骨骼动画及微软示例Skinned Mesh的解析

一 骨骼动画原理
原理方面在网上资料比较多，大家都基本明白。在此说一下重点：
总体上，绝大部分动画实现原理一致，就是“提供一种机制，描述各顶点位置随时间的变化”。有三种方法：
1.1 关节动画：由于大部分运动，都是皮肤随骨骼在动，皮肤相对于它的骨骼本身并没有发生运动，所以只要描述清楚骨骼的运动就行了。用矩阵描述各个骨骼的相对于父骨骼运动。(大多运动都是旋转型) 易知，从子骨骼用矩阵乘法累积到最顶层根骨骼，就可以得到每个子骨骼相对于世界坐标系的转换矩阵。
  这种动画，只须用普通Mesh保存最初始的各顶点坐标，以及一系列后续时刻所对应的各骨骼的运动矩阵。不用保存每时刻的顶点数据，节省了大量存储空间。而且比较灵活，可以利用关键帧插值运算，便于通过运算调节动作。缺点是在两段骨骼交接处，容易产生裂缝，影响效果。

1.2 渐变动画：通过保存一系列时刻的顶点坐标来完成动画。虽然比较逼真，但占用大量空间，灵活性也不高。

1.3 骨骼蒙皮动画(skinned Mesh)
  相当于上面两方法的折中。现在比较流行。
  在关节动画的基础上，利用顶点混合(Vertex Blend)技术，对于关节附近的顶点，由影响这些顶点的两段（或多段）骨骼运动，分别赋以权值，共同决定顶点位置。相当于在骨骼关节上动态蒙皮，有效解决了裂缝问题。

  这里，引入一个D3D技术概念：“Vertex Blending”---顶点混合技术。比如说，你肯定用过SetTransform(D3DTS_WORLD,....)，但SetTransform(D3DTS_WORLDMATRIX(i),....)是不是很奇怪？这个问题后文会讲到。 你也可以在微软的DXSDK的帮助文件中搜索“Geometry Blending”主题，有裂缝及其解决办法图示。

 

二 X文件如何保存骨骼动画

理解X文件格式，对用好相关的DX函数是非常重要的。

不含动画的普通X文件，有一个Mesh单元，保存了各顶点信息、各三角面的索引信息、材质种类及定义等。

动画X文件，则在这个单元中增加了“各骨骼蒙皮信息”、“骨骼层次及结构信息”、“各时刻骨骼矩阵信息”等。

2.1 网格蒙皮信息：首先，在Mesh{}单元中，在原有的普通网格顶点数据基础上，新增了XSkinMeshHeader{}结构，以及多个SkinWeights{}结构。用以描述各个骨骼的蒙皮信息。

其中，XSkinMeshHeader是总括，举一实例，如下：

XSkinMeshHeader
{
 2,//一个顶点可以受到骨骼影响的最大骨骼数,可用于计算共同作用时减少遍历次数
 4,//一个三角面可以受到骨骼影响的最大骨骼数。这个数字对硬件顶点混合计算提出了基本要求。
 35 //当前Mesh的骨骼总数。
}

由于每个骨骼的蒙皮信息都需要用SkinWeights结构去描述，所以有多少块骨骼，在Mesh中就有多少个SkinWeights对象。
注意，一般把SkinWeights视作Mesh的一部分。这种Mesh又称Skinned Mesh (蒙皮网格)

SkinWeights 结构如下：
{
  STRING      transformNodeName;      //骨骼名
  DWORD       nWeights;               //权重数组的元素个数，即该骨骼相关的顶点个数
  array DWORD vertexIndices[nWeights];//受该骨骼控制的顶点索引，实际上定义了该骨骼的蒙皮
  array float weights[nWeights];      //蒙皮各顶点的受本骨骼影响的权值
  Matrix4x4   matrixOffset;           //骨骼偏移矩阵，用来从初始Mesh坐标，反向计算顶点在子骨骼坐标系中的初始坐标。
}
在有的书中，把上面的matrixOffset叫骨骼权重矩阵，是不恰当的。应该称为骨骼偏移矩阵比较合适。

[问题] 在整个动画过程中，子骨骼运动矩阵的数值是不断变化的。上面的骨骼偏移矩阵变化吗？有没有必要重新计算？它在什么时候使用？
答：各骨骼的偏移矩阵matrixOffset专门用来从原始Mesh数据计算出各顶点相对于骨骼坐标系的原始坐标。在绘制前，把它与当前变换矩阵相乘，就可以得到该骨骼的当前的最终变换矩阵。 总之，骨骼偏移矩阵是与原始Mesh顶点数值相关联的，在整个动画过程中是不变的，也不应该变。在动画过程中变化是当前骨骼变换矩阵，可由.X中的AnimatonKey中的各时刻矩阵得到。这个矩阵乘法在示例中的对应代码如下：
D3DXMatrixMultiply( &matTemp, &pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices[iMatrixIndex], pMeshContainer->ppBoneMatrixPtrs[iMatrixIndex] );

