关于骨骼动画及微软示例Skinned Mesh的解析（二）

3.3 分析CAllocateHierarchy类
下面继续研究自定义数据容器CAllocateHierarchy，顾名思义，该类是在加载过程中自行分配层次数据空间。它有4个成员，都是重载D3D的接口虚函数。
它的成员CreateFrame()是用来创建D3DXFrame对象的，而CreateMeshContainer()是用来创建Mesh数据对象的。你可以在这两个函数中下断点，发现CreateFrame会运行多次，而CreateMeshContainer只运行一次，再次验证了上面的说法。

值得注意的是，示例对上面的D3DXFRAME，D3DXMESHCONTAINER两个结构做了扩展，分别代之以D3DXFRAME_DERIVED结构和D3DXMESHCONTAINER_DERIVED结构，以集中存储数据方便程序处理。

CreateFrame()处理比较简单，你只是new一个Frame对象空间，填入传进来的Name，其它内容由DX负责维护填充。

CreateMeshContainer()较为复杂。它的任务一是保存传入的网格数据数据，二是根据这些数据及蒙皮信息调用 GenerateSkinnedMesh()函数生成蒙皮网格。只有这个新的BlendMesh才能在Render()时支持顶点混合，完成蒙皮的显示。在D3DXMESHCONTAINER_DERIVED结构中，用pOrigMesh保存旧的Mesh普通网格信息。而Meshdata.Mesh则指向新产生的BlendMesh

在这个函数中，多次用到了AddRef()，对COM不熟悉的新手容易困惑。D3D是 COM组件，它在服务进程中运行，而不在当前的客户进程中。在DX组件运行过程中，要创建一系列接口对象，如CreateDevice()返回接口指针，这些接口及其占用内存什么时候释放，要通过“引用计数”的技术来解决。AddRef()给这个接口指针的计数加1，而Release()会将之减1。一旦减到0，表示没有客户使用了，相关的接口就释放了。 由此可知，每次调用Rlease()后，并不一定会释放内存，而是当引用计数归0时释放内存。
这样，对接口指针的使用，就像维护堆栈的平衡一样，要仔细，而且按照某种约定规则使用。

但平时D3D编程中，怎么不用AddRef()呢？这是由于一个接口指针，如ID3DDevice，或VertexBuf指针，都是 D3DXCreate出来的,在Create时候，在内部已经事先AddRef()了，你就不需要再做这工作了。只要你在不用时，调用 p指针 ->Relase()就释放了。一般编程，特别是小型示例程序，都是初始化时建立一次，关闭时释放，都遵守了这种约定，所以不存在这种问题。

但在CreateMeshContainer()函数中，以多种方式使用了指针，在局部指针变量中来回传递，所以问题复杂化了。在COM编程中约定，任何时候地接口指针赋值(复制)，都要AddRef()，在指针变量结束生命期前，再Release(). 但许多程序员都不是严格这么做。因为在局部变量用完就废了，先AddRef()增加计数再Release()减少，和直接使用最后是等效的。几乎是多此一举。这与编程习惯有关系。一旦引用计数不对，如果没有统一的习惯，不好排查。在CreateMeshContainer()中，对接口指针的使用有三种方式，例举如下：

方式一：不使用AddRef()。和普通指针一样，临时变量是左值，接口指针是右值，直接赋值使用。如:
pMesh = pMeshData->pMesh;
这是由于pMesh是局部变量，它只是临时引用一下，没必要为它先AddRef()，后Release()。

方式二：隐式的使用AddRef()。 由于用到了一些内部有AddRef()动作的函数，就要按照COM约定，在子程序结束前Release()
pMesh->GetDevice(&pd3dDevice);//此处d3d设备引用计数已经加1
....
SAFE_RELEASE(pd3dDevice);//--此处将引用计数减1，并不是真的释放d3d设备
在本例中，pd3dDevice在GetDevice()中已经Addref()过了，所以，在退出CreateMeshContainer()前，必须pd3dDevice->Release()

方式三：显式的使用AddRef()。 如果一个指针值，不是由D3DXCreate出来的，而是通过赋值方式复制给一个全局变量或长期变量的。 所以，可以通过AddRef()的方式来延迟该对象的释放。因为，如果不AddRef()，极有可能在函数返回该对象就可能释放了。它就像一个加油站，使得传入对象的寿命延长至自己控制范围内。用了AddRef()，就要在相关的Destroy中添加Release()。

在本函数，有三处这样的语句：
pMeshContainer->MeshData.pMesh = pMesh;
pMeshContainer->MeshData.Type = D3DXMESHTYPE_MESH;
pMesh->AddRef();
....
pMeshContainer->pSkinInfo = pSkinInfo;
pSkinInfo->AddRef();

pMeshContainer->pOrigMesh = pMesh;
pMesh->AddRef();
....

