Libgdx New 3D API 教程之 -- 加载3D场景的背后-第二部分

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在本教程的第一部分，我们已经看过LibGDX 3D API中Model类的总体结构。在第2部分中，我们将会分析渲染管道，从加载模型开始，到真正的渲染模型。我们将不会在渲染管道的某个问题上进行深入探讨。我们只会介绍一些非常基本的内容，这是我觉得你使用3D API时，应该了解的。

　　在这一部分，我们要分析渲染究竟做了什么。明白我们在渲染时所做的事很重要。在前一部分本教程，我们已经看到，一个Model是由很多个Node组成，而Node由NodePart组成。一个NodePart是组成模型最小的部分，包含了所有在渲染时所需要的信息。它包含一个MeshPart，描述要渲染什么（形状）,它包含一个Material，描述应该如何渲染。阅读这一部分教程时，一定要记得这些概念。

　　我们以Loading a scene with Libgdx的教程为基础（参考译文：使用Libgdx加载3D场景）。我们需要拆开代码，来看一看场景后面的实际情况，因此，你可以需要备份，或复制一份以进行新的工作，这里给出参考代码：

1. public class SceneTest implements ApplicationListener {
2. public PerspectiveCamera cam;
3. public CameraInputController camController;
4. public ModelBatch modelBatch;
5. public AssetManager assets;
6. public Array<ModelInstance> instances = new Array<ModelInstance>();
7. public Lights lights;
8. public boolean loading;
10. public Array<ModelInstance> blocks = new Array<ModelInstance>();
11. public Array<ModelInstance> invaders = new Array<ModelInstance>();
12. public ModelInstance ship;
13. public ModelInstance space;
15. @Override
16. public void create () {
17. modelBatch = new ModelBatch();
18. lights = new Lights();
19. lights.ambientLight.set(0.4f, 0.4f, 0.4f, 1f);
20. lights.add(new DirectionalLight().set(0.8f, 0.8f, 0.8f, -1f, -0.8f, -0.2f));
22. cam = new PerspectiveCamera(67, Gdx.graphics.getWidth(), Gdx.graphics.getHeight());
23. cam.position.set(0f, 7f, 10f);
24. cam.lookAt(0,0,0);
25. cam.near = 0.1f;
26. cam.far = 300f;
27. cam.update();
29. camController = new CameraInputController(cam);
30. Gdx.input.setInputProcessor(camController);
32. assets = new AssetManager();
33. assets.load("data/invaders.g3db", Model.class);
34. loading = true;
35. }
37. private void doneLoading() {
38. Model model = assets.get("data/invaders.g3db", Model.class);
39. for (int i = 0; i < model.nodes.size; i++) {
40. String id = model.nodes.get(i).id;
41. ModelInstance instance = new ModelInstance(model, id);
42. Node node = instance.getNode(id);
44. instance.transform.set(node.globalTransform);
45. node.translation.set(0,0,0);
46. node.scale.set(1,1,1);
47. node.rotation.idt();
48. instance.calculateTransforms();
50. if (id.equals("space")) {
51. space = instance;
52. continue;
53. }
55. instances.add(instance);
57. if (id.equals("ship"))
58. ship = instance;
59. else if (id.startsWith("block"))
60. blocks.add(instance);
61. else if (id.startsWith("invader"))
62. invaders.add(instance);
63. }
65. loading = false;
66. }
68. @Override
69. public void render () {
70. if (loading && assets.update())
71. doneLoading();
72. camController.update();
74. Gdx.gl.glViewport(0, 0, Gdx.graphics.getWidth(), Gdx.graphics.getHeight());
75. Gdx.gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
77. modelBatch.begin(cam);
78. for (ModelInstance instance : instances)
79. modelBatch.render(instance, lights);
80. if (space != null)
81. modelBatch.render(space);
82. modelBatch.end();
83. }
85. @Override
86. public void dispose () {
87. modelBatch.dispose();
88. instances.clear();
89. assets.dispose();
90. }
92. @Override public void resume () {}
93. @Override public void resize (int width, int height) {}
94. @Override public void pause () {}
95. @Override public void dispose () {}
96. }

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　　在代码中，我们通过AssetManager来加载Model，在大多数情况下，这都是最好的办法。但有时，你可能需要对加载过程有更多的控制。所以，这次我们把AssetMnager删掉。