即，D3DXMatrixMultiply(输出最终世界矩阵, 该骨骼的偏移矩阵, 该骨骼的变换矩阵)

2.2 骨骼层次信息

在X文件中，Frame是基本的组成单元。又称框架Frame。 一个.x可以有多个Frame。(注意此处的Frame不是帧，与帧没什么关系)

框架Frame允许嵌套，这样就存在父子框架了。而并列的框架，称为兄弟框架。这两种关系组合在一起，即可以纵深，又可以并列，形成一种层次结构。这种结构，可用二叉树描述。

每个框架结构的最前面，有一个FrameTransformMatrix矩阵数据，描述了该框架相对于父框架的变换矩阵。也就是说，该框架中的坐标，与该矩阵相乘，可转换为父框架坐标系的坐标。
这种层次结构，使得X文件能描述许多复杂的物体。如地形场景。

在骨骼动画文件中，框架结构可直接拿来描述人物骨骼的层次结构。框架的名字通常为对应的骨骼名。
如“左上臂->左前臂->手掌->手指”就形成一个父子骨骼链。而左上臂与右上臂是并行关系。

数据示例： D:/D9XSDK/Samples/Media/tiny.x

Frame ...{
  .....

  Frame Bip01_R_Calf { //子骨骼
      
       FrameTransformMatrix {
        1.000000,-0.000691,-0.000000,0.000000,0.000691,1.000000,-0.000000,0.000000,0.000000,0.000000,1.000000,0.000000,119.231522,0.000021,-0.000011,1.000000;;
       }

        Frame Bip01_R_Foot {//--孙子骨骼
      
        FrameTransformMatrix {
         0.988831,0.124156,0.082452,0.000000,-0.122246,0.992109,-0.027835,0.000000,-0.085257,0.017445,0.996206,0.000000,119.231476,-0.000039,0.000023,1.000000;;
        }

        ....缩进
    }
}
 

[问题]查看示例tiny.x文件，发现只有根框架下有一个Mesh，包含了所有顶点信息。其它各个Frame都没有Mesh数据。怎么理解？
答： 一般来说，每个动画文件只有一个Mesh网格，包含物体所有顶点信息。
     其它Frame，只是借用来描述各骨骼的层次信息,没必要再定义骨骼网格。每块骨骼对应的蒙皮顶点信息，由根Mesh中的相应骨骼的SkinWeights中蒙皮顶点索引描述的。在动画过程中，各个顶点的新坐标，要借助SkinWeights中的顶点索引来进行重新计算。

2.3 动画信息：
由一系列AnimatonKey组成，数据示例如下：

  AnimationKey {
   4;--动画类型 4表示矩阵
   62; --动画帧数，即下面矩阵个数
   0;16;1.000000,-0.000691,-0.000000,0.000000,0.000691,1.000000,0.000000,0.000000,0.000000,-0.000000,1.000000,0.000000,119.231514,-0.000005,0.000001,1.000000;;,
   80;16;0.992696,-0.120646,-0.000000,0.000000,0.120646,0.992696,0.000000,0.000000,-0.000000,-0.000000,1.000000,0.000000,119.231514,0.000002,-0.000002,1.000000;;,

   ..上面红数字表示时刻tick,兰数字表示数值的个数。
   ...其它各时刻矩阵...

   { Bip01_R_Calf }--对应的骨骼对象引用
  }

注意：
(1)每块骨骼都有一个AnimationKey{}.
(2)在上面数据结构中，主要保存了各典型时刻的该骨骼相对于父的变换矩阵.
(3)在0时刻的矩阵，与该骨骼对应的前面的Frame所对应的矩阵是相同的。如Frame Bip01_R_Calf{}中的变换矩阵，与Bip01_R_Calf所对应的AnimationKey 的第0时刻矩阵是一样的。这说明，在以后动画运行时，DX会提供一种功能，用AnimatonKey中的对应数据刷新初始的变换矩阵(也可能启用关键帧插值算法)。这个功能对应于示例中的m_pAnimController->SetTime(...)语句。

三 怎样从X文件加载骨骼动画信息？
3.1 负责加载的函数：
  可能有多种加载方式，在此以SDK中的示例为准，叙述一种标准加载方式，需要用到DX函数D3DXLoadMeshHierarchyFromX(),函数字面意思是读取Mesh层次信息。
HRESULT WINAPI 
    D3DXLoadMeshHierarchyFromX(
        LPCSTR Filename,                 //.x文件名
        DWORD MeshOptions,               //Mesh选项，一般选D3DXMESH_MANAGED
        LPDIRECT3DDEVICE9 pD3DDevice,    //指向D3D设备Device
        LPD3DXALLOCATEHIERARCHY pAlloc,  //自定义数据容器
        LPD3DXLOADUSERDATA pUserDataLoader,  //一般选NULL
        LPD3DXFRAME *ppFrameHierarchy,       //返回根Frame指针，指向代表整个骨架的Frame层次结构
        LPD3DXANIMATIONCONTROLLER *ppAnimController //返回相应的动画控制器
);

