1. Renderer子系统

1.1 Node、Component/Drawable

1.1.1 基本概念

Component是绘制元件。Component接口定义了虚拟函数OnSceneSet()和OnMarkedDirty()。

Drawable是可见的绘制元件。StaticModel是从建模文件得到的模型。 它是可见的，从Drawable派生。Light是光照，是一种特殊的Drawable。Camera是摄像头，不可见，直接从Component派生。

每个Component实例都要绑到一个Node上，每个Node下的一组Component合作完成一个任务。Node的成员components_保存这组实例。

所有Node组成一棵树，Scene是Node树的根，它是一种特殊的Node。

DRAWABLE_TYPE 指定drawable的类型，在C++对象向上转型时使用。DRAWABLE_LIGHT是光照，DRAWABLE_GEOMETRY是其他一般类型。

Octant和Octree是特别为Drawable元件准备的，它们按照空间位置给Drawable实例分组。Drawable实例要放置在一个Octant空间中。Octant的成员drawables_保存从属于它的这组Drawable实例。

Octant（卦限）是数学中的一个基本概念。在空间立体几何中，由相互垂直的坐标轴X轴、Y轴、Z轴，把整个空间划分成八个部分，其中每一部分称为一个卦限(Octant)。

这里的Octant差不多也是这个意思。 Octant的成员children_是一个Octant数组。Octant是嵌套的，所有的Octant组成一棵树。Octree就是这棵树的根，它是一个特殊的Octant。

Octant的成员worldBoudingBox_指定一个长方体空间，Drawable的成员boundingBox也指定一个长方体空间。向Octant实例中加入Drawable实例时，根据它俩的相对大小和位置决定，是直接加到这个Octant，还是加到这个Octant的子Octant中。

下图描述了Node、Component和Octant的从属关系。

1.1.2 创建Octant

将Drawable绑到Octant时，是否需要创建Octant的规则如下图所示。（Octant的空间是三维的，这里画的是二维的，道理一样）。

• 图中浅绿色的四边形是当前Octant的空间。
• 如果Drawable在Octant的1/4空间（图中深绿的部分）中放不下，则加入当前Octant；
• 如果Drawable至少有部分在Octant的5/4空间（也就是淡黄色部分）的外面（也就是图中蓝色部分），则加入当前Octant；
• 其他情况，也就是Drawable在Octant的1/4空间放得下，并且不会伸到Octant的5/4空间的外面。这时需要创建子Octant，将Drawable加到子Octant中去。

创建子Octant的规则如下。

• 创建子Octant有8个卦限可选，用一个3bit数字表示8个卦限。Drawable的中心位置相对于Octant的中心位置（图中的Center点）决定使用哪个卦限，其中每个坐标轴的相对位置决定3bit中的1个bit。
• 子Octant的worldBoundingBox_指定为对应卦限的空间（相当于从当前Octant裁掉其他卦限）。
• 以上过程是嵌套的。如果Drawable实例的大小与子Octant相比还是小，则将再创建更第下一层的孙Octant。这个过程一直递归，直到得到大小合适的Octant。
• 一开始只有Octree这一个Octant，大小是((-1000, -1000, -1000)，(-1000, -1000, -1000))。加入若干Drawable后，就变成了一颗Octant树了。

1.1.3 创建Component/Drawable

Scene::CreateComponent()用于创建Component。这里以Drawable为例说明。Drawable实现了虚拟函数OnSceneSet()和OnMarkedDirty()，进行操作Octant相关操作。

• CreateComponent<Octree>()调用另一个没有模板参数的CreateComponent()，后者创建Component对象，并将它加入Node树。
• 在Drawable::OnSceneSet()中，得到Octant树的根节点Octree，使用它调用Octant::InsertDrawable()将Drawable找到合适的Octant节点。InsertDrawable()就是递归创建Octant实例的过程。
• 找到合适的Octant节点后，调用Octant::AddDrawable()将Drawable保存在Octant的成员drawables_中。

1.2 创建StaticModel元件

以Urho3D的例子StaticScene为例。

在StaticScene::Start()中，

• 创建Scene实例，这是Node树的根。
• 在Scene下创建Octree实例，也就是Octant树的根。
• 创建第一个子Node，在这个Node下创建一个Light元件。
• 创建第二个子Node，在这个Node下创建一组蘑菇3D图。蘑菇图是一个StaticModel元件，通过改变位置、方向生成一组图像。调用StaticModel::SetModel()从建模文件加载模型。
• 创建第三个子Node，在这个Node下创建Camera元件。