1. public class SceneTest implements ApplicationListener {
2. public PerspectiveCamera cam;
3. public CameraInputController camController;
4. public ModelBatch modelBatch;
5. public Model model;
6. public Array<ModelInstance> instances = new Array<ModelInstance>();
7. public Lights lights;
8. ...
10. @Override
11. public void create () {
12. ...
13. Gdx.input.setInputProcessor(camController);
15. ModelLoader modelLoader = new G3dModelLoader(new JsonReader());
16. ModelData modelData = modelLoader.loadModelData(Gdx.files.internal("data/invaders.g3dj"));
17. model = new Model(modelData, new TextureProvider.FileTextureProvider());
18. doneLoading();
19. }
21. private void doneLoading() {
22. for (int i = 0; i < model.nodes.size; i++) {
23. ...
24. }
25. }
27. @Override
28. public void render () {
29. camController.update();
30. ...
31. }
33. @Override
34. public void dispose () {
35. modelBatch.dispose();
36. instances.clear();
37. model.dispose();
38. }
39. ...
40. }

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　　我们删掉了AssetManager，并通过手动的方式来加载Model，所以，我们在Model加载完成后，调用了doneLoading()。我们这里还是调用了在之前教程中创建的invaders.g3dj，而不是invaders.g3db。所以，确保你把这个文件拷贝到了项目里的assets文件夹中。现在看一下加载部分代码：

1. ModelLoader modelLoader = new G3dModelLoader(new JsonReader());
2. ModelData modelData = modelLoader.loadModelData(Gdx.files.internal("data/invaders.g3dj"));
3. model = new Model(modelData, new TextureProvider.FileTextureProvider());

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　　我们创建了一个ModelLoader，这个在之前的使用Libgdx加载3D场景一讲中已经用到过。但我们不再使用ObjLoader，而是创建G3dModelLoader。我们传一个JsonReader参数给构造函数，因为invader.g3dj就是一个json文件。如果是g3db，那你可以使用UBJsonReader。

　　然后，加载ModelData。ModelData类中，包含了模型的原始数据，本质上，这个类与我们之前分析过的文件格式是一一对应的。它不含有任何源文件，如它有一个float数组来表示Mesh，用文件名来指定纹理，而不是包含文件本身。所以，现阶段，不管Model class，或其他资源文件如何，你都可以随意修改它。

　　结尾，在create()方法的最后一行，我们通过刚刚得到的ModelData，创建了一个Model对象。我们还传进去一个TextureProvider参数，我们要用它来加载纹理文件。想要更多的控制加载过程，你可以自己实现TextureProvider接口。如果通过AssetManager来加载模型，那加载纹理也可以通过AssetManager。现在Model和它的资源，如Meshes和Textures，都已经加载了。还有，Model也可用于最后的资源回收（disposing）。

　　现在来看看Materials怎么玩:

1. private void doneLoading() {
2. Material blockMaterial = model.getNode("block1").parts.get(0).material;
3. ColorAttribute colorAttribute = (ColorAttribute)blockMaterial.get(ColorAttribute.Diffuse);
4. colorAttribute.color.set(Color.YELLOW);
5. for (int i = 0; i < model.nodes.size; i++) {
6. ...
7. }
8. }

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　　第一行，我们得到了模型的block1节点（Node），这是我们已知的。得到它的第一个node-part，与它的material。我们在前几章看到过，这个material其实就是block_default1的一个引用，而它会被所有的block节点共享使用。所以，改变这个值，所有的block就都跟着变了。第二行，我们拿到material的Diffuse ColorAttribute，也是我们一早知道的。最后设置成黄色。

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2013-6-27 18:08:34 上传

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　　这看起来需要对模型文件有很详细的了解，让我们看看另一种方法：

1. private void doneLoading() {
2. Material blockMaterial = model.getMaterial("block_default1");
3. blockMaterial.set(ColorAttribute.createDiffuse(Color.YELLOW));
4. for (int i = 0; i < model.nodes.size; i++) {
5. ...
6. }
7. }

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　　同样的结果，但我们通过ID直接得到了material。并且，我们没有去得到当前的diffuse color值，而只是设置。这样，如果这个材质里没有这个属性，就添加上去，如果有，就覆盖。

　　改变模型材质，会影响到改变后创建的ModelInstance。你可以为每一个instance做改变：

1. private void doneLoading() {
2. for (int i = 0; i < model.nodes.size; i++) {
3. ...
4. }
5. for (ModelInstance block : blocks) {
6. float r = 0.5f + 0.5f * (float)Math.random();
7. float g = 0.5f + 0.5f * (float)Math.random();
8. float b = 0.5f + 0.5f * (float)Math.random();
9. block.materials.get(0).set(ColorAttribute.createDiffuse(r, g, b, 1));
10. }
11. }

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　　没有通过节点，也没有通过ID，我们只是拿到第一个材质，因为ModelInstance也需要指定一个Material:

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2013-6-27 18:08:36 上传

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　　之前，通过查看G3DJ文件，我们看过Model的结构了，现在来看看ModelInstance class.