这个函数后面的两个输出参数很重要，也很好理解，但输入参数中的自定义数据容器是怎么回事呢？
原来，鉴于动画数据的复杂性，需要你配合完成加载过程。比如你是否用到自定义扩展结构，Mesh等数据保存在哪里，怎样使用户自己创建容器，自己决定卸载等等。 
DX提供了ID3DXALLOCATEHIERARCHY接口，提供了这个自定义的机会，你重载这个接口的虚函数，在加载过程中，它就像回调函数那样运作。

你需要像下面这样建立一个自定义数据容器类：
class CAllocateHierarchy: public ID3DXAllocateHierarchy
{
public:
    STDMETHOD(CreateFrame)(THIS_ LPCTSTR Name, LPD3DXFRAME *ppNewFrame);
    STDMETHOD(CreateMeshContainer)(THIS_ LPCTSTR Name, LPD3DXMESHDATA pMeshData,
                            LPD3DXMATERIAL pMaterials, LPD3DXEFFECTINSTANCE pEffectInstances, DWORD NumMaterials, 
                            DWORD *pAdjacency, LPD3DXSKININFO pSkinInfo, 
                            LPD3DXMESHCONTAINER *ppNewMeshContainer);
    STDMETHOD(DestroyFrame)(THIS_ LPD3DXFRAME pFrameToFree);
    STDMETHOD(DestroyMeshContainer)(THIS_ LPD3DXMESHCONTAINER pMeshContainerBase);
    CAllocateHierarchy(CMyD3DApplication *pApp) :m_pApp(pApp) {}
public:
    CMyD3DApplication* m_pApp;
};

[问题]上面的STDMETHOD是什么意思？
答：相当于virtual   HRESULT   __stdcall 的宏。<评论> 因为这种类要与D3D的COM接口打交道，不仅仅在C++内部使用，所以，所有类方法必须做成stdcall的，可对外开放的。
#define   STDMETHOD(method)               virtual   HRESULT   STDMETHODCALLTYPE   method   
#define   STDMETHODCALLTYPE               __stdcall   
这样当写一个函数STDMETHOD(op1(int   i))       
展开后成为：     virtual   HRESULT   __stdcall   op1(int   i);   

3.2 自定义数据容器以及具体的读取过程:
根据.X文件，在加载过程中，主要有两方面数据需要保存，一个是骨架Frame信息，一个是网格蒙皮Mesh信息。这两个信息保存在如下结构中。

框架信息(对应于骨骼)
typedef struct _D3DXFRAME
{
    LPSTR                   Name;
    D3DXMATRIX              TransformationMatrix; //本骨骼的转换矩阵

    LPD3DXMESHCONTAINER     pMeshContainer;       //本骨骼所对应Mesh数据

    struct _D3DXFRAME       *pFrameSibling;       //兄弟骨骼
    struct _D3DXFRAME       *pFrameFirstChild;    //子骨骼
} D3DXFRAME, *LPD3DXFRAME;

自定义数据容器,其数据来源由上面接口的CreateMeshContainer()函数提供
typedef struct _D3DXMESHCONTAINER
{
    LPSTR                   Name;       //容器名
    D3DXMESHDATA            MeshData;   //Mesh数据,可创建SkinMesh取代这个Mesh
    LPD3DXMATERIAL          pMaterials; //材质数组
    LPD3DXEFFECTINSTANCE    pEffects;   
    DWORD                   NumMaterials;//材质数
    DWORD*                  pAdjacency;  //邻接三角形数组
    LPD3DXSKININFO          pSkinInfo;   //蒙皮信息,其中含.x中的各个skinweight蒙皮顶点索引及各骨骼偏移矩阵等。
    struct _D3DXMESHCONTAINER *pNextMeshContainer;
} D3DXMESHCONTAINER, *LPD3DXMESHCONTAINER;

[评论]
.在动画文件中，框架通常用来描述骨骼。可以把Frame视做骨骼，所以不细加区分。
.在上面D3DXFRAME结构中,pFrameSibling, pFrameFirstChild两个指针，常用于递归函数中，遍历整个骨架。
.在D3DXFRAME结构中有一个pMeshContainer指针，难道框架与Mesh是一一对应的吗？
 有一个框架(骨骼)就有一个Mesh吗？怎么.X文件中只有一个Mesh?难道加载时拆开存放?
答:从D3DXFrame结构上看，每个Frame都有一个pMeshContainer指针。这就有三种解释：
   第一种，加载到内存后所有的pMeshContainer都指向同一个全局Mesh
   第二种，加载到内存后，只有一个主框架的pMeshContainer不为空，其它Frame的pMeshContainer均为NULL，因为在.X中，它们没有定义自己的Mesh
   第三种，加载到内存后，D3D将Mesh拆分，分开到各骨骼所对应的Frame，每个Frame都有自己的Mesh。
   这个问题我以前也不是很清楚，通过查看示例源码及跟踪发现，正确解释应该是第2种。唯一的一个全局Mesh存放在Frame "body"下的无名Frame中。而其它Frame由于没有自己专门的Mesh而指向NULL. 应该大致如此。这个问题之所以让人困绕，是因为从后续代码上看，在渲染DrawFrame时，是遍历每一个frame分别绘制它们对应的Mesh. 如果对应于同一个mesh，就绘制多遍。如果对应各自mesh，那么变换矩阵怎么组织运算等等。所以，根据第二种解释，由于只有一个pMeshContainer不为NULL，所以参与绘制及蒙皮的只有这一个MeshContainer，人体所有顶点数据及蒙皮信息都在这个mesh中。
所以，读取tiny.x文件后，会产生多个D3DXFRAME对象，但只有一个D3DXMESHCONTAINER对象。