调用StaticScene::SetViewport()设置视口。

• 创建Viewport实例
• 调用Renderer::Setviewport()将Viewport实例保存在Renderer的成员viewports_中。

SourceBatch在它的成员geometry_中保存顶点数据。Drawable的成员batches_是一组SourceBatch实例。

调用StaticModel::SetModel()设置Model。

• 在ResetLodLevels()中，将Model的成员geometries_中的Geometry实例一一赋值给Drawable::batches_中的成员geometry_。

1.3 Renderer::Update()

Viewport负责将Scene，Camera和RenderPath组织在一起。

View与Viewport对等，它从Viewport分担了渲染的功能。调用Viewport::AllocateView()，可以从Viewport实例创建View实例。

Renderer持有一组Viewport/View实例，并将主要的渲染工作委托给View。

在Renderer::Update()中，从Renderer的成员viewports_创建View实例，保存在成员views_中。

• 在UpdateQueuedViewport()中，调用Viewport::AllocateView()创建View实例。
• 调用View::Update()收集Drawable及其包含的顶点数据。

1.3.1 View::Update()

View::Update()从Octant树收集Drawable实例，然后从它们创建BatchGroup实例，保存到BatchQueue中。后面就可以绘制这些BatchGroup实例了。

View::Update()的步骤如下图所示。

• 调用GetDrawable()得到符合条件的Drawable实例。
• 在GetBatches()中，先调用ProcessLights()处理光照，在调用G

1.3.2 View::GetDrawables()

View::GetDrawables()按照FrustumOctreeQuery指定的过滤条件查询Octant树中的所有Drawable实例，将结果保存在成员geometries_中，这是一个Drawable数组。

• 定义本地变量tempDrawable，这是一个Drawable数组。引用它构造FrustumOctreeQuery实例。
• 调用Octree::GetDrawable()，设置FrustumOctreeQuery实例。因为后者引用tempDrawable，所以实际上是设置tempDrawable。关于FrustumOctreeQuery，见下一节“Octree::GetDrawables()”的说明。
• 在工作队列中，调用CheckVisibilityWork()，遍历tempDrawable，设置View的成员sceneResults_，sceneResults_是一个以线程id为索引的PerThreadSceneResult数组。为了高效并行处理，每个工作线程将结果写入数组中属于自己的PerThreadSceneResult实例。
  • 将Drawable保存到PerThreadSceneResult的成员geometries_。其中Light被特殊处理，特别保存在成员lights_中。

• 遍历sceneResults_，将sceneResults的成员geometries_搬运到View的成员geometries_中，成员lights_搬运到View的成员geometries_。

1.3.3 Octree::GetDrawables()

Octree::GetDrawable()得到Octant树中的所有Drawable实例。

GetDrawable()调用GetDrawableInternal()。

• 调用OctreeQuery::TestOctant()，用与Octant有关的条件过滤Drawable实例
• 调用OctreeQuery::TestDrawable()，用与Drawable有关的条件过滤Drawable实例。

Octree::GetDrawable()的参数是一个OctreeQuery实例，找到的Drawable实例保存在它的成员result_中。

OctreeQuery是个查询接口，定义了TestDrawable()和TEstOctant()两个虚拟函数。FrustumOctreeQuery和BoxOctreeQuery则是这个接口的实现，它们实现不同的过滤方式。FrustumOctreeQuery使用摄像头的锥头体，就是Frustum，裁剪Drawable实例。

Frustum定义了锥头体，它的成员planes_指定6个面，成员vertices_指定8个顶点。BoudingBox是长方体，Sphere是球体。

1.3.4 View::ProcessLights()

LightQueryResult的成员包括一个Light实例light_，以及从属于它的一组Drawable实例litGeometries_。light_是光照，光照可以只应用于litGeometries_中的特定顶点，也可以应用于所有顶点。

View::ProcessLights()根据View的成员lights_将View::geometries_中的Drawable实例分组，保存到成员lightQueryResults_中，这是一组LightQueryResult实例。

• 将成员lightQueryResults_的大小设置为成员lights的大小。
• 在工作队列中调用ProcessLightWork()，将View::lights_中的实例一一传给它。ProcessLightWork用Light对View::geometries_作掩码检查，符合条件的Drawable实例保存到lightQueryResults_对应的实例中。
  • Light类型不同，则掩码检查的方式不同。Light类型可以是LIGHT_DIRECTIONAL、LIGHT_SPOT、LIGHT_POINT。

1.3.5 View::GetLightBatches()

Batch用于一次绘制操作的对象，从Drawable的成员batches_构造，batches_是一个SouceBatch数组。

BatchGroup从Batch构造，加入多实例化数据InstanceData。

BatchQueue保存一组BatchGroup,这是一个从BatchGroupKey到BatchGroup的映射。BatchGroupKey支持操作符 == 和 != ，所以可以用作映射的key。

