3D引擎数据结构与glTF(2): Scene Graph

时间：01-19来源：作者：点击数：

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。

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

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

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。