3D引擎数据结构与glTF(2): Scene Graph

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: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:

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:

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