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。

 ##RenderMan RIB-Structure 1.1
 ##Scene Bouncing Ball
 ##Creator /usr/ucb/vi
 ##CreationDate :30pm //
 ##For RenderMan Jones
 ##Frames
 ##Shaders PIXARmarble, PIXARwood, MyUserShader
 ##CapabilitiesNeeded ShadingLanguage Displacements
 version 3.03
 Declare "d" "uniform point"
 Declare "squish" "uniform float"
 Option "limits" "bucketsize" [ ]  #renderer specific
 Option "limits" "gridsize" []  #renderer specific
 Format     #mandatory resolution
 Projection "perspective"
 Clipping  1000.0
 FrameBegin
     ##Shaders MyUserShader, PIXARmarble, PIXARwood
     ##CameraOrientation 10.0 10.0 10.0 0.0 0.0 0.0
     Transform  [.  -.  -.
                   .  -.
                 -.  -.  -.
                     17.3205   ]
     WorldBegin
         AttributeBegin
             Attribute "identifier" "name" "myball"
             Displacement "MyUserShader" "squish"
             AttributeBegin
                 Attribute "identifier" "shadinggroup" ["tophalf"]
                 Surface "PIXARmarble"
                 Sphere .  .
             AttributeEnd
             AttributeBegin
             Attribute "identifier" "shadinggroup" ["bothalf"]
                 Surface "plastic"
                 Sphere . -. .
             AttributeEnd
         AttributeEnd
         AttributeBegin
             Attribute "identifier" "name" ["floor"]
                 Surface "PIXARwood" "roughness" [.] "d" []
                 # geometry for floor
                 Polygon "P" [-. . -.  -. . .  . . .  10.0 . -.]
         AttributeEnd
     WorldEnd
 FrameEnd
 FrameBegin
     ##Shaders PIXARwood, PIXARmarble
     ##CameraOrientation 10.0 20.0 10.0 0.0 0.0 0.0
     Transform [.  -.  -.
                   .
                -.
                -.  -.  -.
                    24.4949  ]
     WorldBegin
         AttributeBegin
             Attribute "identifier" "name" ["myball"]
             AttributeBegin
                 Attribute "identifier" "shadinggroup" ["tophalf"]
                     Surface "PIXARmarble"
                     ShadingRate .
                     Sphere .  .
                 AttributeEnd
             AttributeBegin
             Attribute "identifier" "shadinggroup" ["bothalf"]
                 Surface "plastic"
                 Sphere . -.
             AttributeEnd
         AttributeEnd
         AttributeBegin
             Attribute "identifier" "name" ["floor"]
             Surface "PIXARwood" "roughness" [.] "d" []
             # geometry for floor
         AttributeEnd
     WorldEnd
 FrameEnd

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。

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

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。

 #include <nsi.hpp>

 // Set mesh data.
 //
 int plane_shape_nvertices_data[] =
 {

 };

 int plane_shape_indices_data[] =
 {
     , , ,
 };

 float plane_shape_P_data[] = // 3 * 4
 {
     -, , ,
     , , ,
     - , , - ,
     , , -
 };

 int plane_shape_N_data[] = // 3 * 4
 {
     , , ,
     , , ,
     , , ,
     , ,
 };

 NSI::ArgumentList plane_shape_attrs;

 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("nvertices")
     ->SetType(NSITypeInteger)
     ->SetCount()
     ->SetValuePointer(plane_shape_nvertices_data));

 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("P")
     ->SetType(NSITypePoint)
     ->SetCount()
     ->SetFlags(NSIParamInterpolateLinear)
     ->SetValuePointer(plane_shape_P_data));

 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("P.indices")
     ->SetType(NSITypeInteger)
     ->SetCount()
     ->SetValuePointer(plane_shape_indices_data));

 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("N")
     ->SetType(NSITypeNormal)
     ->SetCount()
     ->SetFlags(NSIParamInterpolateLinear)
     ->SetValuePointer(plane_shape_N_data));

 plane_shape_attrs.push(NSI::Argument::New("N.indices")
     ->SetType(NSITypeInteger)
     ->SetCount()
     ->SetValuePointer(plane_shape_indices_data));

 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

 #include <nsi.hpp>

 // Set transform data, which is identity.
 //
 double plane_xform_matrix_data[] =
 {
     , , , ,
     , , , ,
     , , , ,
     , , ,
 };

 NSI::ArgumentList plane_xform_attrs;
 plane_xform_attrs.push(NSI::Argument::New("transformationmatrix")
     ->SetType(NSITypeDoubleMatrix)
     ->SetCount()
     ->SetValuePointer(plane_xform_matrix_data));

 nsi.SetAttributeAtTime(plane_xform_handle, 0.0, plane_xform_attrs);

 // Create plane's mesh and connect it to the last transform.
 //
 const std::string plane_shape_handle("planeShape1");

 nsi.Create(plane_shape_handle, "mesh");
 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。

 #include <nsi.hpp>

 // Assign lambert shader to the plane.
 //
 const std::string plane_xform_attrs_handle = plane_xform_handle + "Attrs";

 nsi.Create(plane_xform_attrs_handle, "attributes");
 nsi.Connect(plane_xform_attrs_handle, "", plane_xform_handle, "geometryattributes");

 const std::string lambert_shader_handle("lambert1");

 nsi.Create(lambert_shader_handle, "shader");

 char lambert_shader_name[];
 sprintf(lambert_shader_name, "%s/maya/osl/lambert", delight_dir);

 nsi.SetAttribute(lambert_shader_handle, (NSI::StringArg("shaderfilename", lambert_shader_name),
     NSI::FloatArg("i_diffuse", 0.8)));

 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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