第十五章 Models
第十五章 Models
本章，主要讲解如何在应用程序中使用3D模型。将会集成一个第三方库用于导入多种类型的文件格式，并编写一组类函数用于在程序运行过程中表示3D模型。在学习过程上，你将会得到更多关于创建DirectX应用程序的实际动手经验。Motivation
到目前为止，已经编写了两个Direct3D应用程序，但是都是通过手动指定vertices和indices的方法，我们需要想想怎么使用一种更好的方法。显然，对于每一个渲染的object不能使用硬编码（hard-code）的方式（也就是手动的方法）。而是从一个美术设计师那里得到一些objects，这些objects通常是使用3D建模软件创建的，如Autodesk Maya或3D Studio Max。我们的任务主要是在程序运行时加载这些资源，并提取必要的数据渲染到屏幕上。当然，口头上说总是比实际作要容易。接下来几节将详细讲解一种使用3D模型的方法。Model File Formats
现在市面上已经存在了大量的文件格式用于存储3D模型，这些格式大致上可以分为三个类别：authoring formats（专用格式），game/graphics engine formats（游戏引擎使用的格式），interchage formats（可交换的格式）。
一个authoring format由某个建模软件所特有。比如，Autodesk Maya有两种专用的文件格式，Maya ASCII（.ma）和Maya Binary（.mb）。3D Studio Max则使用.3DS文件格式。这种格式一般都会包含一些该建模软件特有的数据，而这些数据不适用于游戏引擎。例如，Autodesk Maya文件中存储了最终模型每一步的创建记录，但是在渲染引擎中只需要最终的结果，并不需要这些记录。
一个game/graphics engine文件格式只包含从模型资源中提取出来的必需数据，而不包含建模软件特有的数据。另外，这种格式通常会针对具体的引擎进行优化。如果一个游戏工作室开发的引擎是提供给工作室之外的人员使用（比如，对于一个需要不断修改的游戏），需要公开该格式的相关文档或提供其他的支持，以便用户自己创建的资源可以被正确的读取。例如，Blizzard的Starcraft II格式MDX3（.m3）已经公开发布了，并为3D Studio Max提供了一个导入导出的插件。
第三种类型的interchange formats，包含了一组独立与3D建模软件和游戏引擎的文件格式。这种格式的目的是支持在各个不同的应用程序之间交换资源，也就是希望使用一种格式用于多个应用程序中。COLLADA（Collaborative Design Activity）格式可能是目前应用最广泛的interchange format，被各种建模工具和游戏引擎所支持。
还有一个问题需要考虑的是，并不是所有的格式都支持存储应用程序可能需要的数据。比如，Wavefront OBJ（.obj）格式是一个简单的并被广泛支持的文件格式，但是该格式无法存储动画数据。
The Content Pipeline
Content pipeline是处理模型asset的过程。在图形管线中，数据以primitives的形式输入并以pixels形式输出。在content管线中，由美术设计人员提供某种格式的assets文件作为数据的输出，然后输出一种在游戏中可以直接使用的assets文件。比如，把一个.obj格式的3D模型文件转换成游戏引擎使用的格式。但是与Direct3D图形管线不同的是，没有现成的content管线用于处理assets文件。需要自己创建一个这样的系统或者使用一个第三方的通用库。
通常情况下，在编译时通过content管线处理assets文件，并保存到当前所使用的游戏引擎格式的文件中。然后在运行时，加载具体游戏引擎格式的文件并使用相关的数据。另外，在运行时可以任意修改数据内容，但是也会带来相应的开销。一个游戏引擎通常不会支持同时在编译期和运行时调整assets，因为运行时与游戏的release版本相关太远。在本章，将会在运行时转换assets文件，但是把该系统应用于一个编译期content管线上是非常简单的。
The Open Asset Import Library
Open Asset Import Library提供了一个C++调用方式的API，用于导入各种各样的3D模型格式，并以一种完全一致的方式表示这些格式。表格15.1列出了该库所支持的一小部分格式。在Open Asset Import Library（aasimp）网站上可以查看完整的支持列表。
要在示例工程中使用这个库，首先把assimp库的开发包解压到 external 目录中，并在Library工程中添加相应的Include Directory和Library Directory。然后在Game工程或Library工程中添加对assimp.lib库的引用（或者创建一个完成独立的工程，用于创建一个编译期content管线）。Open Asset Import Library是以动态链接库（.dll）的形式发布的，并带有一个导入库文件assimp.lib，真正的API函数实现都包含在DLL文件中。因此，在启动应用程序之前需要把DLL文件拷贝到应用程序的输出目录中（也就是可执行文件的目录）。只需要一步简单的post-build event，就可以完成。如果你在配置工程时遇到了困难，可以查看本书配套网站上提供的完整工程代码。
What's in a Model?
