计算机外设-第一章：模型从硬盘文件到显示器像素的全过程分析

引言

• 艺术家使用Blender、MAYA、3DS MAX等建模软件将设计好的模型导出为硬盘文件，而最终我们看到的模型是显示器上的像素，从硬盘文件到显示器像素，这其中究竟发生了什么？
  

• 本文主要对 “模型从硬盘文件到显示器像素” 的全过程进行理论分析，硬盘文件即艺术家导出的模型文件，显示器像素即显示器屏幕上显示模型的像素。

• 在第一小节中将对讨论分析硬盘模型文件所包含的数据内容，第二小节阐述第一小节中的内容如何存储到CPU中，第三小节讨论了Shader着色过程并展示了PBR GLSL和HLSL代码。

一、硬盘中的模型文件

• 当艺术家导出模型时需要选择文件格式，常见的模型文件格式有：FBX、GLTF、OBJ等，不同格式存储模型数据的方法大相径庭，同一格式也可能由于版本和形式不同导致存储的数据不同。例如GLTF具有1.0和2.0两个不同版本，FBX具有分离式和嵌入式两种不同形式。分离式和嵌入式是许多模型格式都具有的不同形式，分离式可以将模型的贴图分离到一个文件夹中存储，而嵌入式则会将贴图直接嵌入到模型文件中。下图展示了广泛使用的GLTF格式。
  

• 使用怎样的模型格式是一个值得考虑的问题，本文考虑到FBX和GLTF格式使用的广泛性，使用FBX和GLTF格式作为研究对象，为了能够直接查看和处理模型贴图，采用分离式FBX和GLTF。

（1）分离式模型文件

• 对于分离式模型文件，其存储的内容如下图所示。模型文件分为主文件和纹理文件夹，这是因为采用了分离式，所以纹理文件并不包含在模型主文件中。
  
• 纹理文件中存储了模型的一系列贴图，可能是JEPG、PNG和DSS等格式，纹理文件其实就是一个文件夹，打开后可以直接查看和修改其中的纹理图片。而模型主文件往往是代表整个模型的文件，比如分离式GLTF2.0的模型主文件是xxx.gltf，而FBX的模型主文件是xxx.fbx。
• 经典的GLTF2.0分离式模型文件如下图所示，其中textures文件夹保存了模型的纹理文件，而scene.gltf为模型主文件。当你使用建模软件或游戏引擎读取模型文件时，选择模型主文件即可代表整个模型文件。
  

（2）模型主文件

• 模型主文件存储的内容如下图所示。接下来将介绍顶点的几何数据、顶点几何数据与索引数据如何构成模型表面、如何通过材质或贴图为模型表面着色、如何使用骨骼动画驱动模型。
  

2.1 顶点几何与索引数据构成模型表面

• 顶点数据存储了一系列顶点，每个顶点具有自己的几何数据即：位置、法向量、纹理坐标、切线向量。
• 有了顶点要如何组成世界中的实体呢？答案是必须要将顶点连接起来，构成模型表面，这样才能作为世界中的实体被人们看到。游戏中常常使用三角形来构成模型表面，那么如何才能知道哪三个顶点构成一个三角形呢？我们可以将顶点按照构成三角形的集合依次排开，这样顶点数组中每三个顶点即对应一个三角形。
• 虽然上述方法能够解决问题，但它并不好，因为一个顶点可能会构成多个三角形，因此这种方法会造成一个顶点数据在数组中保存多次。考虑使用一个索引数组，每个索引可以获取到顶点数组中的对应顶点，每三个索引即可对应到一个三角形，这样使用相同的顶点时我们仅需指定相同的索引即可，而不用保存重复的顶点数据。当然构成模型表面的也可以是四边形，这称为模型的图元拓扑类型。
• 下图展示了如何由顶点构成模型表面。可以看到石头凸起的地方为顶点，多个顶点连接构成一个多边形面，多个面构成了物体表面。采用类似下图的多边形面数建模人物只能建出方块人，易知多边形的面数越多则其细节越丰富，但多边形数的增大会导致GPU计算量的越大，因此许多模型网站提供“低多边形”的模型分类，以此满足较低性能设备的开发需求。
  

