SceneGraph（场景图） 简介

场景图介绍

该节内容翻译自gemedev的一篇文章 blog-SceneGraph Introduction。

什么是场景图

场景图是一种将数据排序到层次结构中的方法，在层次结构中父节点影响子节点。你可能会说“这不是树吗？”你说得没错，场景图就是一棵n-tree。也就是说，它可以有任意多的孩子。但是场景图比一棵简单的树要复杂一些。它们表示在处理子对象之前要执行的某些操作。如果现在对这个概念不好理解，不用担心，这一切都会在后面的内容中给出解释。

为什么场景图有用

如果你还没有发现为什么场景图如此酷，那么让我来解释一下场景图的一些细节。假设你需要在你的游戏中模拟太阳系。这个系统里面，在中心有一颗恒星，带有两颗行星。每个行星也有两颗卫星。有两种方式可以实现这个功能。 我们可以为太阳系中的每个物体创建一个复杂的行为函数，但是如果设计师想要改变行星的位置，那么通过改变所有其他围绕它旋转的物体，就有很多工作要做。 另一个选择是创建一个场景图，让我们的生活变得简单。下图显示了如何创建场景图来表示对象：

假设旋转节点保存当前世界矩阵，并将其与旋转相乘。这将影响其后渲染的所有其他对象。所以有了这个场景图，让我们看看这个场景图的逻辑流程。

• 绘制Star
• 保存当前的矩阵（star）
  • 执行旋转（star）
  • 绘制Planet 1
  • 保存当前的矩阵（planet1）
    • 执行旋转（planet1）
    • 绘制Moon A
    • 绘制Moon B
  • 恢复保存的矩阵（planet1）
  • 绘制Planet2
  • 保存当前的矩阵（Planet2）
    • 执行旋转（Planet2）
    • 绘制Moon C
    • 绘制Moon D
  • 恢复保存的矩阵（Planet2）
• 恢复保存的矩阵（star）

这是一个非常简单的场景图的实现，你也应该发现为什么场景图是一个值得拥有的东西。但你可能会对自己说，这很容易做到，只要硬编码就可以了。场景图的优势在于场景图的显示方式可以不通过硬编码的方式实现，虽然对于你能想象到的节点，比如旋转，渲染等是硬编码实现的。基于这些知识，我们可以将上面的场景变得更加复杂，let's do it。让我们在太阳系中增加一些生命，让1号行星稍微摇晃一下。是的，1号行星被一颗大小行星撞击，现在正稍微偏离其轴旋转。不用担心，我们只需要创建一个抖动节点，并在绘制行星1之前设置它。

但是行星1的摆动对我来说还不够真实，让我们继续这样做，让这两颗行星以不同的速度旋转。

现在，这个场景图比最初呈现的要复杂得多，现在让我们来看看程序的逻辑流程。

• 绘制Star
• 保存当前的矩阵
  • 应用旋转
    • 保存当前的矩阵
      • 应用抖动
      • 绘制planet1
        • 保存当前的矩阵
          • 应用旋转
            • 绘制Moon A
            • 绘制Moon B
        • 恢复矩阵
    • 恢复矩阵
• 恢复矩阵
• 保存当前的矩阵
  • 应用旋转
    • 绘制planet2
    • 保存当前的矩阵
      • 应用旋转
      • 绘制Moon C
      • 绘制Moon D
    • 恢复矩阵
• 恢复矩阵

真的！现在这只是一个简单的太阳系模型！想象一下，如果我们模仿这个级别的其他部分会发生什么。

简单实现示例

我认为这已经足够对场景图进行高层次的讨论了，让我们来谈谈我们将如何实现它们。为此，我们需要一个基类，以便从所有场景图节点派生。

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;
}

现在这已经超出了我们的方式，我们现在可以做一个我们享有的所有类型的节点的清单。这是我认为每个场景图都应该具有的节点列表。当然，如果你觉得合适的话，你可以添加新的类型。

• Geometry Node
• DOF（下面会有解释）
• Rotation（animated）
• Scaling（animated）
• Translating（animated）
• Animated DOF
• Switch

对于一个基本的场景图引擎来说，这应该足够了。你总是可以在你的引擎里添加更多的东西，使它成为最好的新东西。

Geometry Node

会有一个没有图形的图形引擎么？这是不可能的。所以，现在介绍一下最重要的节点：

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

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

  	CSceneNode::Update();
  }
};

注意，上面的渲染代码上有点敷衍。你应该对于如何处理这个节点，是非常清楚的。先执行几何体的渲染（或将其发送到要渲染的位置），然后更新我们的子对象。

DOF

DOF节点通常称为变换。它们只不过是一个表示偏移、旋转或缩放的矩阵。如果不想将矩阵存储在Geometry Node中，这些选项非常有用。在下一个示例中，我们假设使用OpenGL进行渲染。

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节点开始显示一些可以使用场景图执行的更复杂的操作。交换节点的作用就像铁路上的一个交叉点，只允许您选择以下路径之一（可以将它们更改为沿着两条路径，但这将由读者来完成）。让我们看一幅场景图，图中有一个开关节点。

现在对于场景图的这一部分，开关表示赛车游戏中的车门。由于这辆车损坏了，我们想证明它正在损坏。当我们开始比赛时，我们希望赛车不会受到任何损坏，但随着赛车在水平面上的前进，受到的损坏越来越多，我们需要将路径切换到损坏更严重的车门上。我们甚至可以扩展这一范围，使受损更严重的身体部位在产生烟雾效应后附着粒子系统。你的想象力限制了这种可能性。