那么3D模型中真正包含哪些数据呢？这个问题无法简单地回答，但是模型通常被描述为一组基本网格（mesh）。每一个mesh又由一组vertices，edges以及faces组成，用于描述一个3D object的形状。通过一组meshes定义一个模型，既可以把多个“子模型”看成一个个独立的模型，也可以作为一个整体。例如，可以通过一些独立的meshes描述一辆汽车，包括汽车底盘，车门以及4个轮子。其中车门可以由车轮和底盘变换得到，但是所有的objects在world space中有一个共用的坐标位置。此外，还可以针对每一个mesh使用不同的shader。比如，汽车底盘和车门可能会使用一种environment mapping effect，而车轮使用一种diffuse shader。一个模型中还可以包含一种shader的输入数据，也可以称之为模型材质。如果材质表示一种effect的实例，该effect中包含了shader的变量值，那么模型材质（至少部分材质）中就存储了这些变量的原始值。例如，一个模型材质中包含了用于渲染的shader的名称，以及一列用于shader constants初始值的name/value键值对。还可以包含一系列纹理引用（一个纹理引用就是一个指向某个纹理的文件名）或者内置纹理数据（直接在模型文件中存储实际的纹理数据）。但是，相对于引用纹理内置纹理并不常用，因为重复的内置纹理数据会浪费大量的内存。
列表15.1中列出了Model类的声明代码，可以使用该类定义一种模型。
列表15.1 The Model.h Header File
#pragma once
#include "Common.h"
namespace Library
{
class Game;
class Mesh;
class ModelMaterial;
class Model
{
public:
Model(Game& game, const std::string& filename, bool flipUVs = false);
~Model();
Game& GetGame();
bool HasMeshes() const;
bool HasMaterials() const;
const std::vector<Mesh*>& Meshes() const;
const std::vector<ModelMaterial*>& Materials() const;
private:
Model(const Model& rhs);
Model& operator=(const Model& rhs);
Game& mGame;
std::vector<Mesh*> mMeshes;
std::vector<ModelMaterial*> mMaterials;
};
}
在Model类的声明代码中，包含了用于存储Mesh和ModelMaterial objects的数组变量，以及一个成员变量对Game类的引用。需要的是，虽然在该类中包含了model material，但是模型材质主要用于描述模型中单个mesh的属性。因此多个meshes可以使用相同的模型材质。
Meshes
一个mesh至少包含一组verties，但是也可以包括indices，normals，tangents，binormals，textures coordinates以及vertex colors（其中，tangents，binormal主要用于法线纹理贴图中）。此外，一个mesh还可以引用一个模型材质。列表15.2列出了Mesh类的声明代码。列表15.2 The Mesh.h Header File
#pragma once
#include "Common.h"
struct aiMesh;
namespace Library
{
class Material;
class ModelMaterial;
class Mesh
{
friend class Model;
public:
Mesh(Model& model, ModelMaterial* material);
~Mesh();
Model& GetModel();
ModelMaterial* GetMaterial();
const std::string& Name() const;
const std::vector<XMFLOAT3>& Vertices() const;
const std::vector<XMFLOAT3>& Normals() const;
const std::vector<XMFLOAT3>& Tangents() const;
const std::vector<XMFLOAT3>& BiNormals() const;
const std::vector<std::vector<XMFLOAT3>*>& TextureCoordinates() const;
const std::vector<std::vector<XMFLOAT4>*>& VertexColors() const;
UINT FaceCount() const;
const std::vector<UINT>& Indices() const;
void CreateIndexBuffer(ID3D11Buffer** indexBuffer);
private:
Mesh(Model& model, aiMesh& mesh);
Mesh(const Mesh& rhs);
Mesh& operator=(const Mesh& rhs);
Model& mModel;
ModelMaterial* mMaterial;
std::string mName;
std::vector<XMFLOAT3> mVertices;
std::vector<XMFLOAT3> mNormals;
std::vector<XMFLOAT3> mTangents;
std::vector<XMFLOAT3> mBiNormals;
std::vector<std::vector<XMFLOAT3>*> mTextureCoordinates;
std::vector<std::vector<XMFLOAT4>*> mVertexColors;
UINT mFaceCount;
std::vector<UINT> mIndices;
};
}
Mesh类的声明代码中有一个aiMesh结构体的前向声明，并把该结构体类型用于Mesh类的私有构造的参数，该结构体是Open Asset Import Library中的mesh表示形式。之所以在构造函数中引用aiMesh对象，是因为Model类的实现代码中是在运行时使用Open Asset Import Library执行assets文件的转换。另外，该构造函数指定为私有的是为了保持Mesh类的接口不依赖于assimp库，意味着可以在别的地方引用Open Asset Import Library，而不会影响到应用程序的其他部分。如果要创建一个编译期的content管线，就需要重新引用assimp库。
Model Materials
3D模型系统中的最后一种类型是ModelMaterial类。与models和meshes一样，可以使用各种各样的表示方法描述一个模型的shader相关的数据和输入数据。ModelMaterial类中只包含一个name变量以及纹理列表的变量。其中，变量name表示渲染一个mesh使用的effect名称。比如，使用BasicEffect.fx文件时，model material的名称就是BasicEffect。纹理列表中存储了纹理文件名，而且在纹理容器中的每一个纹理文件名都对应该纹理的用途（纹理类型）。例如，map容器中的类型变量可以标识纹理为diffuse color纹理或specular纹理。其中TextureType枚举值定义了所有支持的纹理类型。
列表15.3中列出了ModelMaterial类的声明代码，以及枚举类型TextureType的枚举常量值。
列表15.3 The ModelMaterial.h Header File
#pragma once
#include "Common.h"
struct aiMaterial;
namespace Library
{
enum TextureType
{
TextureTypeDifffuse = 0,
TextureTypeSpecularMap,
TextureTypeAmbient,
TextureTypeEmissive,
TextureTypeHeightmap,
TextureTypeNormalMap,
TextureTypeSpecularPowerMap,
TextureTypeDisplacementMap,
TextureTypeLightMap,
TextureTypeEnd
};
class ModelMaterial
{
friend class Model;
public:
ModelMaterial(Model& model);
~ModelMaterial();
Model& GetModel();
const std::string& Name() const;
const std::map<TextureType, std::vector<std::wstring>*> Textures() const;
private:
static void InitializeTextureTypeMappings();
static std::map<TextureType, UINT> sTextureTypeMappings;
ModelMaterial(Model& model, aiMaterial* material);
ModelMaterial(const ModelMaterial& rhs);
ModelMaterial& operator=(const ModelMaterial& rhs);
Model& mModel;
std::string mName;
std::map<TextureType, std::vector<std::wstring>*> mTextures;
};
}