用纯 Python 从零实现的计算机图形学练习项目，对照 Gabriel Gambetta《Computer Graphics from Scratch》一书，同时实现两套渲染管线，均输出 PPM / PNG 图像，无第三方渲染依赖：
- 光线追踪（Ray Tracing）：从相机逐像素投射光线，解析求交、光照、阴影与递归反射。
- 网格栅格化（Rasterization）：把「顶点 + 三角面」描述的 3D 网格透视投影到画布，逐三角面绘制（线框 + 插值着色）。
光线追踪：
- Whitted 式光线追踪：从相机逐像素投射光线，解析求交。
- 光照模型：环境光 + 漫反射 + Phong 镜面高光。
- 阴影：对每个光源做遮挡检测（点光源 / 平行光）。
- 递归反射：支持镜面反射物体的多次反弹（递归深度可配，默认 3）。
栅格化：
- 透视投影：
Camera.projectVertex把相机空间顶点投到画布像素。 - 网格绘制：
Model（顶点 + 三角面）逐三角面线框绘制，三角面自带颜色。 - 实例化（Instancing）：
Instance把同一Model以不同变换摆放到世界空间，复用网格。 - 基础图元：直线（Bresenham / 对称插值）、填充三角形、插值着色三角形。
通用：
- 零渲染依赖：输出纯文本 P3 PPM（光追 / 线框）或 Pillow 渲染的 PNG（2D 图元练习）。
- 相机矩阵：
Camera.make_camera_matrix合成世界→相机视图矩阵，支持相机平移 / 旋转。
examples/ 所有可运行示例（见下方「快速上手」）
main_draw_sphere.py 光线追踪：四球场景 → output/graph_sphere.ppm
main_draw_cube.py 栅格化：单立方体线框 → output/graph_cube.ppm
main_draw_two_cubes.py 栅格化：两个实例化立方体 → output/main_draw_two_cubes.ppm
main_draw_line_naive.py 2D：朴素（按列最邻近）直线栅格化 → output/graph_line_no_interpolation.png
main_draw_line_interpolation.py 2D：对称插值直线栅格化 → output/graph_line_with_interpolation.png
main_draw_triangle.py 2D：线框 + 填充三角形 → output/graph_triangle.png
main_draw_shaded_triangle.py 2D：插值着色三角形 → output/graph_shaded_triangle.png
# ── 渲染器与场景 ──
Renderer.py 统一渲染器：render() 光线追踪 / render_scene() 栅格化实例
Rasterizer.py Rasterizer + PixelWriter：renderObject / renderTriangle / 线框三角面
RayTracer.py 求最近交点、光照计算、compute_lighting、递归反射
RayTracingScene.py 光追场景（spheres + lights + 背景色）与 closestIntersection
RasterizationScene.py 栅格化场景（instances + 背景色）
# ── 核心数据类型与数学 ──
Camera.py 相机：origin/rotation/translation；canvasToViewport / projectVertex / make_camera_matrix
Viewport.py 视口：width/height/distance
Canvas.py 3D 像素缓冲 + savePPM + draw_line（Bresenham 整数直线）
Canvas2D.py 2D 像素缓冲 + draw_line（对称插值）/ fill_triangle_scanlines / draw_shaded_triangle
Sphere.py 球体解析求交（intersect）
Ray.py 光线（origin + direction，at(t) 求交点）
Interval.py 有效 t 区间判定，自动排除 ±inf
Number.py 浮点数值类型别名
Transform.py / Rotation.py 实例变换（缩放→旋转→平移）与欧拉角
Instance.py 模型实例（model + transform）
Line2ByTwoPoints.py 由两点定义的 2D 直线
ImageViewer.py 跨平台打开生成的图像
PlotUtils.py 2D 图元练习的栅格 / 坐标轴 / 字体辅助
geometry/ 向量与矩阵：Vec3、Point2、Point3、Matrix、Matrix4、Triangle、RotationMatrix
color/Color.py Color / BLACK / WHITE 等：RGB 分量、按标量缩放（截断 0~255）、叠加
light/ Light 基类 + AmbientLight / PointLight / DirectionalLight
model/Model.py Model：顶点 + 三角面；create_cube() 便捷构建立方体
环境要求：Python >= 3.14。推荐使用 uv 管理依赖（项目已包含 uv.lock）。
# 1. 创建并激活虚拟环境（项目根目录下名称含 .venv / venv 的目录）
uv venv # 生成 .venv
source .venv/bin/activate
# 2. 安装依赖（mypy、numpy、pillow）
uv sync # 或：uv pip install -r <(uv pip compile pyproject.toml)
# 3. 运行示例（在项目根目录下执行，脚本会把结果写到 output/）
python examples/main_draw_sphere.py # 光线追踪：四球
python examples/main_draw_two_cubes.py # 栅格化：两个实例化立方体
python examples/main_draw_cube.py # 栅格化：单立方体线框
python examples/main_draw_triangle.py # 2D：线框 + 填充三角形
python examples/main_draw_shaded_triangle.py # 2D：插值着色三角形
python examples/main_draw_line_interpolation.py # 2D：对称插值直线
python examples/main_draw_line_naive.py # 2D：朴素最邻近直线每个脚本都会自动创建 output/ 目录并把图像写入其中，部分脚本还会用系统默认查看器打开结果。
-
PPM（光追与线框立方体）：
output/*.ppm是纯 ASCII 的 P3 PPM 文件，可直接用支持 PPM 的图像查看器打开，或用 ImageMagick 等工具转成常见格式：convert output/graph_sphere.ppm output/output.png # 需自行安装 ImageMagick -
PNG（2D 图元练习）：
output/*.png由 Pillow 生成，可直接打开。
- 光线追踪：完整的调用流程图、模块职责对照表，以及光照 / 阴影 / 反射算法的说明，见 RenderingPipeline.md。
- 网格栅格化：
Renderer.render_scene()对齐书中RenderScene()伪代码——先MakeCameraMatrix(camera)得世界→相机矩阵M_camera，对每个实例合成M = M_camera · I.transform，再把模型顶点一次性变换到相机空间后ProjectVertex透视投影，最后逐三角面DrawWireframeTriangle连出三条边。关键模块：Camera.make_camera_matrix/Camera.projectVertex、Model/Triangle/Instance、Rasterizer.draw_wireframe_triangle（Rasterizer.py）。
- Dedication
- Acknowledgements
- Table of Contents
- Introduction
- Introductory Concepts
- Part I: Raytracing
- Basic Raytracing
- Light
- Shadows and Reflections
- Extending the Raytracer
- Part II: Rasterization
- Lines
- Filled Triangles
- Shaded Triangles
- Perspective Projection
- Describing and Rendering a Scene
- Clipping
- Hidden Surface Removal
- Shading
- Textures
- Extending the Rasterizer
- Appendixes
- Linear Algebra
- Afterword