render2d: Headless-Rendering — PNG ohne Fenster + Golden-Image-Test

HeadlessRenderer (Feature headless) baut Instance/Adapter/Device ohne
Surface (Vulkan, kein Display-Server); render_to_image rendert in eine
Rgba8Unorm-Texture (non-sRGB wie ColorMode::Web) und liest mit 256-Byte-
Row-Padding zurueck. Draw-Code unveraendert geteilt mit dem Fenster-Pfad.
CLI-Bin render_png (Demo-Szene, 990x630); Demo additiv um 45-Grad-
Schraffur, Tuerblatt und Schwenkbogen erweitert, damit das Golden alle
Pfade abdeckt. Golden-Test mit eingechecktem Referenzbild: 0/623700 Pixel
Abweichung, bit-exakt reproduzierbar; bei Abweichung Diff-Dump nach
target/. Doku in docs/design/engine-headless.md.
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2026-07-03 08:31:38 +02:00
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// Headless-Offscreen-Renderpfad (Feature "headless"): derselbe Draw-Code wie der
// Fenster-Spike (`gpu::Renderer::render` nimmt ohnehin nur Device/Queue/View —
// Surface- oder Offscreen-Textur macht dafuer keinen Unterschied), aber OHNE
// Fenster/Surface. Ziel ist eine `wgpu::Texture` (RENDER_ATTACHMENT | COPY_SRC),
// aus der die Pixel per Buffer-Copy ausgelesen und als PNG kodiert werden.
//
// Zweck: Engine-Nordstern Punkt 3 (siehe HANDOVER.md) — deterministisches
// Headless-Rendering fuer PNG-Export und Golden-Image-Tests, ohne Fenster/Display-
// Server-Zwang. Details/Row-Alignment-Falle: docs/design/engine-headless.md.
//
// WICHTIG (Row-Alignment-Falle): wgpu verlangt beim Texture->Buffer-Copy, dass
// `bytes_per_row` ein Vielfaches von `wgpu::COPY_BYTES_PER_ROW_ALIGNMENT` (256)
// ist. Bei RGBA8 (4 Byte/Pixel) trifft das NUR zufaellig zu (z.B. Breite 300px =
// 1200 Byte/Zeile -> kein Vielfaches von 256). Der Zielpuffer wird daher auf die
// naechste 256er-Grenze gepolstert (`padded_bytes_per_row`); beim Auslesen wird
// jede Zeile wieder auf die echte Breite (`unpadded_bytes_per_row`) zurueckgeschnitten.
use image::ImageEncoder;
use crate::gpu::Renderer;
use crate::types::{Scene, ViewBox};
/// Farbformat der Offscreen-Zieltextur. Non-sRGB (Rgba8Unorm): der Fragment-
/// Shader schreibt seine Farbwerte unkonvertiert — identisch zur Annahme, unter
/// der der Textpass mit `glyphon::ColorMode::Web` faehrt (siehe
/// `gpu::Renderer::ensure_text`); damit bleibt der Offscreen-Pfad farblich
/// konsistent zum Fenster-Pfad auf Plattformen ohne sRGB-Surface-Format.
pub const COLOR_FORMAT: wgpu::TextureFormat = wgpu::TextureFormat::Rgba8Unorm;
/// Straff gepacktes RGBA8-Bild (kein Zeilen-Padding mehr — das wurde beim
/// Auslesen bereits entfernt, siehe Modul-Kopf).
pub struct RgbaImage {
pub width: u32,
pub height: u32,
/// `width * height * 4` Bytes, Reihenfolge R,G,B,A, zeilenweise von oben.
pub pixels: Vec<u8>,
}
impl RgbaImage {
/// Kodiert das Bild als PNG-Bytes.
pub fn encode_png(&self) -> Vec<u8> {
let mut bytes = Vec::new();
let encoder = image::codecs::png::PngEncoder::new(&mut bytes);
encoder
.write_image(
&self.pixels,
self.width,
self.height,
image::ExtendedColorType::Rgba8,
)
.expect("PNG-Encoding fehlgeschlagen");
bytes
}
/// Dekodiert PNG-Bytes zurueck in ein straff gepacktes RGBA8-Bild —
/// Gegenstueck zu `encode_png`, damit der Golden-Image-Test das Referenzbild
/// laden kann, ohne die `image`-Crate selbst zu ziehen.
pub fn decode_png(bytes: &[u8]) -> Result<Self, String> {
let img = image::load_from_memory_with_format(bytes, image::ImageFormat::Png)
.map_err(|e| format!("PNG-Dekodierung fehlgeschlagen: {e}"))?
.into_rgba8();
Ok(Self {
width: img.width(),
height: img.height(),
pixels: img.into_raw(),
})
}
}
/// Haelt Device/Queue + den geteilten Draw-Code (`gpu::Renderer`) fuer den
/// Offscreen-Pfad. Ein Renderer pro Instanz reicht — die Pipelines sind an
/// `COLOR_FORMAT` gebunden, das bleibt fuer alle Aufrufe gleich.
pub struct HeadlessRenderer {
device: wgpu::Device,
queue: wgpu::Queue,
renderer: Renderer,
}
impl HeadlessRenderer {
/// Baut Instance/Adapter/Device OHNE Surface (kein Fenster, keine Display-
/// Session noetig). Backend explizit auf Vulkan gepinnt: Vulkan rendert
/// offscreen ohne jede Fenster-/Surface-Abhaengigkeit; GL braucht auf Linux
/// i.d.R. einen EGL/GLX-Kontext, der ohne Display-Server Sonderfaelle hat.