2.2 通过材质或贴图为模型表面着色

• 由2.1中我们即可构建出模型的表面，我们平常在游戏中看到的模型就是通过许多个三角形构成的表面，那么如何才能为模型的表面上色呢？
• 方案一：采用纹理贴图。每个顶点具有一个纹理坐标，如果模型具有纹理贴图，查找顶点对应的纹理贴图在纹理坐标处的颜色值，将此颜色值作为此顶点的颜色，这样每一个顶点都具有了颜色。当显卡渲染物体表面时，每个顶点处的像素可直接使用顶点颜色，而顶点之间的像素使用数学插值的方法计算出一个颜色值，这样物体表面每一个像素都具有颜色了，即完成了模型表面的着色。当然，对于纹理坐标和纹理贴图等数据，由艺术家负责生成，我们只需使用即可。
• 方案二：采用材质数据。考虑不采用贴图，如果我们为每个顶点附带一个颜色值材质数据，以此指定顶点的颜色，那么也可以完成模型表面的着色。
• 虽然上述方案可以完成物体表面的着色，但是它的效果是非常差劲的，请回忆3A游戏的画面，其中模型表面的颜色并不是一成不变的，它会随着灯光和摄像机的视角发生改变，产生高光、阴影等许多效果。因此使用单一的颜色值直接着色是不可取的，除非如果你只是想画个白色方块。高级的着色效果如下图所示。
  
• Phong模型是一种来源于经验和直觉的着色模型，使用它计算顶点的最终颜色，即可让物体表面产生高光的效果。它的升级版着色模型是Blinn-Phong。目前实时渲染领域最为流行和逼真的着色模型为PBR模型，它是基于物理的渲染模型。后面我们会介绍PBR着色模型，现在你只需要知道PBR模型以基础颜色、金属度、粗糙度、自发光、环境光遮蔽等属性作为输入即可，通过这些属性，PBR着色模型就能计算出顶点的最终颜色。
• 互联网上许多模型都是使用PBR着色的，即模型的创作者在设计模型时就生成了顶点的基础颜色、金属度、粗糙度等信息，我们直接使用即可。类似于上述的两种着色方案，PBR需要的输入信息也可以保存在纹理贴图或材质中。艺术家可能在纹理文件中放置了基础颜色、金属度、粗糙度等贴图，这样在为顶点着色时根据其纹理坐标和各个贴图，即可获取顶点的基础颜色、金属度、粗糙度等属性，以此作为输入，即可计算出PBR模型下顶点的颜色。
• 艺术家也可以不生成模型贴图，而为每个顶点指定所用材质，不同材质有不同的基础颜色、金属度、粗糙度等属性，这时我们就需要直接根据顶点材质数据获取所需属性。

2.3 通过骨骼动画驱动模型

• 使用PBR着色模型我们能够渲染出类似上图球体的酷炫效果，但是如果整个3D场景一动不动，那么还有什么意思呢？简单的模型移动不能满足用户的需求，我们在游戏中常常会试图使用角色进行攻击、跳跃和躲避，只有实现这些功能才能使模型变得生动，那么该如何实现呢？
• 使用骨骼动画即可实现驱动模型的效果。考虑人体骨架，挥动我们的胳膊小臂，我们发现手会跟着运动，抬起我们的二头肌即胳膊大臂，我们发现小臂和手都跟着运动了。易知人体骨架其实是一种层次关联关系，当父对象运动时子对象也需要运动，以此保持父子的相对位置关系不变。
• 我们通常将人体骨架的盆骨作为根骨骼，一个标准的人体骨架如下图所示。
  
• 假设有一个骨骼数组int bone[BoneNum]，其中bone[i]表示第i块骨骼的父骨骼索引，据此我们就可以构建骨架的树状层次结构。每个骨骼都有一个至父矩阵，当骨骼乘以其至父矩阵后便能变换到其父骨骼空间中，因此根据bone和至父矩阵，我们要将一块骨骼如手变换至顶级坐标系时，就要先将其乘以至父矩阵变换到小臂坐标系中，再乘以小臂坐标系变换到大臂坐标系中，这样子对象就受到了父对象的影响，当大臂运动时，此计算机制将导致小臂、手随之运动。
• 当然骨架的根骨骼即盆骨是没有父对象的，因此其至父矩阵为单位矩阵，其他骨骼都需要一路至父变换到根骨骼。弄清楚了骨架之间如何实现父骨骼影响子骨骼，我们考虑如何变换顶点。模型中的骨骼是看不见的，显示器显示的是物体表面即顶点，那么如何让顶点随着骨骼运动呢？考虑胳膊肘处的顶点，它会随着小臂和大臂的移动而被拉伸即移动，因此顶点可能受到多块骨骼的影响（一般最多为四块），模型文件中记录了影响顶点的骨骼索引和权重数组，比如骨骼索引数组可能为：3 5 7 9，而权重数组可能为：0.1 0.3 0.4 0.2。每块骨骼具有一个偏移矩阵，受其影响的顶点乘以偏移矩阵即可变换到骨骼空间。每个顶点将位置以此乘以每个关联骨骼的最终变换矩阵及权重，再对其求和，即可计算出顶点的位置，以此实现骨骼动画。
• 若要使得骨架运动起来，还需要动画数据的配合才行。动画数据存储了每个骨骼的动画信息，每个骨骼的动画信息包括一系列的关键帧。当程序运行至时间t时，根据骨骼的动画信息插值得到t时刻变换矩阵，再将变换矩阵与其原本的至父矩阵相乘，作为其新的变换矩阵，即可实现骨骼动画。