LightBatchQueue包括与光照有关的几个BatchQueue，如litBaseBatches_和litBatches_。

View::GetLightBatches()遍历成员lightQueryResults_，对其中每个实例，又遍历LightQueryResult的成员litGeometries_。对其中保存的每个Drawable实例， 创建BatchGroup实例，保存到View::lightQueues_的成员litBaseBacthes_或litBatches_中。

• 将成员lightQueues_的大小设置成跟成员lightQuryResults_的大小一样。
• 遍历成员lightQueryResults_数组。对每一个LightQueryResult实例，
• 如果light_是应用于所有顶点，则设置成员中lightQueues_的一个实例。
  • 调用Drawable::AddLight()给Drawable对象设置光照。
  • 调用GetLitBatches()从Drawable构建LightBatchQueue实例。

GetLitBatches()的工作是：

• 遍历Drawable的成员batches。从这个SourceBatch实例，构建Batch实例，然后调用AdBatchToQueue()将它加入LightBatchQueue。Batch的成员isBase_表示加入LightBatchQueue的哪个队列，是litBaseBatches_，还是litBatches_。

AddBatchToQueue()的工作是：

• 从Batch构造BatchGroupKey实例，并在BatchQueue的成员batchGroups_中查询对应的BatchGroup实例。如果查不到，则从Batch创建新的BatchGroup实例。
• 调用BatchGroup::AddTransforms()，添加多实例数据，如Batch的成员worldTransform_包括的模型变换数据。

1.4 Renderer::Render()

Renderer::Render()遍历成员views_中的实例，调用View::Render()进行渲染。

而View::Render()主要调用View::UpdateGeometries()和View::ExecuteRenderPathCommand()。

1.4.1 View::UpdateGeometries()

UpdateGeometries()负责渲染前的准备工作。

• 在工作队列中调用SortLightQueueWork()，对View的成员lightQueues_中的每个元素排序。lightQueues_是LightBatchQueue数组，所以其实是对每个LightBatchQueue的成员litBatches_和litBaseBatches_分别排序。
• litBatches和litBaseBatches_是BatcheQueue数组，对它们依次调用Batch::SortFrontToBack()。BatchQueue的成员batchGroups_保存了用于渲染的BatchGroup实例。排序后，将结果保存在成员sortedBatchGroups_中。
  • 在SortFrontToBack()中，遍历batchGroups，将其中的BatchGroup实例挨个复制到sortedBatchGroups_中。然后调用SortFrontToBack2Pass()对sortedBatchGroups_排序。
  • 在SortFrontToBack2Pass()中，遍历sortedBatchGroups_，设置Batch实例的成员sortKey_的值。然后对sortedBatchGroups排序，排序基准是包括sortKey_在内的一组成员。

1.4.2 View::ExecuteRenderPathCommand()

URhoD将渲染过程组织成多条指令，也就是RenderPathCommand。

• 成员type_是指令类型。枚举类型RenderCommandType指定类型可选值，其中CMD_CLEAR是清理工作，CMD_FORWARDLIGHTS是绘制。
• 其他成员如vertexShaderName_、vertexShaderDefines_等是指令的参数。

RenderTargetInfo是渲染目标。RenderPath将RenderTargetInfo和RenderPathCommand组合在一起。

View::ExecuteRenderPathCommand()遍历成员renderPath_中的指令，根据指定类型分别处理。

这里处理CMD_FORWARDLIGHTS指令。

• 根据RenderPathCommn中的参数，调用SetRenderTarget()和SetTextures()进行设置。
• 遍历成员lightQueues_，对其中的LightBatchQueue实例依次调用BatchQueue::Draw()进行绘制。

1.4.3 BatchQueue::Draw()

BatchQueue::Draw()做真正的绘制工作。

• 遍历成员sortedBatcheGroups_，调用BatchGroup::Draw()绘制多实例化的顶点。
• 遍历成员sortedBatches_，调用Batch::Draw()绘制非实例化的顶点。

BatchGroup::Draw()的工作如下：

• 调用Batch::Prepare()。设置Shader和Program，Shader的参数、texture等。
• 调用Graphics::SetIndexBuffer()，其中调用glBindBuffer()绑定index buffer，也就是索引数据。
• 调用Graphics::SetVertexBuffer()，将顶点数据保存在Graphics的成员vertexBuffers_中。
• 遍历成员instances_。在循环中，先调用Graphics::SetShaderParameter()设置模型转换矩阵。
• 再调用Graphics::Draw()绘制。

这里的Graphics::Draw()使用glDrawElements()绘制。

1.5 数据流动

如下是按照以上渲染过程画的数据流动图。

相关链接
Urho3D 1.7.1 源代码分析 （一）
Urho3D 1.7.1 源代码分析 （二）
Urho3D 1.7.1 源代码分析 （三）
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Urho3D 1.7.1 源代码分析 （五）