wild magic3的Scene graph結構和Geometric State更新體系

剛看了《3D Game Engine Architecture》第3章“Scene graphs and renderers"的前兩節，很精彩，暫且不拿wild magic 3和其他引擎相比較，只是作為讀書筆記，記錄一下書中的核心內容。

我覺得第3章是此書的核心部分，全部內容就是scene graph的更新和渲染，其中第一節描述了wild magic3中的scene graph架構，第二節重點講解了scene grapha的Geometirc State 更新體系(updateGS)。

1）wild magic3 scene graphs

包括幾個核心類: Spatial, Node, Geometry
其中Spatial是Node和Geometry的父類，Spatial包含了local transform和world transform，以及world bound(世界空間的包圍體)。並且Spatial擁有上一層Spatial的指標(parent spatial)。

Node包含一組子節點（注意，子節點使用Spatial指標，而不是Node指標,因為子節點可能是Node也可能是Geometry,或者他們的子類），通過Spatial和Node組成了scene 的樹形結構。

而Geometry是有mesh的幾何實體，包括索引數組，模型空間的頂點數組，模型空間的法線數組，以及模型空間的包圍體，還有模型級的scale值。
同時他也是繼承自Spatial的，所以也可以變換，也被放置到scene grapha中，但是在wild magic3中，Geometry只能作為葉子節點（沒有子節點了，只有Node有子節點）

從這兒看，Node的作用就是一個group, Node不是實體，實體只能是葉子節點，一般是Node的子節點中有Geometry。
另外，對於共用模型資料，wild magic3是在low level實現的，即Geometry的子類可以共用模型資料。

2）wild magic3中的transform
Transformation 這個類，包含一個3X3 rotation matrix, 一個 vector3f translate,和一個vector3f表達的non-uniform scale。他為了減少計算量，沒有像irrlicht那樣直接用一個4X4 matrix。Transformation類中的Product(const Transformation& rkA, const Transformation& rkB)方法相當於矩陣相乘，用於在scene grapha更新時從上到下更新節點的世界變換。

3）wild magic3的geometric updates

為了方便看，把相關代碼列到一起

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:
        //省略其他資料，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主要做兩件事情，一是從上到下更新world transform，二是從下往上更新world bound。其中包圍體是要包括所有子節點的包圍體的，而只有Geometry類型的節點需要計算自己的包圍體（從頂點資料計算）。

wild magic3中，更新不是自動的，必須手工調用，而且要選擇從哪一個節點開始更新，一般是某節點需要更新(比如local transform變了）並且他上面沒有需要更新的父節點，那麼就要調用該節點的UpdateGS,這樣的節點有幾個就調用幾次UpdateGS。 UpdateGS裡面通過遍曆和遞迴，做了上面說的兩件事情。UpdateGS的參數bInitiator 表明這個node是更新的起點，只有這個node的UpdateGS裡面才會向上更新world bound volume直到root，而其他的node只會更新自己的world bound不會向上傳播，這是為了提高效率。（因為這是在transform和world bound更新完成之後才調用的，所以只要更新的起點node向上更新包圍體就足夠了，下層的node沒必要向上傳播，否則也是被覆蓋，浪費計算）

計算transform是在UpdateWorldData 裡面做的，對於spatial的UpdateWorldData，主要就是把自己的local transform和parent的world transform級聯起來，得到自己的world transform，但是這之前首先會使用controller進行更新，controller可能對transform系統產生影響也可能不影響，使用 controller時通過設定WorldIsCurrent來決定是否controller已經更新了world transform而不需要級聯的更新方式。（比如skin controller)。而另外一些controller如普通key frame和IK，只是改變了local transform，還是需要使用級聯的方式更新world transform的，他就不會設定WorldIsCurrent。另外一些controller沒有影響到transform，也不會設定 WorldIsCurrent，比如morphe controller,但是他需要調用Geometry的UpdateMS來更新模型的一些資料（ModelBound).
Geometry沒有override UpdateWorldData,所以和Spatial是一樣的。
Node 的UpdateWorldData裡面首先是直接調用了Spatial的UpdateWorldData來更新自己的world transform，然後對於他的所有子節點（Spitial，可能是Node或Geometry)遍曆調用UpdateGS（bInitiator參數為false，因為子節點肯定不需要傳播bound更新到root)。這就形成了UpdateGS的遞迴調用。這是一個深度優先的樹遍曆。樹的每一層都是先計算好自己的transform然後讓子節點去UpdateGS,所有子節點的調用都完成後才會計算自己的world bound，最終所有層次的UpdateGS都執行完畢，回到調用的起點節點那兒，接著執行那個節點的UpdateWorldBound。因為起始調用的節點的bInitiator是true,所以會執行PropagateBoundToRoot，向上更新world bound直到root。

更新UpdateWorldBound在spatial裡面是個純虛函數，Geometry的實現就是使用world transform變換model bound得到world bound，而Node裡面則是計算一個包含所有子節點的world bound的總包圍體。其中WorldBoundIsCurrent的作用是，當某個node的world bound可以通過其他途徑得到時避開正常的計算流程，比如一個房間是固定的可以預先計算好一個world bound不再改變，不管其中的子節點怎麼動怎麼變都不再計算這個房間的world bound了。

整個過程就是這樣的：
三個類（Spatial, Node, Geomotry）
三個主要函數(UpdateWorldData,UpdateWorldBound,以及PropagateBoundToRoot)
三個重要標誌的設定（UpdateGS的bInitiator參數，Spatial的成員WorldIsCurrent和WorldBoundIsCurrent）
node/spatial的遍曆，UpdateGS的遞迴
完成了world transform和world bound的更新。

另外UpdateBS是另外一個公開的介面，當model bound變化時，而transform沒變化時，就只要調用UpdateBS就可以了。