wild magic3的Scene graph结构和Geometric State更新体系

刚看了《3D Game Engine Architecture》第3章“Scene graphs and renderers"的前两节，很精彩，暂且不拿wild magic 3和其他引擎相比较，只是作为读书笔记，记录一下书中的核心内容。

我觉得第3章是此书的核心部分，全部内容就是scene graph的更新和渲染，其中第一节描述了wild magic3中的scene graph架构，第二节重点讲解了scene grapha的Geometirc State 更新体系(updateGS)。

1）wild magic3 scene graphs

包括几个核心类: Spatial, Node, Geometry
其 中Spatial是Node和Geometry的父类，Spatial包含了local transform和world transform，以及world bound(世界空间的包围体)。并且Spatial拥有上一层Spatial的指针(parent spatial)。

Node包含一组子节点（注意，子节点使用Spatial指针，而不是Node指针,因为子节点可能是Node也可能是Geometry,或者他们的子类），通过Spatial和Node组成了scene 的树形结构。

而Geometry是有mesh的几何实体，包括索引数组，模型空间的顶点数组，模型空间的法线数组，以及模型空间的包围体，还有模型级的scale值。
同时他也是继承自Spatial的，所以也可以变换，也被放置到scene grapha中，但是在wild magic3中，Geometry只能作为叶子节点（没有子节点了，只有Node有子节点）

从这儿看，Node的作用就是一个group, Node不是实体，实体只能是叶子节点，一般是Node的子节点中有Geometry。
另外，对于共享模型数据，wild magic3是在low level实现的，即Geometry的子类可以共享模型数据。

2）wild magic3中的transform
Transformation 这个类，包含一个3X3 rotation matrix, 一个 vector3f translate,和一个vector3f表达的non-uniform scale。他为了减少计算量，没有像irrlicht那样直接用一个4X4 matrix。Transformation类中的Product(const Transformation& rkA, const Transformation& rkB)方法相当于矩阵相乘，用于在scene grapha更新时从上到下更新节点的世界变换。

3）wild magic3的geometric updates

为了方便看，把相关代码列到一起

class Spatial: public Object
{
public:
Transformation Local, World;
bool WorldIsCurrent;

BoundingVolumePtr WorldBound;
bool WorldBoundIsCurrent;

void UpdateGS(double dAppTime=-Mathd::MAX_REAL, bool bInitiator=true)
{
UpdateWorldData(dAppTime);
UpdateWorldBound();
if(bInitiator)
{
PropagateBoundToRoot();
}
}

void UpdateBS()
{
UpdateWorldBound();
PropagateBoundToRoot();
}

protected:
virtual void UpdateWorldData(double dAppTime)
{
UpdateControllers(dAppTime);//control可能直接修改local或world transform
if(!WorldIsCurrent)
{
if(m_pkParent)
World.Product(m_pkParent->World, Local);
else
World = Local;
}
}

virtual void UpdateWorldBound() = 0;

void PropagateBoundToRoot()
{
if(m_pkParent)
{
m_pkParent->UpdateWorldBound();
m_pkParent->PropagateBoundToRoot();
}
}
};

class Geometry: public Spatial
{
public:
//省略其他数据，如indices, vertices, normals..
BoundingVolumePtr ModelBound;

void UpdateMS();
protected:
virtual void UpdateModelBound();
virtual void UpdateModelNormals();
virtual void UpdateWorldBound()
{
ModelBound->TransformBy(World, WorldBound);
}
};

class Node: public Spatial
{
protected:
virtual void UpdateWorldData(double dAppTime)
{
Spatial::UpdateWorldData(dAppTimie);
for(int i=0; i
{
Spatial* pkChild = m_kChild[i];
if(pkChild)
pkChild->UpdateGS(dAppTime, false);
}
}