在示例代码的CMyD3DApplication::InitDeviceObjects()中，有:
    hr = D3DXLoadMeshHierarchyFromX(strMeshPath, D3DXMESH_MANAGED, m_pd3dDevice, &Alloc, NULL, &m_pFrameRoot, &m_pAnimController);
    if (FAILED(hr))
        return hr;
其中的Alloc是就自定义的数据容器对象。m_pFrameRoot是根骨骼，对遍历很重要。m_pAnimController是动画控制器，对刷新矩阵很重要。

你在运行完这句话后，下一个断点，观察m_pFrameRoot，会发现如下内容：

m_pFrameRoot 0x00c59380 {Name=0x00c53630 "Scene_Root" .....} //根框架
  pMeshContainer 0x00000000 
pFrameSibling 0x00000000 
pFrameFirstChild 0x00c59428 {Name=0x00c53ca8 "body" pMeshContainer=0x00000000...}//子框架 骨骼body
   +---  pMeshContainer 0x00000000 
           +---  pFrameSibling  0x01419f00 {Name=0x00c5ffd8 "Box01" pMeshContainer=0x00000000 ...}//兄弟框架
      +---  pFrameFirstChild 0x00c594d0 {Name=0x00000000 pMeshContainer=0x00c59828 //子框架---该框架就是.x中含有唯一全局Mesh的无名框架

可见,在内存中的Frame布局是与.x中一一对应的。除了pFrameFirstChild 0x00c594d0这个地方的Frame中的pMeshContainer不为空，其它框架的这个mesh指针都是空值。
另外一点可以看出，并不是每个Frame都对就一块骨骼，有的是别的用途。也就是说Frame对象的个数可能多于骨骼数。

3.3 分析CAllocateHierarchy类
下面继续研究自定义数据容器CAllocateHierarchy，顾名思义，该类是在加载过程中自行分配层次数据空间。它有4个成员，都是重载D3D的接口虚函数。
它的成员CreateFrame()是用来创建D3DXFrame对象的，而CreateMeshContainer()是用来创建Mesh数据对象的。你可以在这两个函数中下断点，发现CreateFrame会运行多次，而CreateMeshContainer只运行一次，再次验证了上面的说法。

值得注意的是，示例对上面的D3DXFRAME，D3DXMESHCONTAINER两个结构做了扩展，分别代之以D3DXFRAME_DERIVED结构和D3DXMESHCONTAINER_DERIVED结构，以集中存储数据方便程序处理。

CreateFrame()处理比较简单，你只是new一个Frame对象空间，填入传进来的Name，其它内容由DX负责维护填充。

CreateMeshContainer()较为复杂。它的任务一是保存传入的网格数据数据，二是根据这些数据及蒙皮信息调用GenerateSkinnedMesh()函数生成蒙皮网格。只有这个新的BlendMesh才能在Render()时支持顶点混合，完成蒙皮的显示。在D3DXMESHCONTAINER_DERIVED结构中，用pOrigMesh保存旧的Mesh普通网格信息。而Meshdata.Mesh则指向新产生的BlendMesh

在这个函数中，多次用到了AddRef()，对COM不熟悉的新手容易困惑。D3D是COM组件，它在服务进程中运行，而不在当前的客户进程中。在DX组件运行过程中，要创建一系列接口对象，如CreateDevice()返回接口指针，这些接口及其占用内存什么时候释放，要通过“引用计数”的技术来解决。AddRef()给这个接口指针的计数加1，而Release()会将之减1。一旦减到0，表示没有客户使用了，相关的接口就释放了。 由此可知，每次调用Rlease()后，并不一定会释放内存，而是当引用计数归0时释放内存。
这样，对接口指针的使用，就像维护堆栈的平衡一样，要仔细，而且按照某种约定规则使用。

但平时D3D编程中，怎么不用AddRef()呢？这是由于一个接口指针，如ID3DDevice，或VertexBuf指针，都是D3DXCreate出来的,在Create时候，在内部已经事先AddRef()了，你就不需要再做这工作了。只要你在不用时，调用 p指针->Relase()就释放了。一般编程，特别是小型示例程序，都是初始化时建立一次，关闭时释放，都遵守了这种约定，所以不存在这种问题。