1. public class ModelInstance implements RenderableProvider {
2. public final Array<Material> materials = new Array<Material>();
3. public final Array<Node> nodes = new Array<Node>();
4. public final Array<Animation> animations = new Array<Animation>();
5. public final Model model;
6. public Matrix4 transform;
7. public Object userData;
8. ...
9. }

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　　和Model差不多，它有Material，Node，和Animation的数组各一个。这些是在构建ModelInstance对象时，从Model对象中复制过来的，这样，你在改变ModelInstance的时候，不会影响到Model对象。若你在创建ModelInstances的时候，指定了Node ID，将仅有指定的material和animation，被复制到ModelInstance中，也仅作用于这一个ModelInstance对象。因此，好像我们已经创建的Block ModelInstance对象一样，我们知道，第一个material，只会对指定的block node有影响。

　　注意，与Model类不同的地方，ModelInstance不包括Mesh和MeshPart数组。这些没被复制过来，取而代之的是指定Node(NodePart)的引用。所以，Meshes中的信息是被多个Model Instances共享的。对于材质中可能包含的纹理也是这样。

　　在ModelInstance类中的Model，是在创建ModelInstance时建立的指向Model的一个引用。transform代表了这个ModelInstance的position(位置), rotation(旋转), 和scale(缩放)信息。这些知识，在之前加载场景的那一篇教程中都看过了。值得一提的是，这个值不是final的，所以，需要的话，你可以指定一个Matrix4引用。最后，userData是一个用户可以自定义的值，设置任何你想要的数据在这里。比如，你可以为你的shader放一些instructions.(我对shader不了解，不会译咯: supply extra instructions to your shader)。

　　ModelInstance是由RenderableProvider接口实现而来。当我们调用modelBatch.render(instance, lights)时，ModelBatch看的是这是不是一个RenderableProvider对象，而不是ModelInstance。任何一个继承于RenderableProvider的类，都可以提供可渲染的对象给ModelBatch。看一看 Renderable 类：

1. public class Renderable {
2. /** the model transform **/
3. public final Matrix4 worldTransform = new Matrix4();
4. /** the mesh to render **/
5. public Mesh mesh;
6. /** the offset into the mesh's indices **/
7. public int meshPartOffset;
8. /** the number of indices/vertices to use **/
9. public int meshPartSize;
10. /** the primitive type, encoded as an OpenGL constant, like {@link GL20#GL_TRIANGLES} **/
11. public int primitiveType;
12. /** the material to be applied to the mesh **/
13. public Material material;
14. /** the bones transformations used for skinning, or null if not applicable */
15. public Matrix4 bones[];
16. /** the lights to be used to render this Renderable, may be null **/
17. public Lights lights;
18. /** the Shader to be used to render this Renderable, may be null **/
19. public Shader shader;
20. /** user definable value. */
21. public Object userData;
22. }

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　　对比以前看到的NodePart，它是是一个模型最小的单位，描述了应该怎么渲染这个模型，模型含有一个MeshPart和一个Material。而Renderable对象，也有这三个值，同时，还定义了transform, lights, shader和userData。所以，当你调用ModelBatch.render(ModelInstance)时，这个ModelInstance中所有的node parts都会被转换成Renderable实例，并传送给ModelBatch. 我们手动实现一下：

1. public class RenderableTest implements ApplicationListener {
2. public PerspectiveCamera cam;
3. public CameraInputController camController;
4. public ModelBatch modelBatch;
5. public Model model;
6. public Lights lights;
7. public Renderable renderable;
9. @Override
10. public void create () {
11. ...
12. cam.position.set(2f, 2f, 2f);
13. ...
14. model = new Model(modelData, new TextureProvider.FileTextureProvider());
16. NodePart blockPart = model.getNode("ship").parts.get(0);
18. renderable = new Renderable();
19. renderable.mesh = blockPart.meshPart.mesh;
20. renderable.meshPartOffset = blockPart.meshPart.indexOffset;
21. renderable.meshPartSize = blockPart.meshPart.numVertices;
22. renderable.primitiveType = blockPart.meshPart.primitiveType;
23. renderable.material = blockPart.material;
24. renderable.lights = lights;
25. renderable.worldTransform.idt();
26. }
28. @Override
29. public void render () {
30. camController.update();
32. Gdx.gl.glViewport(0, 0, Gdx.graphics.getWidth(), Gdx.graphics.getHeight());
33. Gdx.gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
35. modelBatch.begin(cam);
36. modelBatch.render(renderable);
37. modelBatch.end();
38. }
40. @Override
41. public void dispose () {
42. modelBatch.dispose();
43. model.dispose();
44. }
45. ...
46. }

