Cocos2d-x 3D模型渲染

声明：本文使用的是cocos2d-x-3.17的代码

文章中的提到的测试代码下载地址https://gitee.com/Kyle12/Cocos2dRenderStudy

3D模型

Cocos2d支持渲染*.fbx和*.obj两种3D模型，*.obj模型可以直接渲染，*.fbx模型需要先使用官方的转换程序fbx-conv.exe转换成*.c3t或者*.c3b类型才能渲染。*.c3t是Json格式的文本文件可以使用记事本打开，*.c3b是二进制文件更省空间，处理速度也更快。这几种文件中只有*.c3t文件是文本文件，这里结合*.c3t文件分析一下3D模型。

以下是一个*.c3t文件，这里下载，可以先把文件的扩展名改成json，用notepad++打开:

文件由version、id、meshes、materials、nodes、animations组成。Meshes包含了顶点数据索引数据，materials包含了绘制使用的纹理，nodes包含了模型各个模块和骨架，animations是骨骼动画。Animations另外有文章讨论，先看meshes、materials、nodes。

对于一个3D模型可以包含很多模块，如下图是win10上“画图3D”程序制作3D模型，（注意“画图3D”程序生成的*.fbx模型，使用fbx-conv.exe程序转换时有bug,转换后的模型有时显示不正常）

这里面有3个模块，这3个模块构成了一个大的3D模型，每个模块我们可以调整位置和大小，为了更加方便的控制，每个模块都可以有自己的局部坐标系，模型会有一个大的全局坐标系。

Meshes

Meshes包含了模型的所有顶点数据vertices，顶点数据的属性(attributes)和各个模块(parts)的索引。以上面的3D绘图为例，vertices中会包含3个模块所有的点，parts中包含3组索引，代表三个模块。

materials

materials包含了模型中用到的纹理，只记录了纹理的文件名。这里面也会包含物体的光照材质、反光率、透明度等等，但Cocos2d-x 3.17中并没有使用这些参数。

nodes

nodes记录了整个模型的结构，如果使用了骨骼也会包含骨骼信息。以上面的3D绘图为例，首先有一个node节点，代表整个大的模型，它会有3个子node，代表3个模块。每个node里面都会有一个4*4矩阵用于坐标系变换

模型加载

模型的加载需要用到Bundle3D类，*.c3t文件加载后meshes对应meshdatas对象，materials对应MaterialDatas对象、nodes对应NodeDatas对象、animations对应Animation3Ddata对象，Animation3Ddata另外有文章讨论。另外三个对象数据结构如下：

其他类型的3D模型加载后也对应的是这三个对象，加载函数为Sprite3D::loadFromFile。

Mesh初始化

对于3D模型的绘制使用的是Sprite3D对象，Sprite3D对象包含了多个Mesh对象，最终模型的绘制由Mesh对象完成。加载后的模型数据meshdatas、MaterialDatas、NodeDatas可以用来创建Mesh对象，Mesh对象实现了3D模型的绘制。模型中每个模块需要创建一个Mesh，即NodeData中的每个modelNodeData都会创建一个Mesh。

顶点缓存和索引缓存

首先需要根据meshdatas创建顶点缓存MeshVertexData和索引缓存MeshIndexData，顶点缓存MeshVertexData中会包含多个索引缓存MeshIndexData，结构如下：

Mesh结构

Mesh中有一个对象Mesh:: _material对象中这个对象并不是MaterialDatas初始而来。MaterialDatas中只存储了纹理，也就是Mesh:: _textures。Mesh:: _material是一个Material类包含了所有mesh绘制的数据。

Material类内部包含了Technique数组，Technique中包含Pass数组，Pass里面有VertexAttribBinding，真正存储绘制数据的是VertexAttribBinding。VertexAttribBinding包含了绘制用的着色器程序GLProgramState，顶点索引缓存MeshVertexData。

Material类设计的很乱，很难从Technique类和Pass类看出类设计的目的，原本以为这两者是为了实现3D模型“换装”用的，但官方给的“换装”例子并没有使用这两个类实现。

模型绘制

3D模型绘制使用的是MeshCommand命令，MeshCommand命令可以直接使用顶点缓存索引缓存绘制，也可以使用Material类绘制。直接使用缓存绘制的方法请参考“Cocos2d-x 渲染器Renderer——MeshCommand”，这里主要是使用Material类绘制。

