内容概要
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。

【欢迎转载，请注明作者：房燕良，原文出处：游戏程序员的自我修养】

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

unity_scene

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

gltf_scene_graph

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：

{
    "scenes": [
        {
            "name": "defaultScene",
            "nodes": [0]
        }
    ],
    "scene": 0,    
    "nodes": [
        {
            "name": "root",
            "children": [1]
        },
        {
            "name": "box",
            "mesh": 0
        }
    ],
}

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：

  1. 只包含一个 Node 的简单场景
  2. 卡车模型的场景，包含多个 Node ，组成层次结构
Written on December 22nd , 2017 by 房燕良