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　　这里，我们像以前一样，加载了，invaders.g3dj，但我们要取得ship节点的第一个NodePart。通过它，我们创建了一个Renderable对象，设定了一系列相应的值。同时我们设定了light，将worldTransform的位移设定回了原点。没有旋转，和缩放。我们移除了ModelInstances，取而代之的是，在render方法中，我们只将renderable对象，传给了ModelBatch。我把镜头向原点拉近了一些，可以看得清楚些。

<ignore_js_op>

2013-6-27 18:08:34 上传

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　　一个ModelInstance限制了它所包含的renderable对象，而ModelBatch负责渲染这些renderable对象。事实上，渲染还不是ModelBatch做的，它仅仅是将Renderable排个序，最优化Renderable的渲染顺序，然后将他们传给可渲染的shader。如果没指定，或者指定了不合适的shader，那ModelBatch会帮你创建一个。通过调用ShaderProvider来获得一个shader。这里我们暂时还不深入，但是你可以记下，你可以在创建ModelBatch时，指定你自己的ShaderProvider。

　　所以，我们知道了，Shader才是负责渲染Renderable对象的。它会负责一切渲染的工作，来呈现你的Renderable对象。叫法可能不同，建议称之为OpenGL ES 1.x shader。对于OpenGL ES 2.0来说，它还封装了一个ShaderProgram，并且对于不同的Renderable对象，可以设计相应的uniforms和attributes。

1. public class RenderableTest implements ApplicationListener {
2. public PerspectiveCamera cam;
3. public CameraInputController camController;
4. public Shader shader;
5. public RenderContext renderContext;
6. public Model model;
7. public Lights lights;
8. public Renderable renderable;
10. @Override
11. public void create () {
12. lights = new Lights();
13. ...
14. model = new Model(modelData, new TextureProvider.FileTextureProvider());
16. NodePart blockPart = model.getNode("ship").parts.get(0);
18. renderable = new Renderable();
19. renderable.mesh = blockPart.meshPart.mesh;
20. renderable.meshPartOffset = blockPart.meshPart.indexOffset;
21. renderable.meshPartSize = blockPart.meshPart.numVertices;
22. renderable.primitiveType = blockPart.meshPart.primitiveType;
23. renderable.material = blockPart.material;
24. renderable.lights = lights;
25. renderable.worldTransform.idt();
27. renderContext = new RenderContext(new DefaultTextureBinder(DefaultTextureBinder.WEIGHTED, 1));
28. shader = new DefaultShader(renderable.material,
29. renderable.mesh.getVertexAttributes(),
30. true, false, 1, 0, 0, 0);
31. shader.init();
32. }
34. @Override
35. public void render () {
36. camController.update();
38. Gdx.gl.glViewport(0, 0, Gdx.graphics.getWidth(), Gdx.graphics.getHeight());
39. Gdx.gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
41. renderContext.begin();
42. shader.begin(cam, renderContext);
43. shader.render(renderable);
44. shader.end();
45. renderContext.end();
46. }
48. @Override
49. public void dispose () {
50. shader.dispose();
51. model.dispose();
52. }
53. ...
54. }

复制代码

　　上面的代码中，我们删掉了ModelBatch, 并且添加了一个RenderContext和Shader。RenderContext保存了OpenGL的状态信息，从而避免了shader切换时的状态改变。例如，已经绑定了一个Texture，不用再次绑定了，我们使用一个包含了纹理绑定信息的DefaultTextureBinder来构造一个RenderContext，从而避免了再次绑定纹理。然后， 我们通过一些参数，如灯光什么的，新建一个shader作为DefaultShader。注意，DefaultShader是OpenGL ES 2.0的，所以你要启用你的GLES20，才能让这个有效。
在Render方法中，我们调用了renderContext.begin()，这可以保证context是在初始化的状态，然后，我们调用了shader.begin()来告诉shader，工作开始了，你需要做好渲染对象的准备。这会设置一些全局的uniforms，比如透视矩阵什么的。之后，使用shader来渲染renderable对象。最后调用shader.end()和renderContext.end()来结束渲染。

总结：

• ModelInstance包含了：一组nodes的复本、模型的材质。但比如Meshes和Textures，这些属性都只是那些资源的引用。
• ModelInstance会为自己包含的每一个NodePart创建Renderable实例。
• Renderable，是传给渲染管道的最小的渲染单位。
• ModelBatch保存了渲染每一个Renderable对象的Shader，将renderable对象排序，是为了最优化渲染顺序。
• Shader负责渲染Renderable对象。每多应用中，都要使用到多个shader，每个shader都负责一个唯一的ShaderProgram(GLSL program)。
• RenderContext是用来保存OpenGL 上下文的，比如纹理的绑定状态。

　　原文地址：http://blog.csdn.net/q26335804/article/details/9162461