但在CreateMeshContainer()函数中，以多种方式使用了指针，在局部指针变量中来回传递，所以问题复杂化了。在COM编程中约定，任何时候地接口指针赋值(复制)，都要AddRef()，在指针变量结束生命期前，再Release(). 但许多程序员都不是严格这么做。因为在局部变量用完就废了，先AddRef()增加计数再Release()减少，和直接使用最后是等效的。几乎是多此一举。这与编程习惯有关系。一旦引用计数不对，如果没有统一的习惯，不好排查。在CreateMeshContainer()中，对接口指针的使用有三种方式，例举如下：

方式一：不使用AddRef()。和普通指针一样，临时变量是左值，接口指针是右值，直接赋值使用。如:
        pMesh = pMeshData->pMesh; 
        这是由于pMesh是局部变量，它只是临时引用一下，没必要为它先AddRef()，后Release()。

方式二：隐式的使用AddRef()。 由于用到了一些内部有AddRef()动作的函数，就要按照COM约定，在子程序结束前Release()
        pMesh->GetDevice(&pd3dDevice);//此处d3d设备引用计数已经加1
        ....
        SAFE_RELEASE(pd3dDevice);//--此处将引用计数减1，并不是真的释放d3d设备
        在本例中，pd3dDevice在GetDevice()中已经Addref()过了，所以，在退出CreateMeshContainer()前，必须pd3dDevice->Release()

方式三：显式的使用AddRef()。 如果一个指针值，不是由D3DXCreate出来的，而是通过赋值方式复制给一个全局变量或长期变量的。 所以，可以通过AddRef()的方式来延迟该对象的释放。因为，如果不AddRef()，极有可能在函数返回该对象就可能释放了。它就像一个加油站，使得传入对象的寿命延长至自己控制范围内。用了AddRef()，就要在相关的Destroy中添加Release()。

 在本函数，有三处这样的语句：
        pMeshContainer->MeshData.pMesh = pMesh;
        pMeshContainer->MeshData.Type = D3DXMESHTYPE_MESH;
        pMesh->AddRef();
         ....
        pMeshContainer->pSkinInfo = pSkinInfo;
        pSkinInfo->AddRef();

        pMeshContainer->pOrigMesh = pMesh;
        pMesh->AddRef();
         ....

        将来在DestroyMeshContainer()中，要释放这些指针：
        ....
        SAFE_RELEASE( pMeshContainer->MeshData.pMesh );
        SAFE_RELEASE( pMeshContainer->pSkinInfo );
        SAFE_RELEASE( pMeshContainer->pOrigMesh );

        由于这些指针值的创建、更改等都是用户自己经营的，所以务必要加前后吻合，在CreateMeshContainer()中AddRef()，在DestroyMeshContainer()中Release().

再来看数据的保存部分。
在CreateMeshContainer()的传入参数中，有pMeshData,pMaterials,pEffectInstances,NumMaterials,pAdjacency,pSkinInfo
你需要把这些数据保存到自己的D3DXMESHCONTAINER对象中。并且其中的所有数组所需的空间都要在全局堆中new出来。所以在该代码中，有如下new:
pMeshContainer = new D3DXMESHCONTAINER_DERIVED;//自定义的扩展数据容器对象
memset(pMeshContainer, 0, sizeof(D3DXMESHCONTAINER_DERIVED));//初始化pMeshContainer,清0
    ...
pMeshContainer->pMaterials = new D3DXMATERIAL[pMeshContainer->NumMaterials];//准备保存材质
pMeshContainer->ppTextures = new LPDIRECT3DTEXTURE9[pMeshContainer->NumMaterials];//准备创建纹理对象。它声明在扩展部分。
pMeshContainer->pAdjacency = new DWORD[NumFaces*3];//准备保存邻接三角形数组,NumFaces = pMesh->GetNumFaces();

然后，对数据进行memcpy保存。pEffectInstances由于在绘制中不需要，并没进行保存。对于没有贴图的赋以默认材质属性。
值得注意的是，所有这些new，必须在DestroyMeshContainer()时进行delete.

接下来的处理中，如果发现Mesh的FVF中没有法向量，要用CloneMeshFVF()重建Mesh，计算顶点平均法向量。以备光照处理。

最后，我们看看蒙皮信息pSkinInfo的处理。这是重头戏。
如果发现pSkinInfo!=NULL，就准备着手从各个蒙皮骨骼信息创建SkinMesh.
首先，用扩展容器结构D3DXMESHCONTAINER_DERIVED中的各属性保存原Mesh指针值，pMeshContainer->pOrigMesh = pMesh, 因为接下来我们要创建SkinMesh替代原Mesh.然后，把SkinInfo中的各骨骼的偏移矩阵保存到pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices中
      cBones = pSkinInfo->GetNumBones();
      pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices = new D3DXMATRIX[cBones];
      .....
     每个“骨骼偏移矩阵”pBoneOffsetMatrices,在将来DrawMeshContainer()中是必须要用的。因为原始Mesh中的顶点数据乘以“骨骼偏移矩阵”，再乘以“变换矩阵”，才能求得各骨骼顶点在世界坐标系中的坐标。 即： 
    骨骼上各点在世界坐标系中的新坐标=初始网格中的各点坐标*骨骼偏移矩阵*骨骼当前的变换矩阵
    其中，“初始网格中的各点坐标*骨骼偏移矩阵” = 骨骼上各点初始时刻在该骨骼坐标系中的局部坐标

