3D引擎数据结构与glTF（1）

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glTF是Khronos Group制定的一套3D内容的格式标准，包括场景、Mesh、动画、材质等方面。通过学习它，可以对3D引擎中的核心数据结构有一个基础的的理解，对于深入掌握3D引擎技术有很大的帮助。

文/燕良

来源：游戏程序员的自我修养

不是有句老话讲“程序 = 算法 + 数据结构”嘛，对于3D引擎来说也是这样。学习和掌握3D引擎中的核心数据有哪些，它们直接的关系是怎样等等问题，对于理解3D引擎的架构和图形渲染关系都有着非常大的帮助。然而，现在的商业3D引擎非常复杂，想要通过学习其源代码嘛非常困难，那么你就这样放弃了吗？我们需要一个合适的方式切入。

那么，什么是glTF呢？

直接去研读Unreal Engine的源代码，对于没有基础的同学来说，确实太困难了。想要对3D引擎内部有一些必要的了解，glTF是一个很好的切入点。学习glTF也是具有实用价值的，已经有越来越多的引擎支持这种格式，另外还可以顺便学一下英语。

glTF是什么呢？

• glTF即GL Transmission Format的缩写；
• glTF是一种3D内容的格式标准，由Khronos Group管理；（Khronos Group还管理着OpenGL系列、OpenCL等重要的行业标准）
• glTF的设计是面向实时渲染应用的，尽量提供可以直接传输给图形API的数据形式，不再需要二次转换；
• glTF对OpenGL ES、WebGL非常友好；
• glTF的目标是：3D领域的JPEG；
• 作为一个标准，自2015年10月发布（glTF 1.0）以来，已经得到了业界广泛的认可，你可以相信它的水平；
• glTF目前最新版本为2.0已于2017年6月正式发布。
  

为什么还需要一个3D内容格式标准？

所谓的内容格式标准，可以粗略的理解为“文件格式”，就像我们常用的Wavefont OBJ、Autodesk FBX等。既然已经有了那么多文件格式了，干嘛还要设计一个新的呢？这主要是因为那些格式并不是针对实时渲染设计的，例如FBX或者COLLADA都是针对建模工具之间交互数据使用的。现在的主流3D引擎，例如Unity3D、Unreal Engine，它们都需要一个import的过程把FBX等格式转换成为内部的对象，然后使用对象序列化机制来存储3D场景、模型、材质等。这些引擎它们都有自己的存储方式，而且都是私有的，并不公开。

我们熟悉的大神卡马克也曾经呼吁建立实时渲染的3D内容格式的标准。如果没有一种标准格式的话，每个3D引擎都要实现自己的文件导入、转换工具，用来和3DS MAX、Maya、Blender等工具对接；而有了glTF这一标准之后，一切可以变得简单很多。

glTF都包含哪些数据

从逻辑的角度，它包含所有常用的、必须的数据：

• glTF包括场景定义数据，它使用SceneGraph，也就是一个树来定义场景；场景中的节点包含Transform矩阵（也就是位置、旋转、缩放）、父子关系的描述，以及包含的功能（mesh、camera等）；
• 包含mesh和skin数据，通过它们你可以加载静态模型和骨骼模型；
• 包含动画数据，通过定义场景中节点的运动来定义动画，这些节点可以用来组成骨架结构（Skeleton），也可以直接控制节点中的mesh做刚体运动；
• 包含Morph Target（也称作Blend Shape）模型动画数据；
• 包含材质定义；在glTF 1.0中，包含一个technique的定义，相对于Unity3D中的ShaderLab，或者D3D中的effect文件；
  

glTF标准所定义的上述数据，从物理结构上了由以下几个文件组成：

• 一个JSON文本文件，作为整个标准的核心，描述场景结构，数据对应关系等；（如果你对 JSON 格式不熟悉，可以到 json.org 看一看）
• 一个二进制文件，用来存储Vertex Buffer、Index Buffer等，这些数据可以直接通过OpenGL或者WebGL API直接上传到显示驱动，无需再做解析和转换；
• 还包含所引用的shader文件、贴图文件等；
  

参考资料：

glTF官方网站
glTF 2.0 标准文档
glTF 1.0 标准文档
glTF Tutorial