Material绘制3D模型

Material类包含了所有mesh绘制要使用的数据，绘制的时候只需一个Material对象就可以绘制，以下是MeshCommand中使用Material绘制的代码：

for(const auto& pass: _material->_currentTechnique->_passes)

{

pass->bind(_mv);

glDrawElements(_primitive, (GLsizei)_indexCount, _indexFormat, 0);

CC_INCREMENT_GL_DRAWN_BATCHES_AND_VERTICES(1, _indexCount);

pass->unbind();

}

Material类中有多个Technique，绘制时只会使用_currentTechnique，会对_currentTechnique中所有的pass类都执行一次绘制。

从代码中可以看出Cocos2d希望每个3D模块绘制都由一个Material对象控制，因为获取Material对象的函数Sprite3DMaterial::createBuiltInMaterial返回值是缓存Material对象的克隆值。Material对象克隆时会克隆所有的Technique对象，pass对象，pass对象中的的_glProgramState也会被克隆，这也可以说明pass对象中的的_glProgramState不是共享的，是对象单独所有的。pass->bind(_mv)使用的Pass::_glProgramState，而不是VertexAttribBinding::_glProgramState。

因为pass对象中的的_glProgramState是单独所有的，所以我们可以在生成MeshCommand命令时设置pass的_glProgramState中的uniform值，不会影响其他对象的绘制。

实际代码中Cocos2d-x 3.17中对这一块的代码设计的很糟糕，原因有以下几点：

pass绘制的顶点缓存和索引缓存来至VertexAttribBinding，所以绘制原本应该使用VertexAttribBinding:: _glProgramState，但实际上使用的是Pass::_glProgramState。
Pass::_glProgramState和VertexAttribBinding:: _glProgramState都是指针，他们指向的是同一个对象，这个一致是因为Mesh::setMaterial中的以下代码：
auto vertexAttribBinding = VertexAttribBinding::create(_meshIndexData, pass->getGLProgramState());
pass->setVertexAttribBinding(vertexAttribBinding);
这种方式并不能完全保证Pass::_glProgramState和VertexAttribBinding:: _glProgramState完全都是指向同一个对象。
Pass::_glProgramState是可以通过函数Pass::setGLProgramState随意设置的，而设置的_glProgramState并不能保证没有被共享。毕竟程序中还专门设计了GLProgramStateCache类共享GLProgramState。

系统预创建Material类型

Cocos2d-x定义了以下几种Material类型，由枚举MaterialType表示：
NLIT：不使用光照，使用纹理
UNLIT_NOTEX：不使用光照，也不使用纹理
DIFFUS：使用光照和纹理
DIFFUSE_NOTEX：使用光照，不使用纹理
BUMPED_DIFFUSE：使用光照，纹理，和凹凸纹理
CUSTOM：自定义类型
其中UNLIT、DIFFUSE、BUMPED_DIFFUSE还分是否使用蒙皮骨骼。

函数Sprite3DMaterial* Sprite3DMaterial::createBuiltInMaterial(MaterialType type, bool skinned)可以获取Material，type为Material类型，skinned为是否使用骨骼。

Material绘制步骤

创建顶点缓存和索引缓存，可使用模型加载的MeshDatas数据创建
创建Material对象，可以使用Sprite3DMaterial::createBuiltInMaterial函数创建
使用索引缓存创建VertexAttribBinding，并设置Material:: _techniques:: _passes的_vertexAttribBinding、
使用Material对象初始MeshCommand绘制命令
设置Material:: _techniques:: _passes中_glProgramState的Uniform值。
绘制出图形。

Material绘制完整例子：DrawModelScene.cpp/DrawModelScene.h，对应程序菜单“Test Draw 3D”->“Draw Model”

光照

以下是有光照和无光照对比

光照作用是使得3D物体看上去更加立体，光照也可以通过光的颜色改变物体颜色。

Cocos2d-x支持四种光源，四种光源以及对应的类是，环境光AmbientLight、方向光DirectionLight、点光源PointLight、聚光源SpotLight。

使用光照也很简单，光源类继承了Node类，只需要创建相应的光源对象，然后用AddChild加入到场景树的任意节点，绘制Sprite3D精灵时会自动使用场景树的节点。

执行的顺序如下图：

完整例子： SpriteLightScene.cpp/SpriteLightScene.h，对应程序菜单“Test Draw 3D”->“Sprite3D with Light”

动画部分的讲解：Cocos2d骨骼动画