virtual void UpdateWorldBound()
{
if(!WorldBoundIsCurrent)
{
bool bFoundFirstBound = false;
for(int i=0; i
{
Sptial* pkChild = m_kChild[i];
if(pkChild)
{
if(bFoundFirstBound)
{
//Merge current world bound with child world bound
WorldBound->GrowToContain(pkChild->WorldBound);
}
else
{
//set world bound to first nonull child world bound
bFoundFirstBound = true;
WorldBound->CopyFrom(pkChild->WorldBound);
}
}
}
}
}
};

scene grapha的update主要做两件事情，一是从上到下更新world transform，二是从下往上更新world bound。其中包围体是要包括所有子节点的包围体的，而只有Geometry类型的节点需要计算自己的包围体（从顶点数据计算）。

wild magic3中，更新不是自动的，必须手工调用，而且要选择从哪一个节点开始更新，一般是某节点需要更新(比如local transform变了）并且他上面没有需要更新的父节点，那么就要调用该节点的UpdateGS,这样的节点有几个就调用几次UpdateGS。 UpdateGS里面通过遍历和递归，做了上面说的两件事情。UpdateGS的参数bInitiator 表明这个node是更新的起点，只有这个node的UpdateGS里面才会向上更新world bound volume直到root，而其他的node只会更新自己的world bound不会向上传播，这是为了提高效率。（因为这是在transform和world bound更新完成之后才调用的，所以只要更新的起点node向上更新包围体就足够了，下层的node没必要向上传播，否则也是被覆盖，浪费计算）

计算transform是在UpdateWorldData 里面做的，对于spatial的UpdateWorldData，主要就是把自己的local transform和parent的world transform级联起来，得到自己的world transform，但是这之前首先会使用controller进行更新，controller可能对transform系统产生影响也可能不影响，使用 controller时通过设置WorldIsCurrent来决定是否controller已经更新了world transform而不需要级联的更新方式。（比如skin controller)。而另外一些controller如普通key frame和IK，只是改变了local transform，还是需要使用级联的方式更新world transform的，他就不会设置WorldIsCurrent。另外一些controller没有影响到transform，也不会设置 WorldIsCurrent，比如morphe controller,但是他需要调用Geometry的UpdateMS来更新模型的一些数据（ModelBound).
Geometry没有override UpdateWorldData,所以和Spatial是一样的。
Node 的UpdateWorldData里面首先是直接调用了Spatial的UpdateWorldData来更新自己的world transform，然后对于他的所有子节点（Spitial，可能是Node或Geometry)遍历调用UpdateGS（bInitiator参数 为false，因为子节点肯定不需要传播bound更新到root)。这就形成了UpdateGS的递归调用。这是一个深度优先的树遍历。树的每一层都是 先计算好自己的transform然后让子节点去UpdateGS,所有子节点的调用都完成后才会计算自己的world bound，最终所有层次的UpdateGS都执行完毕，回到调用的起点节点那儿，接着执行那个节点的UpdateWorldBound。因为起始调用的 节点的bInitiator是true,所以会执行PropagateBoundToRoot，向上更新world bound直到root。

更 新UpdateWorldBound在spatial里面是个纯虚函数，Geometry的实现就是使用world transform变换model bound得到world bound，而Node里面则是计算一个包含所有子节点的world bound的总包围体。其中WorldBoundIsCurrent的作用是，当某个node的world bound可以通过其他途径得到时避开正常的计算流程，比如一个房间是固定的可以预先计算好一个world bound不再改变，不管其中的子节点怎么动怎么变都不再计算这个房间的world bound了。

整个过程就是这样的：
三个类（Spatial, Node, Geomotry）
三个主要函数(UpdateWorldData,UpdateWorldBound,以及PropagateBoundToRoot)
三个重要标志的设置（UpdateGS的bInitiator参数，Spatial的成员WorldIsCurrent和WorldBoundIsCurrent）
node/spatial的遍历，UpdateGS的递归
完成了world transform和world bound的更新。

另外UpdateBS是另外一个公开的接口，当model bound变化时，而transform没变化时，就只要调用UpdateBS就可以了。