做了以上工作后，调用GenerateSkinnedMesh(pMeshContainer)，创建SkinMesh. 接下来，我们看看GenerateSkinnedMesh()做了哪些工作。

3.4 怎样生成蒙皮网格SkinMesh? GenerateSkinnedMesh()分析

由于要重定义pMeshContainer->MeshData.pMesh，所以先SAFE_RELEASE( pMeshContainer->MeshData.pMesh ); 释放原pMesh

在这个函数中，是根据当前绘图方式设置进行加载数据的。因为顶点混合，有无索引的顶点混合，有含索引的顶点混合，所使用的函数和对应的SkinMesh数据内容也有所不同。
在示例中，自定义了枚举m_SkinningMethod，主要分为D3DNONINDEXED和D3DINDEXED，以有纯软件渲染等。运行示例后，你可以选择菜单中的Options选择不同的渲染方式。

我们着重分析一下带索引的蒙皮网格。在程序中，就是D3DINDEXED相关的部分。
if (m_SkinningMethod == D3DINDEXED){ ....}

注意! 示例默认工作在D3DNONINDEXED下,如果要跟踪D3DINDEXED部分的代码,必须选择菜单中的Options选择indexed!

最主要的，要通过DX的ConvertToIndexedBlendedMesh()函数，生成支持“索引顶点混合”的SkinMesh.有关索引顶点混合的技术，你可以在DXSDK帮助文件中搜索“Indexed Vertex Blending”主题，对着英文和插图将就看，确有收获。

要想用硬件对顶点进行混合，那么参与混合者不能太多。也就是说同时影响一个顶点的骨骼数不能多。我们假定一个顶点最多同时受4个骨骼的影响（也就是同时最多有4个骨骼矩阵参与加权求和），那么同时影响一个三角形面的骨骼数最多就是3*4=12个。
我们用NumMaxFaceInfl表示影响一个三角面的最多骨骼矩阵数，那么，通过调用pSkinInfo->GetMaxFaceInfluences()获取这个数值，一般也就3-4。如果这个数值太大，我们强制使用NumMaxFaceInfl = min(NumMaxFaceInfl, 12);来最多取值12。

用NumMaxFaceInfl 这个数值干什么呢？ 我们用来它分析当前的显卡倒底行不行。

if (m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex + 1 < NumMaxFaceInfl)//如果显卡达不到该要求
{
      //很奇怪。2005年底买的GeForce 6600GT显卡，竟然m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex=0, 不支持索引顶点混合！是驱动问题还是怎么了？
      //但它支持非索引混合。或者，也许要用HLSL支持混合。看起来，3D编程要多考虑。
       ..
      pMeshContainer->UseSoftwareVP = true;//用软件渲染顶点。显然不实用。
}
else
{
      pMeshContainer->NumPaletteEntries = min( ( m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex + 1 ) / 2, 
                                                     pMeshContainer->pSkinInfo->GetNumBones() );//--什么意思？
      pMeshContainer->UseSoftwareVP = false;//采用硬件顶点混合。
      Flags |= D3DXMESH_MANAGED;
}

[评论]在上面有一行代码:
     pMeshContainer->NumPaletteEntries = min( ( m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex + 1 ) / 2,pMeshContainer->pSkinInfo->GetNumBones() );
尽管作者加了大段注释，还是让人一头雾水。其实，我们做一个实验，反尔更能理解它的用途。
第一步，你在这句话后面下一个断点，看一下在你机器上这个数值。我的ATI 9550显卡机器上是19。比tiny.x中的骨骼数35少很多。
第二步，你将上面=右边瞎填一个大于4的数字，比如6。编译后照样运行。而且效果上几乎看不出任何差别。
为什么会这样呢？ 我们在绘制代码部分，看看这个数值起什么作用。
在DrawMeshContainer()代码中，我们查找D3DINDEXED相关的部分。在mesh各子集的DrawSubset()之前，有如下代码：
      for (iAttrib = 0; iAttrib < pMeshContainer->NumAttributeGroups; iAttrib++)
      {
                // first calculate all the world matrices
                for (iPaletteEntry = 0; iPaletteEntry < pMeshContainer->NumPaletteEntries; ++iPaletteEntry)
                {
                    iMatrixIndex = pBoneComb[iAttrib].BoneId[iPaletteEntry];
                    if (iMatrixIndex != UINT_MAX)
                    {
                        D3DXMatrixMultiply( &matTemp, &pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices[iMatrixIndex], pMeshContainer->ppBoneMatrixPtrs[iMatrixIndex] );
                        m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLDMATRIX( iPaletteEntry ), &matTemp );
                    }
                }
       ...
      }
下面仔细评估一下这些代码.
先注意看其中奇怪的D3DTS_WORLDMATRIX()宏，我们以前还没这样用过。它是做什么用的呢？通过查DXSDK帮助，我们在Geometry Blending主题中找到相关说明，并在"Indexed Vertex Blending"主题中给出了内部实现原理。原来，当你用m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_INDEXEDVERTEXBLENDENABLE, TRUE);开启了索引顶点混合后，在硬件上就启用了“palette of matrices”，即矩阵寄存器组，它最多支持同时256个索引。就像过去用256色调色板来表现彩色一样。D3DTS_WORLDMATRIX()宏就是有256-511这256个数表示矩阵索引号。