将来在DestroyMeshContainer()中，要释放这些指针：
....
SAFE_RELEASE( pMeshContainer->MeshData.pMesh );
SAFE_RELEASE( pMeshContainer->pSkinInfo );
SAFE_RELEASE( pMeshContainer->pOrigMesh );

由于这些指针值的创建、更改等都是用户自己经营的，所以务必要加前后吻合，在CreateMeshContainer()中AddRef()，在DestroyMeshContainer()中Release().


再来看数据的保存部分。
在CreateMeshContainer()的传入参数中，有pMeshData,pMaterials,pEffectInstances,NumMaterials,pAdjacency,pSkinInfo
你需要把这些数据保存到自己的D3DXMESHCONTAINER对象中。并且其中的所有数组所需的空间都要在全局堆中new出来。所以在该代码中，有如下new:
pMeshContainer = new D3DXMESHCONTAINER_DERIVED;//自定义的扩展数据容器对象
memset(pMeshContainer, 0, sizeof(D3DXMESHCONTAINER_DERIVED));//初始化pMeshContainer,清0
...
pMeshContainer->pMaterials = new D3DXMATERIAL[pMeshContainer->NumMaterials];//准备保存材质
pMeshContainer->ppTextures = new LPDIRECT3DTEXTURE9[pMeshContainer->NumMaterials];//准备创建纹理对象。它声明在扩展部分。
pMeshContainer->pAdjacency = new DWORD[NumFaces*3];//准备保存邻接三角形数组,NumFaces = pMesh->GetNumFaces();

然后，对数据进行memcpy保存。pEffectInstances由于在绘制中不需要，并没进行保存。对于没有贴图的赋以默认材质属性。
值得注意的是，所有这些new，必须在DestroyMeshContainer()时进行delete.

接下来的处理中，如果发现Mesh的FVF中没有法向量，要用CloneMeshFVF()重建Mesh，计算顶点平均法向量。以备光照处理。

最后，我们看看蒙皮信息pSkinInfo的处理。这是重头戏。
如果发现pSkinInfo!=NULL，就准备着手从各个蒙皮骨骼信息创建SkinMesh.
首先，用扩展容器结构D3DXMESHCONTAINER_DERIVED中的各属性保存原Mesh指针值，pMeshContainer->pOrigMesh = pMesh, 因为接下来我们要创建SkinMesh替代原Mesh.然后，把 SkinInfo中的各骨骼的偏移矩阵保存到pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices中
cBones = pSkinInfo->GetNumBones();
pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices = new D3DXMATRIX[cBones];
.....
每个“骨骼偏移矩阵”pBoneOffsetMatrices,在将来DrawMeshContainer()中是必须要用的。因为原始Mesh中的顶点数据乘以“骨骼偏移矩阵”，再乘以“变换矩阵”，才能求得各骨骼顶点在世界坐标系中的坐标。 即：
骨骼上各点在世界坐标系中的新坐标=初始网格中的各点坐标*骨骼偏移矩阵*骨骼当前的变换矩阵
其中，“初始网格中的各点坐标*骨骼偏移矩阵” = 骨骼上各点初始时刻在该骨骼坐标系中的局部坐标

做了以上工作后，调用GenerateSkinnedMesh(pMeshContainer)，创建SkinMesh. 接下来，我们看看GenerateSkinnedMesh()做了哪些工作。

3.4 怎样生成蒙皮网格SkinMesh? GenerateSkinnedMesh()分析

由于要重定义pMeshContainer->MeshData.pMesh，所以先SAFE_RELEASE( pMeshContainer->MeshData.pMesh ); 释放原pMesh

在这个函数中，是根据当前绘图方式设置进行加载数据的。因为顶点混合，有无索引的顶点混合，有含索引的顶点混合，所使用的函数和对应的SkinMesh数据内容也有所不同。
在示例中，自定义了枚举m_SkinningMethod，主要分为D3DNONINDEXED和D3DINDEXED，以有纯软件渲染等。运行示例后，你可以选择菜单中的Options选择不同的渲染方式。

我们着重分析一下带索引的蒙皮网格。在程序中，就是D3DINDEXED相关的部分。
if (m_SkinningMethod == D3DINDEXED){ ....}

注意! 示例默认工作在D3DNONINDEXED下,如果要跟踪D3DINDEXED部分的代码,必须选择菜单中的Options选择indexed!


