Sphere .5 0 .5 360
63                 AttributeEnd
64             AttributeBegin
65             Attribute "identifier" "shadinggroup" ["bothalf"]
66                 Surface "plastic"
67                 Sphere .5 -.5 0 360
68             AttributeEnd
69         AttributeEnd
70         AttributeBegin
71             Attribute "identifier" "name" ["floor"]
72             Surface "PIXARwood" "roughness" [.3] "d" [1]
73             # geometry for floor
74         AttributeEnd
75     WorldEnd
76 FrameEnd

View Code

聪明的你告诉我，你觉得这个场景描述有什么限制？这个问题可能很难回答，但是我们先来提几个看似简单的需求。

流式更新
几何体数据的修改
几何体属性的修改
材质数据的修改
材质和几何体关系的修改
多屏幕计算
多屏幕不同分辨率的计算
多屏幕不同分辨率不同数据的计算

但是告诉我，如果你想修改这个Mesh的几何数据，你会如何做？这个答案在RI内，使用负责场景数据，范例如下。

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

View Code

这套系统只支持非常有限的场景元素的修改，也就是你只能改改Shader参数，移动一下位置如此，也就是我们现在看到常见IPR的所有的操作。

当然这一套系统的限制呢，也是写的明明白白。

Restrictions, Constraints, and Known Issues
Each re-rendering mode has certain restrictions and limitations that should be considered before being incorporated in a production pipeline. It is our intent to address these in future releases. Below is the current list of restrictions, constraints, and known issues:

Hider restrictions The only hiders supported are stochastic and raytrace. Sigma buffer and stitching are not supported.

Camera restrictions Multi-camera rendering is not supported.

Graphics primitives CSG is not supported.

Display Progressive refinement is critical to making editing interactive. We have provided a new display driver, multires, that can quickly display the multi-resolution images produced by re-rendering. However, existing display drivers can't display multi-resolution images and will cause the re-renderer to disable progressive refinement, rendering only at the highest resolution.

Resizable Arrays Traditional shaders with resizeable arrays will not be baked properly, leading to a crash during re-rendering. However, shader object-based shaders do support the use of resizeable arrays.

限制有

仅仅是支持stochastic和raytrace 2种Hider。
不支持多摄影机渲染。
不支持CSG几何体。
需要新的Display Driver支持。
不支持变长的Shader数组参数。

那么显然，这一套系统的缺陷是

先后顺序存在依赖
API太多太琐碎每次都得学新的函数
可操作的对象和数据类型受限
不支持复杂操作，比如删除几何体
不支持修改分辨率、摄影机参数等必须参数

来到Nodel Scene API

显然到了如今，再遵循RenderMan标准，显然已经没有意义。如今RenderMan渲染器本身就没有丝毫优势，大家的渲染已经更多，已经不是当年那个缺少靠谱的解决方案的时代了。所以，为了克服RenderMan的所有缺点和限制，3Delight重新引入了NSI这么一套API。下面是所有函数列表，对，你没有看错，所有的函数。

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);

以上就是所有的函数。

其实从函数名字就可以看到背后的设计思路，虽然还是填充场景对象的数据，但是由于这个不存在任何的依赖关系，所以克服了RI的那几个重要的缺点，一切的一切只要在调用NSIRenderControl之前即可。用户可以用这一套API以自己喜欢的顺序组织场景，构造节点和节点之间的连接即可。下面来具体用例子解释如何构造场景。

一个NSI场景

首先从构造一个Plane的片段开始。

 1 #include <nsi.hpp>
 2
 3
 4 // Set mesh data.
 5 //
 6 int plane_shape_nvertices_data[1] =
 7 {
 8     4
 9 };
10
11 int plane_shape_indices_data[4] =
12 {
13     0, 1, 3, 2
14 };
15
16 float plane_shape_P_data[12] = // 3 * 4
17 {
18     -50, 0, 50,
19     50, 0, 50,
20     - 50, 0, - 50,
21     50, 0, - 50
22 };
23
24 int plane_shape_N_data[12] = // 3 * 4
25 {
26     0, 1, 0,
27     0, 1, 0,
28     0, 1, 0,
29     0, 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);

对于一个mesh来说，它具备如下几个内置的属性

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

顾名思义，这些属性定义了这个mesh的所有几何数据，每一个属性的数据就是一个数组，如同范例C++代码所展示的一样。

光有mesh当然不行，还需要transform

 1 #include <nsi.hpp>
 2
 3 // Set transform data, which is identity.
 4 //
 5 double plane_xform_matrix_data[16] =
 6 {
 7     1, 0, 0, 0,
 8     0, 1, 0, 0,
 9     0, 0, 1, 0,
10     0, 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");

其实非常简单，这里使用了SetAttributeAtTime，用来定义多个matrix实现运动模糊。末了，直接调用Connect，这样就把先前构造的mesh放入了transform的objects这个属性之下，从此这个mesh可以被transform所变换。当然transform是可以包含transform，构造成了层次化的变换。

下面当然是需要附上材质了，我们就用最简单的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),
18     NSI::FloatArg("i_diffuse", 0.8)));
19
20 nsi.Connect(lambert_shader_handle, "", plane_xform_attrs_handle, "surfaceshader");

这里需要先构造attributes，然后把这个attributes和之前创造的transform节点的geometryattributes连接，这样所有attributes都会被所有transform的objects所继承，从此那个mesh就会附上了这个lambert材质。当然此shader实例可以用同样的方式共享给其他的几何体。

还有更多的代码可以从nsi-example这个开源项目看到完整的源代码。

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