这些矩阵参与如下计算：

V最终顶点位置=V*M[索引值1]*权重1 + V*M[索引值2]*权重2 + ....+V*M[索引n]*(1-其它权重和)

这个公式的来源，相信大家在众多资料上见过，不赘述。 当然，我们也可以用程序完成这个蒙皮计算过程，但逐个读顶点却很麻烦。现在是由硬件代劳了。我们只设矩阵就行了。
我们用m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLDMATRIX( iPaletteEntry ), &matTemp );这种方式设定各索引对应的矩阵。

那么权重呢？我们怎么设？原来在上面所说的DX提供的ConvertToIndexedBlendedMesh()函数中，生成SkinMesh时，各网格顶点格式FVF已经有变化了，增加了新格式，D3DFVF_XYZB2，D3DFVF_LASTBETA_UBYTE4，用以记录顶点对应的权重值以及矩阵索引。如下
struct VERTEX
{
    float x,y,z;
    float weight;
    DWORD matrixIndices;
    float normal[3];
};
#define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZB2 | D3DFVF_LASTBETA_UBYTE4 |D3DFVF_NORMAL);

D3DFVF_LASTBETA_UBYTE4对应于DWORD数值，用于矩阵索引时，每个字节表示一个索引，最多可以允许4个索引，同时有4个矩阵参于该点的混合。如果一次绘制中涉及了9块骨骼矩阵，你可以把这9个矩阵全部用SetTransform设置到矩阵寄存器中，但每个顶点在渲染时，最多使用其中的4个。由此可知，pMeshContainer->NumPaletteEntries这个数值，确定了一趟DrawSubset绘制所用到的矩阵个数，个数越多，在一趟绘制中就可以纳入的更多顶点。所以，当我们减少pMeshContainer->NumPaletteEntries这个数值时，pMeshContainer->NumAttributeGroups数值就会增加。也就是说，一趟绘制中所允许涉及的骨骼数越少，那么子集的数量NumAttributeGroups就会增加，需要多绘几趟。
你可以在此下断点观察，当NumPaletteEntries=19时，NumAttributeGroups=3 当NumPaletteEntries=6时，NumAttributeGroups=12 当NumPaletteEntries=4时，NumAttributeGroups=31，几乎和无索引时的分组一样多了。

顶点中的权重weight存放了它当前骨骼的权重。（一个顶点对应的多个骨骼权重怎么存放？是不是在当前子集中有多个同样的顶点，权重不同，对应的矩阵索引不同，然后混合）

由上所述，ConvertToIndexedBlendedMesh()是一个很重要函数，由DX自动将Mesh顶点分组成多个子集，以便DrawSubset. 你必须把它的返回参数都记录下来，在绘制时使用。

 

四. 怎样绘制显示动画？

DrawFrame()用来绘制整个X框架。它遍历各个框架，找到Mesh不为空的进行绘制。（其实整个.x中通常只有一个不为空，见上文所述）
DrawMeshContainer()是绘制函数。

4.1 怎样开启顶点混合？
注意应用有关的Vertex Blending技术。如在索引方式的绘制中，
m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_VERTEXBLEND, pMeshContainer->NumInfl - 1);
其实是设定了D3DVBF_2WEIGHTS或D3DVBF_3WEIGHTS
注意要m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_INDEXEDVERTEXBLENDENABLE, TRUE);

4.2 矩阵的刷新：
首先，在FrameMove()调用m_pAnimController->SetTime()设置当前时间(或在DX9.0c中用AdvanceTime()设置时间差)，从而刷新各个pFrame->TransformationMatrix，即骨骼转换矩阵
其次，调用UpdateFrameMatrices()做乘法累积，计算出各骨骼坐标系到根世界转换矩阵。
最后，在绘制前，将该转换矩阵左乘偏移矩阵，得到最终的转换矩阵。
      D3DXMatrixMultiply( &matTemp, &pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices[iMatrixIndex], pMeshContainer->ppBoneMatrixPtrs[iMatrixIndex] );

由此可见，你如果注释掉了m_pAnimController->SetTime，画面肯定停了。

4.3 绘制输出 是在DrawMeshContainer()中，调用SkinMesh的DrawSubset进行绘制。一些细节内容如D3DTS_WORLDMATRIX(),在上面已经有说明，不再罗嗦。

 

