圖形學中的 Scene Graph

Scene Graph 中文常翻譯為“場景圖”，是一種常用的場景物件組織方式。我們把場景中的物件，按照一定的規則（通常是空間關係）組織成一棵樹，樹上的每個節點代表場景中的一個物件。每個節點都可以有零到多個子節點，但只有一個父節點。 每個節點都包含一個“空間的定義”，通過一個 4x4 的矩陣表示，也可以通過位置、旋轉、縮放三個分量來表示，但最終都要轉換成4x4的矩陣。

每個節點所定義的空間就叫做“Local Space”，每個節點的空間都是定義在父節點的 Local Space 之中的。在渲染某個節點中的 Mesh 模型的時候，需要計算 Model Matrix，也就是需要把頂點從 Local Space 轉換到 World Space 的矩陣，這時候就要使用矩陣乘法來計算：

    nodeA.modelMatrix = nodeA.parent.modelMatrix * nodeA.localMatrix  

請注意這裡請求了父節點的 Model Matrix：”nodeA.parent.modelMatrix”，也就是遞迴的去計算，直到 Scene Graph 的根節點。通常在程式碼實現中，會把這個 Model Matrix 進行 Cache 。

Scene Graph 的節點層次結構組成的空間關係就像我們高中物理學的相對運動。例如你在一列飛馳的火車上行走，那麼你的位置、運動都是在“火車”這個空間中的；而你最終在地球上的運動，要根據當前火車的運動來計算決定。

遊戲引擎中的 Scene Graph

Scene Graph 的概念在遊戲引擎中也被普遍使用，先來看一下 Unity3D引擎吧。在 Unity Editor 中我們可以直觀的從 Hierarchy 檢視中看到整個 Scene Graph 結構。當你移動一個 GameObject 時，它下面的所有子節點也會跟隨它一起移動。 從程式碼的角度看，場景節點中的父子關係並不由 GameObject 負責管理，而是由 Transform 元件去完成。 想要指定或者改變物件的父子關係就需要呼叫 Transform.SetParent()，這個函式的第二個引數為“bool worldPositionStays”，也就是在改變父節點時保持物件在世界空間中的位置不變。你可以思考一下，如果要你實現這個API，你怎麼寫？

在 Unreal Engine 4 中也有 Scene Graph 概念的實現，情況與 Unity3D 非常類似。Unreal Editor中的“World Outliner”檢視，也直觀的展現了當前場景的層次結構。 AActor 在場景中的層次結構是由 USceneComponent 組成父子關係來實現的，USceneComponent 起到管理 transform 和 transform 的層次結構的作用。

glTF 定義的 Scene Graph 資料

在glTF標準中也使用 Scene Graph 的概念。一個 glTF 資料可以包含零到多個 scene ，每個 scene 都是由 node 組成的一個樹形層次結構。

在前面一篇文章的glTF簡介中，我們講到了 glTF 的核心資料是由一個 JSON 格式的文字檔案定義的。下面我們就先看一下 glTF 中場景的定義：

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

上面這段 JSON 資料是glTF檔案的一部分，它定義了一個 Object ，它有三個重要的欄位：
* scenes：是一個物件陣列，定義這個 glTF 資料中有幾個場景。上面這段 JSON 資料中只包含一個場景。每個場景是一個物件，包含兩個欄位：
* name：字串，場景的名稱；
* nodes：一個數組，通常只有一個元素，它指定這個場景的根節點；陣列的每個元素是下面的 nodes 陣列的索引；
* scene：這個欄位指定預設渲染哪個場景，是指定的上面的 scenes 陣列的 index；
* nodes：是一個物件陣列，包含所有的節點資料；上面這段 JOSN 資料中一共有兩個節點：root 和 box 。

其中，nodes 陣列是構成 Scene Graph 的核心資料，下面我們再看一下 nodes 中的單個節點的資料構成。一個節點可以擁有以下的可選欄位：
* name：名稱，字串；
* children：是一個數組，定義當前這個 node 包含哪些子節點；使用 nodes 陣列的 index；
* transform資料，可以是一個 “matrix” 欄位，定義一個4x4的矩陣；也可以由“translation”、“rotation”、“scale ”三個分量來定義。
* mesh：指定當前節點引用哪個 mesh 物件來渲染；通過 index 索引 glTF 資料中的 mesh 物件；後續文章還會細講；
* camera：指定當前節點引用哪個攝像機；通過 index 索引 glTF 資料中的 camera 物件；後續文章還會細講；

理解了 Scene Graph 的概念之後，再看上述的 glTF 場景資料定義就很直觀了。看到這兒，場景的資料結構應該清晰了，但是目前這個場景還沒包含任何實際的功能，這個我們要從下一篇文章開始講起。

閱讀原文 可以下載完整的glTF 樣例資料。

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