///
/// `Err` statt Panik, wenn kein Adapter/Device verfuegbar ist — der Golden-
/// Image-Test ueberspringt sich dann sauber (CI-Runner ohne GPU).
pub fn new() -> Result<Self, String> {
let instance = wgpu::Instance::new(wgpu::InstanceDescriptor {
backends: wgpu::Backends::VULKAN,
..Default::default()
});
let adapter = pollster::block_on(instance.request_adapter(&wgpu::RequestAdapterOptions {
power_preference: wgpu::PowerPreference::HighPerformance,
force_fallback_adapter: false,
// Kein Fenster -> keine kompatible Surface noetig.
compatible_surface: None,
}))
.ok_or_else(|| "kein Vulkan-Adapter fuer Headless-Rendering gefunden".to_string())?;
let (device, queue) = pollster::block_on(adapter.request_device(
&wgpu::DeviceDescriptor {
label: Some("headless.device"),
required_features: wgpu::Features::empty(),
required_limits: wgpu::Limits::default(),
memory_hints: wgpu::MemoryHints::Performance,
},
None,
))
.map_err(|e| format!("Headless-Device anfordern fehlgeschlagen: {e}"))?;
let renderer = Renderer::new(&device, COLOR_FORMAT);
Ok(Self {
device,
queue,
renderer,
})
}
/// Rendert `scene` in ein `width`x`height`-Offscreen-Bild (Papier-Massstab
/// `paper_scale_n`, z.B. `100.0` fuer 1:100) und liest es als straff gepacktes
/// RGBA8-Bild zurueck. Jeder Aufruf laedt die Szene neu hoch (kein Zwischen-
/// Zustand noetig fuer den CLI-/Test-Anwendungsfall).
pub fn render_to_image(
&mut self,
scene: &Scene,
width: u32,
height: u32,
view_box: ViewBox,
paper_scale_n: f32,
) -> RgbaImage {
let (width, height) = (width.max(1), height.max(1));
self.renderer.paper_scale_n = paper_scale_n;
self.renderer.upload_scene(&self.device, scene);
let texture = self.device.create_texture(&wgpu::TextureDescriptor {
label: Some("headless.target"),
size: wgpu::Extent3d {
width,
height,
depth_or_array_layers: 1,
},
mip_level_count: 1,
sample_count: 1,
dimension: wgpu::TextureDimension::D2,
format: COLOR_FORMAT,
usage: wgpu::TextureUsages::RENDER_ATTACHMENT | wgpu::TextureUsages::COPY_SRC,
view_formats: &[],
});
let view = texture.create_view(&wgpu::TextureViewDescriptor::default());
self.renderer
.render(&self.device, &self.queue, &view, view_box, (width, height));
RgbaImage {
width,
height,
pixels: self.read_pixels(&texture, width, height),
}
}
/// Texture -> gepolsterter Buffer -> straff gepacktes Pixel-Array (Row-
/// Alignment-Falle, siehe Modul-Kopf).
fn read_pixels(&self, texture: &wgpu::Texture, width: u32, height: u32) -> Vec<u8> {
const BYTES_PER_PIXEL: u32 = 4;
let unpadded_bytes_per_row = width * BYTES_PER_PIXEL;
let padded_bytes_per_row = align_up(unpadded_bytes_per_row, wgpu::COPY_BYTES_PER_ROW_ALIGNMENT);
let buffer_size = u64::from(padded_bytes_per_row) * u64::from(height);
let output_buffer = self.device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
label: Some("headless.readback"),
size: buffer_size,
usage: wgpu::BufferUsages::COPY_DST | wgpu::BufferUsages::MAP_READ,
mapped_at_creation: false,
});
let mut encoder = self
.device
.create_command_encoder(&wgpu::CommandEncoderDescriptor {
label: Some("headless.copy"),
});
encoder.copy_texture_to_buffer(
wgpu::ImageCopyTexture {
texture,
mip_level: 0,
origin: wgpu::Origin3d::ZERO,
aspect: wgpu::TextureAspect::All,
},
wgpu::ImageCopyBuffer {
buffer: &output_buffer,
layout: wgpu::ImageDataLayout {
offset: 0,
bytes_per_row: Some(padded_bytes_per_row),
rows_per_image: Some(height),
},
},
wgpu::Extent3d {
width,
height,
depth_or_array_layers: 1,
},
);
self.queue.submit(std::iter::once(encoder.finish()));
let slice = output_buffer.slice(..);
let (tx, rx) = std::sync::mpsc::channel();
slice.map_async(wgpu::MapMode::Read, move |res| {
let _ = tx.send(res);
});
// Vulkan hat keine Event-Loop wie ein Fenster -> Poll blockierend, bis
// die Map-Callback feuert (kein busy-loop noetig, `Maintain::Wait` wartet).
self.device.poll(wgpu::Maintain::Wait);
rx.recv()
.expect("Map-Callback nie aufgerufen")
.expect("Buffer-Mapping fehlgeschlagen");
let data = slice.get_mapped_range();
let mut pixels =
Vec::with_capacity(unpadded_bytes_per_row as usize * height as usize);
for row in 0..height as usize {
let start = row * padded_bytes_per_row as usize;
let end = start + unpadded_bytes_per_row as usize;
pixels.extend_from_slice(&data[start..end]);
}
drop(data);
output_buffer.unmap();
pixels
}
}
/// Rundet `value` auf das naechste Vielfache von `align` (>=1) auf.
fn align_up(value: u32, align: u32) -> u32 {
if align <= 1 {
return value;
}
((value + align - 1) / align) * align
}