最主要的，要通过DX的ConvertToIndexedBlendedMesh()函数，生成支持“索引顶点混合”的SkinMesh. 有关索引顶点混合的技术，你可以在DXSDK帮助文件中搜索“Indexed Vertex Blending”主题，对着英文和插图将就看，确有收获。

要想用硬件对顶点进行混合，那么参与混合者不能太多。也就是说同时影响一个顶点的骨骼数不能多。我们假定一个顶点最多同时受4个骨骼的影响（也就是同时最多有4个骨骼矩阵参与加权求和），那么同时影响一个三角形面的骨骼数最多就是3*4=12个。
我们用NumMaxFaceInfl表示影响一个三角面的最多骨骼矩阵数，那么，通过调用 pSkinInfo->GetMaxFaceInfluences()获取这个数值，一般也就3-4。如果这个数值太大，我们强制使用 NumMaxFaceInfl = min(NumMaxFaceInfl, 12);来最多取值12。

用NumMaxFaceInfl 这个数值干什么呢？ 我们用来它分析当前的显卡倒底行不行。

if (m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex + 1 < NumMaxFaceInfl)//如果显卡达不到该要求
{
//很奇怪。2005年底买的GeForce 6600GT显卡，竟然m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex=0, 不支持索引顶点混合！是驱动问题还是怎么了？
//但它支持非索引混合。或者，也许要用HLSL支持混合。看起来，3D编程要多考虑。
..
pMeshContainer->UseSoftwareVP = true;//用软件渲染顶点。显然不实用。
}
else
{
pMeshContainer->NumPaletteEntries = min( ( m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex + 1 ) / 2,
pMeshContainer->pSkinInfo->GetNumBones() );//--什么意思？
pMeshContainer->UseSoftwareVP = false;//采用硬件顶点混合。
Flags |= D3DXMESH_MANAGED;
}

[评论]在上面有一行代码:
pMeshContainer->NumPaletteEntries = min( ( m_d3dCaps.MaxVertexBlendMatrixIndex + 1 ) / 2,pMeshContainer->pSkinInfo->GetNumBones() );
尽管作者加了大段注释，还是让人一头雾水。其实，我们做一个实验，反尔更能理解它的用途。
第一步，你在这句话后面下一个断点，看一下在你机器上这个数值。我的ATI 9550显卡机器上是19。比tiny.x中的骨骼数35少很多。
第二步，你将上面=右边瞎填一个大于4的数字，比如6。编译后照样运行。而且效果上几乎看不出任何差别。
为什么会这样呢？ 我们在绘制代码部分，看看这个数值起什么作用。
在DrawMeshContainer()代码中，我们查找D3DINDEXED相关的部分。在mesh各子集的DrawSubset()之前，有如下代码：
for (iAttrib = 0; iAttrib < pMeshContainer->NumAttributeGroups; iAttrib++)
{
// first calculate all the world matrices
for (iPaletteEntry = 0; iPaletteEntry < pMeshContainer->NumPaletteEntries; ++iPaletteEntry)
{
iMatrixIndex = pBoneComb[iAttrib].BoneId[iPaletteEntry];
if (iMatrixIndex != UINT_MAX)
{
D3DXMatrixMultiply( &matTemp, &pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices[iMatrixIndex], pMeshContainer->ppBoneMatrixPtrs[iMatrixIndex] );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLDMATRIX( iPaletteEntry ), &matTemp );
}
}
...
}
下面仔细评估一下这些代码.
先注意看其中奇怪的D3DTS_WORLDMATRIX()宏，我们以前还没这样用过。它是做什么用的呢？通过查DXSDK帮助，我们在 Geometry Blending主题中找到相关说明，并在"Indexed Vertex Blending"主题中给出了内部实现原理。原来，当你用m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_INDEXEDVERTEXBLENDENABLE, TRUE);开启了索引顶点混合后，在硬件上就启用了“palette of matrices”，即矩阵寄存器组，它最多支持同时256个索引。就像过去用256色调色板来表现彩色一样。D3DTS_WORLDMATRIX()宏就是有256-511这256个数表示矩阵索引号。

