SceneGraph（場景圖） 簡介

場景圖介紹

該節內容翻譯自gemedev的一篇文章 blog-SceneGraph Introduction。

什么是場景圖

場景圖是一種將數據排序到層次結構中的方法，在層次結構中父節點影響子節點。你可能會說“這不是樹嗎？”你說得沒錯，場景圖就是一棵n-tree。也就是說，它可以有任意多的孩子。但是場景圖比一棵簡單的樹要復雜一些。它們表示在處理子對象之前要執行的某些操作。如果現在對這個概念不好理解，不用擔心，這一切都會在后面的內容中給出解釋。

為什么場景圖有用

如果你還沒有發現為什么場景圖如此酷，那么讓我來解釋一下場景圖的一些細節。假設你需要在你的游戲中模擬太陽系。這個系統里面，在中心有一顆恆星，帶有兩顆行星。每個行星也有兩顆衛星。有兩種方式可以實現這個功能。 我們可以為太陽系中的每個物體創建一個復雜的行為函數，但是如果設計師想要改變行星的位置，那么通過改變所有其他圍繞它旋轉的物體，就有很多工作要做。 另一個選擇是創建一個場景圖，讓我們的生活變得簡單。下圖顯示了如何創建場景圖來表示對象：

假設旋轉節點保存當前世界矩陣，並將其與旋轉相乘。這將影響其后渲染的所有其他對象。所以有了這個場景圖，讓我們看看這個場景圖的邏輯流程。

• 繪制Star
• 保存當前的矩陣（star）
  • 執行旋轉（star）
  • 繪制Planet 1
  • 保存當前的矩陣（planet1）
    • 執行旋轉（planet1）
    • 繪制Moon A
    • 繪制Moon B
  • 恢復保存的矩陣（planet1）
  • 繪制Planet2
  • 保存當前的矩陣（Planet2）
    • 執行旋轉（Planet2）
    • 繪制Moon C
    • 繪制Moon D
  • 恢復保存的矩陣（Planet2）
• 恢復保存的矩陣（star）

這是一個非常簡單的場景圖的實現，你也應該發現為什么場景圖是一個值得擁有的東西。但你可能會對自己說，這很容易做到，只要硬編碼就可以了。場景圖的優勢在於場景圖的顯示方式可以不通過硬編碼的方式實現，雖然對於你能想象到的節點，比如旋轉，渲染等是硬編碼實現的。基於這些知識，我們可以將上面的場景變得更加復雜，let's do it。讓我們在太陽系中增加一些生命，讓1號行星稍微搖晃一下。是的，1號行星被一顆大小行星撞擊，現在正稍微偏離其軸旋轉。不用擔心，我們只需要創建一個抖動節點，並在繪制行星1之前設置它。

但是行星1的擺動對我來說還不夠真實，讓我們繼續這樣做，讓這兩顆行星以不同的速度旋轉。

現在，這個場景圖比最初呈現的要復雜得多，現在讓我們來看看程序的邏輯流程。

• 繪制Star
• 保存當前的矩陣
  • 應用旋轉
    • 保存當前的矩陣
      • 應用抖動
      • 繪制planet1
        • 保存當前的矩陣
          • 應用旋轉
            • 繪制Moon A
            • 繪制Moon B
        • 恢復矩陣
    • 恢復矩陣
• 恢復矩陣
• 保存當前的矩陣
  • 應用旋轉
    • 繪制planet2
    • 保存當前的矩陣
      • 應用旋轉
      • 繪制Moon C
      • 繪制Moon D
    • 恢復矩陣
• 恢復矩陣

真的！現在這只是一個簡單的太陽系模型！想象一下，如果我們模仿這個級別的其他部分會發生什么。

簡單實現示例

我認為這已經足夠對場景圖進行高層次的討論了，讓我們來談談我們將如何實現它們。為此，我們需要一個基類，以便從所有場景圖節點派生。

class CSceneNode
{
public:
  // constructor
  CSceneNode() { }

  // destructor - calls destroy
  virtual ~CSceneNode() { Destroy(); }

  // release this object from memory
  void Release() { delete this; }

  // update our scene node
  virtual void Update()
  {
    // loop through the list and update the children
    for( std::list<CSceneNode*>::iterator i = m_lstChildren.begin();
         i != m_lstChildren.end(); i++ )
    {
      (*i)->Update();
    }
  }

  // destroy all the children
  void Destroy()
  {
    for( std::list<CSceneNode*>::iterator i = m_lstChildren.begin();
         i != m_lstChildren.end(); i++ )
      (*i)->Release();
  
    m_lstChildren.clear();
  }

  // add a child to our custody
  void AddChild( CSceneNode* pNode )
  {
    m_lstChildren.push_back(pNode);
  }

protected:
  // list of children
  std::list<CSceneNode*> m_lstChildren;
}

現在這已經超出了我們的方式，我們現在可以做一個我們享有的所有類型的節點的清單。這是我認為每個場景圖都應該具有的節點列表。當然，如果你覺得合適的話，你可以添加新的類型。

• Geometry Node
• DOF（下面會有解釋）
• Rotation（animated）
• Scaling（animated）
• Translating（animated）
• Animated DOF
• Switch

對於一個基本的場景圖引擎來說，這應該足夠了。你總是可以在你的引擎里添加更多的東西，使它成為最好的新東西。

Geometry Node

會有一個沒有圖形的圖形引擎么？這是不可能的。所以，現在介紹一下最重要的節點：

class CGeometryNode: public CSceneNode
{
public:
  CGeometryNode() { }
  ~CGeometryNode() { }

  void Update()
  {
  	// Draw our geometry here!

  	CSceneNode::Update();
  }
};

注意，上面的渲染代碼上有點敷衍。你應該對於如何處理這個節點，是非常清楚的。先執行幾何體的渲染（或將其發送到要渲染的位置），然后更新我們的子對象。

DOF

DOF節點通常稱為變換。它們只不過是一個表示偏移、旋轉或縮放的矩陣。如果不想將矩陣存儲在Geometry Node中，這些選項非常有用。在下一個示例中，我們假設使用OpenGL進行渲染。

class CDOFNode: public CSceneNode
{
public:
  CDOFNode() { }
  ~CDOFNode() { }

  void Initialize( float m[4][4] )
  {
    for( int i = 0; i < 4; i++ )
      for( int j = 0; j < 4; j++ )
        m_fvMatrix[i][j] = m[i][j];
  }

  void Update()
  {
    glPushMatrix();
    glLoadMatrix( (float*)m_fvMatrix );

    CSceneNode::Update();

    glPopMatrix();
  }

private:
  float m_fvMatrix[4][4];
};

Switch Node

switch節點開始顯示一些可以使用場景圖執行的更復雜的操作。交換節點的作用就像鐵路上的一個交叉點，只允許您選擇以下路徑之一（可以將它們更改為沿着兩條路徑，但這將由讀者來完成）。讓我們看一幅場景圖，圖中有一個開關節點。

現在對於場景圖的這一部分，開關表示賽車游戲中的車門。由於這輛車損壞了，我們想證明它正在損壞。當我們開始比賽時，我們希望賽車不會受到任何損壞，但隨着賽車在水平面上的前進，受到的損壞越來越多，我們需要將路徑切換到損壞更嚴重的車門上。我們甚至可以擴展這一范圍，使受損更嚴重的身體部位在產生煙霧效應后附着粒子系統。你的想象力限制了這種可能性。