二、CPU中的模型数据

• 根据第一节的内容，我们大概已经知道了模型文件中存储的所有信息，那么在将模型加载到CPU内存中后，应该存储哪些数据呢？CPU中的模型数据组织如下图所示。
  
• 可以看到CPU与硬盘中模型数据的组织方式大似相同，仅仅在某些地方有所区别。首先是CPU中模型不直接包含顶点数组，而是包含网格数组，每个网格拥有自己的顶点数组。其实无论是CPU中的模型还是硬盘中的模型，都会以网格作为包含顶点的父对象，这是因为同一模型不同部分引用的纹理贴图、材质很可能都不同，比如角色模型的眼睛和嘴巴定然使用不同的贴图，因此将其划分为两个不同的网格，每个网格拥有自己对应的贴图。前文硬盘中的模型内容没有提到网格，也只是为了简化模型文件的组织，方便提及重点。
• CPU中的模型包含多个网格，每个网格具有自己的顶点和索引数组，但CPU中的模型并未包含贴图数据，因为对于分离式模型文件而言，其贴图数据分离在外部纹理文件夹中，因此模型主文件指定网格纹理的方式是记录纹理的相对路径。当我们通过模型主文件时，我们会读取到每个网格使用的纹理的相对路径，因此CPU中的模型并未直接包含纹理数据。
• 由于模型的某一纹理可能被多个网格所使用，因此我们可以直接在模型层面定义一个纹理路径数组，存储所有纹理路径，而网格只需存储其纹理在数组中的索引即可。这就是为什么CPU中的模型包含一个纹理数组，而网格只需包含纹理索引。
• 对于具有骨骼动画的模型而言，模型还必须包含骨骼数据，它阐述了骨架的所有信息。当用户导入模型后，可能还会多次导入模型的动画文件，而这个动画文件也是以模型文件的形式表示的。虽然看似多余，但是动画文件必须包含所描述对象的骨骼信息，它还附带了每个骨骼的动画信息，为此我们可以将其动画信息附加到模型上，然后释放其内存。

三、GPU中的模型数据

• 为了使用GPU的高并行计算能力，我们使用GPU执行着色即Shader代码。对于程序而言，其控制流程是我们在CPU中实现的，可以将GPU视作一个计算器，在程序的每一次循环中，CPU使用3D图形API将Shader的输入绑定到GPU上，然后再调用渲染指令提交给GPU，这样GPU就会根据根据输入执行Shader代码，最终返回一个纹理表示渲染结果。
• 如果想了解PBR渲染，可以看我的这篇文章PBR渲染从理论到实现，其中包含了PBR GLSL着色器代码。
• 不同的3D图形API有不同的绑定和提交流程，介于OpenGL已经停止更新，这里介绍Direct3D12的相关流程。
• 使用PBR的HLSL Shader如下代码所示。

#include "PBR_Auxiliary.hlsl"

// Shader的输入-单个顶点的信息
struct VSIN
{
   
    
    float3 PosL : POSITION;				// 位置
    float3 Normal : NORMAL;				// 法向量
    float2 TexCoord : TEXCOORD;			// 纹理坐标
    float3 Tangent : TANGENT;			// 切线向量
    float3 BiTangent : BITANGENT;		// 副切线向量
    int4 BoneIds : BONEIDS;				// 顶点的骨骼索引数组
    float3 BoneWeights : BONEWEIGHTS;	// 顶点的骨骼权重数组
};

// 顶点着色器的输出
struct VSOUT
{
   
    
    float4 PosH : SV_POSITION;		// 顶点在裁剪空间的位置
    float4 PosW : POSITION;			// 顶点在世界空间的位置
    float3 NormalW : NORMAL;		// 顶点在世界空间的法向量
    float2 TexCoord : TEXCOORD;		// 顶点的纹理坐标
    float3 Tangent : TANGENT;		// 顶点的切线向量
    float3 BiTangent : BITANGENT;	// 顶点的副切线向量
};

// 常量缓冲区-顶点所属对象的世界变换矩阵及逆转置矩阵
cbuffer worldMatr : register(b0)
{
   
    
    float4x4 cWorld;
    float4x4 cInvTransWorld;
};

// 常量缓冲区-渲染过程数据
cbuffer commonData : register(b1)
{
   
    
    float4x4 cView;			// 观察矩阵
    float4x4 cInvView;		// 观察矩阵的逆矩阵
    float4x4 cProj;