Odin Software Rasterizer

Một software rasterizer viết bằng Odin — toàn bộ quá trình vẽ 3D được tự làm bằng code, không dùng GPU, không dùng OpenGL hay DirectX. Mỗi pixel trên màn hình đều đi qua từng bước được viết tay trong code.

Mục đích

Project này được xây dựng để hiểu từ bên trong cách một GPU thực sự hoạt động — bằng cách tự viết lại toàn bộ graphics pipeline ở tầng CPU. Thay vì gọi API đồ họa như OpenGL hay Vulkan như một hộp đen, mọi bước từ transform đỉnh cho đến tô màu pixel đều được implement thủ công và có thể quan sát trực tiếp qua các debug mode.

Cài đặt môi trường

1. Odin compiler

Tải bản nightly cho Windows ở https://odin-lang.org/docs/nightly/

odin-windows-amd64-nightly+2026-04-02.zip

Giải nén và copy phàn bên trong vào C:\odin với thư mục odin.exe nằm ngay bên trong : "C:\odin\odin.exe"

Sau đó thêm C:\odin vào PATH. Kiểm tra:

odin version

2. Visual Studio Build Tools (C++ toolchain)

Odin trên Windows cần MSVC linker. Tải Visual Studio Build Tools tại

https://learn.microsoft.com/vi-vn/visualstudio/releases/2022/release-history#release-dates-and-build-numbers

Khi cài, chọn workload: Desktop development with C++

Build và chạy

build.bat

Load model OBJ tùy chọn:

build.bat model.obj
build.bat model.obj texture.tga

Thuật toán được sử dụng

Geometry pipeline

Model / View / Projection matrix — biến đổi đỉnh từ object space → world space → camera space → clip space
Perspective divide — chia clip coordinates cho w để tạo hiệu ứng phối cảnh xa-gần
Viewport transform — map NDC [-1, 1] sang pixel coordinates
Backface culling — loại tam giác quay lưng về phía camera bằng dot product của face normal và view direction

Rasterization

Edge function (Pineda) — xác định pixel nào nằm trong tam giác bằng cross product 2D
Barycentric coordinates — nội suy depth, UV, normal, color tại mỗi pixel trong tam giác
Perspective-correct interpolation — nội suy trong không gian clip (chia cho w) thay vì screen space để tránh distortion
Z-buffer (depth buffer) — so sánh depth tại mỗi pixel, chỉ vẽ pixel gần camera nhất

Shading

Flat shading — tính lighting một lần cho cả tam giác từ face normal
Gouraud shading — tính lighting tại từng đỉnh rồi nội suy qua barycentric coords
Phong diffuse — intensity = max(0, dot(normal, -light_dir))
Texture sampling — map UV coordinates sang texel, wrap mode lặp lại

Học được gì

Thị giác máy tính cổ điển

Khái niệm	Thấy ở đâu trong project
Camera intrinsic matrix	Projection matrix (FOV, aspect ratio, near/far) — tương đương ma trận K trong camera calibration
Camera extrinsic matrix	View matrix (look-at) — tương đương `[R
Coordinate systems	Object space → World space → Camera space → NDC — pipeline chuẩn trong reconstruction
Surface normal	Debug mode 3 (Normal map) — encode hướng bề mặt thành màu RGB, nền tảng của NeRF và NeuS
Depth map	Debug mode 2 (Z-buffer) — cấu trúc dữ liệu cho stereo matching, SLAM, depth completion
UV / texture mapping	Debug mode 4 — hiểu cách project 3D surface xuống 2D, dùng trong photogrammetry
Perspective projection	Perspective-correct interpolation (phím P) — lý do tại sao phải chia cho w
Homogeneous coordinates	Clip space với w ≠ 1 — nền tảng của projective geometry

Game engine / real-time graphics

Khái niệm	Thấy ở đâu trong project
Graphics pipeline	Toàn bộ flow: vertex processing → rasterize → fragment → framebuffer
Framebuffer & Z-buffer	Hai mảng song song, clear mỗi frame, ghi pixel theo depth test
Backface culling	Tắt qua phím B — thấy ngay tại sao GPU loại ~50% tam giác trước khi rasterize
Z-fighting	Tắt Z-buffer (phím Z) — hiểu tại sao depth precision quan trọng
Mesh structure	Face list với vertex / UV / normal index riêng — cấu trúc OBJ / FBX thực tế
Vertex normal averaging	Phím N — tại sao Gouraud shading cần smooth normals ở góc mesh
Flat vs Gouraud shading	Phím F1/F2 — tradeoff giữa tốc độ và chất lượng shading
Orbit camera	WASD/QE — view matrix rebuild mỗi frame theo eye position
Texture coordinates	Interpolate UV per-pixel, sample checkerboard texture
Debug visualization	Stats panel, pixel inspector, wireframe overlay, normal arrows — tooling chuẩn của game engine

Cấu trúc code

src/
├── main.odin           — App loop, input, render orchestration
├── pipeline.odin       — Vertex transform: model/view/projection
├── rasterizer.odin     — Triangle rasterize, z-buffer, shade_pixel
├── framebuffer.odin    — Framebuffer, ZBuffer, G-Buffer (PixelInfoBuffer)
├── debug.odin          — Stats panel, pixel inspector, overlays
├── mesh.odin           — OBJ loader, built-in cube
├── texture.odin        — Texture load (TGA), checkerboard, sampler
├── math.odin           — Vec2/3/4, Mat4, linear algebra
└── platform_windows.odin — Win32 window, input, pixel blit

Phím tắt

Phím	Chức năng
`1–6`	Debug mode: Color / Depth / Normal / UV / Barycentric / Wireframe
`WASD`	Di chuyển camera (orbit)
`Q / E`	Camera lên / xuống
`Chuột trái drag`	Xoay model
`Chuột trái click`	Inspect pixel (bary, UV, normal, depth)
`B`	Toggle backface culling
`Z`	Toggle z-buffer
`P`	Toggle perspective-correct interpolation
`L`	Toggle lighting
`N`	Toggle vertex normal arrows
`F`	Toggle wireframe overlay
`F1 / F2`	Flat shading / Gouraud shading
`R`	Reset camera
`ESC`	Thoát

Rasterizer-by-Odin