4.4 关于示例中多种绘制方式分析
在示例中，用到了多种渲染方式，包括传统的非索引顶点混合，还有新兴的HLSL方式。而且我发现，ATI RADEON 9550 显卡MaxVertexBlendMatrixIndex=37，而价格更高的Gefoce 6600GT MaxVertexBlendMatrixIndex竟然为0，不支持index vertex blending！
所以，还是有必要分析一下该示例中各种vertex blending方式的处理，以便掌握多种绘制方式适应不同显卡。
经测试，示例中所涉及的多种方式，由慢到快，依次是以下几种：
    SOFTWARE,
    D3DNONINDEXED,
    D3DINDEXED,
    D3DINDEXEDVS,
    D3DINDEXEDHLSLVS,

从最慢的SW到最快的HLSL，大约相差20%，有时会大到40%。 差别不是特别悬殊的原因，主要是顶点混合并不是瓶颈。

关于顶点处理方式，是在创建D3D设备时指定的。共有三种方式：
   D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING 软件顶点运算  (简记 sw vp)
   D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING 硬件顶点运算。必须有这项才支持有HAL (简记 hw vp)
   D3DCREATE_MIXED_VERTEXPROCESSING 混合顶点运算，即硬件+软件 (简记 mixed vp)

一旦用D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING方式创建设备，就只能在硬件方式下进行顶点处理。如果调用m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)来切换到软件顶点处理，HRESULT会返回失败。
  所以，如果你对客户的显卡没有足够的信息，就用D3DCREATE_MIXED_VERTEXPROCESSING方式创建设备。它默认工作方式是HAL。一旦发现进行某种绘制时硬件能力不够，就可以调用调用m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)切换到软件模式。在示例中就是这么做的，启动示例后，运行在mixed模式下。

在Gefoce6600GT显卡中，由于D3DINDEXED方式不支持，采用了软件混合方式，在这种方式下速度甚至比SOFTWARE慢。HLSL还好，还是最快。

要确定设备的硬件顶点处理能力，可以参考D3DCAPS9结构的VertexProcessingCaps成员。可以获取下列属性
MaxActiveLights，MaxUserClipPlanes，MaxVertexBlendMatrices，MaxStreams，MaxVertexIndex
 

(1)D3DNONINDEXED方式：

首先看GenerateSkinnedMesh()中怎样创建蒙皮网格的。
这种方式下，用ConvertToBlendedMesh()建立蒙皮网格，而不是ConvertToIndexBlendedMesh()

为了绘制蒙皮，在这个函数中对Mesh各子集的顶点再次进行的分组。分组的标准是各顶点（或三角面）所涉及的骨骼矩阵个数不超过pMeshContainer->NumInfl个。(这个数字是由在ConvertToBlendedMesh()时，由参数pMaxFaceInfl返回的)。一个Mesh子集可能被拆开成多个分组。 最后，分组的属性保存在pBoneCombinationBuf中，如子集ID,该子集的各骨骼ID，起始三角面，三角面个数等供绘制时使用，分组的个数保存在pMeshContainer->NumAttributeGroups中。

接下来检查每个分组所涉及的骨骼数，是不是超过硬件允许的最大混合矩阵数---MaxVertexBlendMatrices。如果超过了就把所有分组截为两大部分，前一部分用硬件混合，后一部分采用软件混合。而且，一旦发现有需要软件混合，要采用CloneMeshFVF(D3DXMESH_SOFTWAREPROCESSING|...)的方式重新生成网格。

再来看绘制部分DrawMeshContainer()

用pBoneComb指向骨骼分组属性，扫描各分组。找出其中骨骼数满足硬件性能的用进行绘制。
然后开启软件顶点渲染m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)，对那些骨骼数超出硬件性能的进行绘制。
SetSoftwareVertexProcessing()需要当前d3d设备以D3DCREATE_MIXED_VERTEXPROCESSING方式创建。

(2)D3DINDEXED，这种方式上面分析过了，从略。用pMeshContainer->UseSoftwareVP表示是否采用软件绘制。
值得注意的是在这种方式下，一旦硬件性能不足，会彻底使用软件顶点渲染，而不是像上面一样拆为两部分。

(3)D3DINDEXEDVS，D3DINDEXEDHLSLVS
这种情况下使用了着色器和高级着色语言。超出本文主旨，讨论从略。

(4)SOFTWARE--软件方式？ 让人有些迷惑，与上面的m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)有何区别？

从代码看，这种方式下反而比较简单。GenerateSkinnedMesh()中，
先直接从原始Mesh克隆一个Mesh,然后读取它的材质属性数组。开辟一个空间m_pBoneMatrices，用以存放各块骨骼的转换矩阵。

在绘制时，从pMeshContainer中的变换矩阵乘以偏移矩阵，放在pBoneMatrices中。把这个矩阵数组，以原Mesh的顶点作为源顶点，以新克隆的MeshData.pMesh做为目标顶点，调用pSkinInfo->UpdateSkinnedMesh()，用软件方式计算各骨骼顶点的新位置(相当于软件计算方式蒙皮)。

然后调用MeshData.pMesh->DrawSubset()绘制。

可见，在SOFTWARE方式下，最终顶点的渲染还是HAL方式的，只不过蒙皮计算是由软件完成的。它和上面的m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)直接设置软件顶点渲染还是有区别的。