The Design of Model (part 1)

The Design of Model (part 1)

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           过去一段时间都做引擎设计，小有成果，过几天陆续整理出来，今天先发个引子吧. ^_^

           第一步当然是定义模型数据，有了模型，才方便做后续开发。通俗一点说，就是要创建model类。也许你会说XNA或者说DirectX已经有内置的model，为什么还需要自己写呢？如果你稍有经验，就会发现XNA内置的model功能是非常有限的，而且是密封类，无法进行扩展。几乎所有的商业引擎都有自定义的model类(可惜的是很少看到有文章介绍如何建立一个易用的Model类)。XNA和DirectX内置的model只是为了方便写一些小游戏而已。这并不是ms在偷懒，不愿意写一个更好的model，正如我们马上将看到，在编写这样一个类时，有太多选择，很难写出一个通用的模板。因此，下面设计的方案，不一定是最好，也不一定是最适合你的(当然，希望也不是最坏的)，只是希望对你设计自己的Model有所启发。:)

         为了方便讨论，先介绍一些基本概念和术语。Model，指由一系列几何体组成的逻辑单元，比如一个人，一辆车。我们使用的大部分模型都将来自Maya或者3ds Max这样的建模软件，在模型师建模时，并不是一次就创建出一个完整的模型，而是把整个模型分成独立的小单元，分别建立，最后拼装到一起。比如把人物分作躯干，四肢，头部，手脚几部分来建立。这种组成模型的最小单元称为mesh part。初看起来这样的细分是没有必要的，但如果你希望每个部分能独立运动，比如车轮必须独立于车身旋转，那么就必须进行这样的细分，此外，对于不同材质的物体，也必须分开，比如车胎和内部的金属圈，就必须分为不同的mesh part。当建模软件导出模型数据时，每个mesh part都以自身的局部坐标来保存顶点的，比如，躯干以躯干中心为原点，定位所有点的坐标，手臂同样以手臂中心为原点，定位顶点坐标。这也就是很多人加载模型之后，发现模型都叠到一起的原因。所以，除了mesh part以外，还必须使用骨骼bone来表述模型的结构和mesh part之间的位置关系。简单的说，骨骼保存了相对于其父节点的位移或者旋转。显然，单一的骨骼并没有多少用，常见的是使用骨骼树，描述mesh part之间的结构关系。以人体为例，躯干为树的根节点，四个分支分别代表四肢，上臂有一个子节点，连接着前臂，前臂又连接着手掌，手指。显然，要获得手掌的坐标，就必须从躯干开始，依次加上上臂和前臂的坐标偏移。当然，对于某些特别简单的模型，比如一个盒子，一个mesh part就能代表一个model，自然也就不需要骨骼了。

          在建立你的模型时，至少有以下问题是需要考虑的：
1. 以什么方式保存模型数据，顶点数组，vertex buffer还是vertex buffer + index buffer，绘图用DrawIndexPrimitive,还是DrawPrimitive
2. 以什么方式组织数据，triangle list, triangle strip还是???
3. 组成同一model的mesh part分别拥有各自的vertex buffer，还是把所有mesh part数据打包为一个大的vertex buffer，通过索引区别每个mesh part？
4 同一模型的不同实例，共享顶点数据还是分开？
5. 是否支持LOD，如果支持，以什么方式获得LOD数据，运行时计算还是预处理？如何实现LOD过渡，如何保存LOD数据：把同一model的不同LOD作为独立的model，还是封装为一个？又如何控制LOD？
6. 模型将支持什么样的动画：骨骼动画，关键帧动画，morphing？动画在CPU还是GPU计算？
7. 模型是否需要骨骼，是否可以形变。
8. 如何处理材质信息。
9. 如何处理包围盒。
10. 是否支持instancing，支持哪种类型的instancing？
..............................

           当你真正动手编写一个引擎时，还有更多问题需要考虑，比如未来如何集成到scene graph里，如何裁剪，如何渲染等等，如果忽略了这些重要的元素，那么将来做后续开发时必然会出现很多问题。当然，并不是说你从现在开始就要周全的考虑好scene management，renderer等系统的设计，而是对将来高级系统如何使用低级类有大概了解，这也正是OOP里的依赖倒置原则。前段的所有问题都是实现细节，而这里，考虑的则是抽象。
          这里是一个理想的渲染器例子: 

foreach renderableObject in scene
    if(renderableObject is visible)
          Renderer.AddObjectToRenderQueue(renderableObject)

Renderer.SortAllOpaqueObjectByDistance();
Renderer.SortAllOpaqueObjectByMaterial();
Renderer.SortAllTransparentObjectByDistance();
Render.SortAllAllTransparentObjectByMaterial();

foreach material in Render.materalQueue
     material.Begin();
     foreach opaqueRenderableObject in Render.renderQueue
             renderableObject.Draw();
    material.End();

foreach material in Render.materalQueue
      material.Begin();
      foreach transparentRenderableObject in Render.renderQueue
               renderableObject.Draw();
       material.End();

       这几乎是最简单的渲染流程了，为了方便讨论，我省略了大部分细节。首先，我们从裁剪系统得到需要渲染的物体。接下来，为了尽量利用early-z cull的好处，把实心物体按照从前到后的顺序排序，为了尽量减少渲染状态改变，再把物体安材质排序。对于透明物体来说，为了获得正确的渲染效果，则需要按从后到前的顺序排序。

       这段代码虽然简单，也显示了一些核心的概念，首先，所有可渲染的物体都必须有一个同一的接口Draw，其次，应该把材质封装成独立的material对象。
        (to be continue..............)

呃....不行了，瞌睡，瞌睡，天快亮了，先睡去+_+ Zzzz......