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3D引擎数据结构与glTF(2): Scene Graph

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发表于 2018-1-22 10:09:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
游戏程序
平台类型:  
程序设计: 3D图形 
编程语言:  
引擎/SDK: Unity3D OpenGL 
21.jpg

文/燕良

来源:游戏程序员的自我修养

在这篇文章中我们将介绍 Scene Graph 的概念,以及在 glTF 标准中是如何定义 Scene Graph 数据的。

图形学中的 Scene Graph

Scene Graph 中文常翻译为“场景图”,是一种常用的场景对象组织方式。我们把场景中的对象,按照一定的规则(通常是空间关系)组织成一棵树,树上的每个节点代表场景中的一个对象。每个节点都可以有零到多个子节点,但只有一个父节点。 每个节点都包含一个“空间的定义”,通过一个 4x4 的矩阵表示,也可以通过位置、旋转、缩放三个分量来表示,但最终都要转换成4x4的矩阵。

每个节点所定义的空间就叫做“Local Space”,每个节点的空间都是定义在父节点的 Local Space 之中的。在渲染某个节点中的 Mesh 模型的时候,需要计算 Model Matrix,也就是需要把顶点从 Local Space 转换到 World Space 的矩阵,这时候就要使用矩阵乘法来计算:

nodeA.modelMatrix = nodeA.parent.modelMatrix * nodeA.localMatrix  

请注意这里请求了父节点的 Model Matrix:”nodeA.parent.modelMatrix”,也就是递归的去计算,直到 Scene Graph 的根节点。通常在代码实现中,会把这个 Model Matrix 进行 Cache 。

Scene Graph 的节点层次结构组成的空间关系就像我们高中物理学的相对运动。例如你在一列飞驰的火车上行走,那么你的位置、运动都是在“火车”这个空间中的;而你最终在地球上的运动,要根据当前火车的运动来计算决定。

游戏引擎中的 Scene Graph


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Scene Graph 的概念在游戏引擎中也被普遍使用,先来看一下 Unity3D引擎吧。在 Unity Editor 中我们可以直观的从 Hierarchy 视图中看到整个 Scene Graph 结构。当你移动一个 GameObject 时,它下面的所有子节点也会跟随它一起移动。 从代码的角度看,场景节点中的父子关系并不由 GameObject 负责管理,而是由 Transform 组件去完成。 想要指定或者改变对象的父子关系就需要调用 Transform.SetParent(),这个函数的第二个参数为“bool worldPositionStays”,也就是在改变父节点时保持对象在世界空间中的位置不变。你可以思考一下,如果要你实现这个API,你怎么写?

在 Unreal Engine 4 中也有 Scene Graph 概念的实现,情况与 Unity3D 非常类似。Unreal Editor中的“World Outliner”视图,也直观的展现了当前场景的层次结构。 AActor 在场景中的层次结构是由 USceneComponent 组成父子关系来实现的,USceneComponent 起到管理 transform 和 transform 的层次结构的作用。

glTF 定义的 Scene Graph 数据

23.png

在glTF标准中也使用 Scene Graph 的概念。一个 glTF 数据可以包含零到多个 scene ,每个 scene 都是由 node 组成的一个树形层次结构。

在前面一篇文章的glTF简介中,我们讲到了 glTF 的核心数据是由一个 JSON 格式的文本文件定义的。下面我们就先看一下 glTF 中场景的定义:

24.png

上面这段 JSON 数据是glTF文件的一部分,它定义了一个 Object ,它有三个重要的字段:

  • scenes:是一个对象数组,定义这个 glTF 数据中有几个场景。上面这段 JSON 数据中只包含一个场景。每个场景是一个对象,包含两个字段:
  • name:字符串,场景的名称;
  • nodes:一个数组,通常只有一个元素,它指定这个场景的根节点;数组的每个元素是下面的 nodes 数组的索引;
  • scene:这个字段指定默认渲染哪个场景,是指定的上面的 scenes 数组的 index;
  • nodes:是一个对象数组,包含所有的节点数据;上面这段 JOSN 数据中一共有两个节点:root 和 box 。


其中,nodes 数组是构成 Scene Graph 的核心数据,下面我们再看一下 nodes 中的单个节点的数据构成。一个节点可以拥有以下的可选字段:

  • name:名称,字符串;
  • children:是一个数组,定义当前这个 node 包含哪些子节点;使用 nodes 数组的 index;
  • transform数据,可以是一个 “matrix” 字段,定义一个4x4的矩阵;也可以由“translation”、“rotation”、“scale ”三个分量来定义。
  • mesh:指定当前节点引用哪个 mesh 对象来渲染;通过 index 索引 glTF 数据中的 mesh 对象;后续文章还会细讲;
  • camera:指定当前节点引用哪个摄像机;通过 index 索引 glTF 数据中的 camera 对象;后续文章还会细讲;

理解了 Scene Graph 的概念之后,再看上述的 glTF 场景数据定义就很直观了。看到这儿,场景的数据结构应该清晰了,但是目前这个场景还没包含任何实际的功能,这个我们要从下一篇文章开始讲起。

glTF 样例数据

如果你想看看完整的 glTF 资源长什么样子,可以下载这两个zip包:

只包含一个 Node 的简单场景

Box
25.png

卡车模型的场景,包含多个 Node ,组成层次结构

Cesium Milk Truck
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