这些矩阵参与如下计算：

V最终顶点位置=V*M[索引值1]*权重1 + V*M[索引值2]*权重2 + ....+V*M[索引n]*(1-其它权重和)

这个公式的来源，相信大家在众多资料上见过，不赘述。 当然，我们也可以用程序完成这个蒙皮计算过程，但逐个读顶点却很麻烦。现在是由硬件代劳了。我们只设矩阵就行了。
我们用m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLDMATRIX( iPaletteEntry ), &matTemp );这种方式设定各索引对应的矩阵。

那么权重呢？我们怎么设？原来在上面所说的DX提供的ConvertToIndexedBlendedMesh()函数中，生成SkinMesh 时，各网格顶点格式FVF已经有变化了，增加了新格式，D3DFVF_XYZB2，D3DFVF_LASTBETA_UBYTE4，用以记录顶点对应的权重值以及矩阵索引。如下
struct VERTEX
{
float x,y,z;
float weight;
DWORD matrixIndices;
float normal[3];
};
#define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZB2 | D3DFVF_LASTBETA_UBYTE4 |D3DFVF_NORMAL);

D3DFVF_LASTBETA_UBYTE4对应于DWORD数值，用于矩阵索引时，每个字节表示一个索引，最多可以允许4个索引，同时有4个矩阵参于该点的混合。如果一次绘制中涉及了9块骨骼矩阵，你可以把这9个矩阵全部用SetTransform设置到矩阵寄存器中，但每个顶点在渲染时，最多使用其中的4个。由此可知，pMeshContainer->NumPaletteEntries这个数值，确定了一趟DrawSubset绘制所用到的矩阵个数，个数越多，在一趟绘制中就可以纳入的更多顶点。所以，当我们减少 pMeshContainer->NumPaletteEntries这个数值时，pMeshContainer->NumAttributeGroups数值就会增加。也就是说，一趟绘制中所允许涉及的骨骼数越少，那么子集的数量NumAttributeGroups就会增加，需要多绘几趟。
你可以在此下断点观察，当NumPaletteEntries=19 时，NumAttributeGroups=3 当NumPaletteEntries=6时，NumAttributeGroups=12 当 NumPaletteEntries=4时，NumAttributeGroups=31，几乎和无索引时的分组一样多了。

顶点中的权重weight存放了它当前骨骼的权重。（一个顶点对应的多个骨骼权重怎么存放？是不是在当前子集中有多个同样的顶点，权重不同，对应的矩阵索引不同，然后混合）


由上所述，ConvertToIndexedBlendedMesh()是一个很重要函数，由DX自动将Mesh顶点分组成多个子集，以便DrawSubset. 你必须把它的返回参数都记录下来，在绘制时使用。

四. 怎样绘制显示动画？

DrawFrame()用来绘制整个X框架。它遍历各个框架，找到Mesh不为空的进行绘制。（其实整个.x中通常只有一个不为空，见上文所述）
DrawMeshContainer()是绘制函数。

4.1 怎样开启顶点混合？
注意应用有关的Vertex Blending技术。如在索引方式的绘制中，
m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_VERTEXBLEND, pMeshContainer->NumInfl - 1);
其实是设定了D3DVBF_2WEIGHTS或D3DVBF_3WEIGHTS
注意要m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_INDEXEDVERTEXBLENDENABLE, TRUE);

4.2 矩阵的刷新：
首先，在FrameMove()调用 m_pAnimController->SetTime()设置当前时间(或在DX9.0c中用AdvanceTime()设置时间差)，从而刷新各个pFrame->TransformationMatrix，即骨骼转换矩阵
其次，调用UpdateFrameMatrices()做乘法累积，计算出各骨骼坐标系到根世界转换矩阵。
最后，在绘制前，将该转换矩阵左乘偏移矩阵，得到最终的转换矩阵。
D3DXMatrixMultiply( &matTemp, &pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices[iMatrixIndex], pMeshContainer->ppBoneMatrixPtrs[iMatrixIndex] );

由此可见，你如果注释掉了m_pAnimController->SetTime，画面肯定停了。

4.3 绘制输出 是在DrawMeshContainer()中，调用SkinMesh的DrawSubset进行绘制。一些细节内容如D3DTS_WORLDMATRIX(),在上面已经有说明，不再罗嗦。

4.4 关于示例中多种绘制方式分析
在示例中，用到了多种渲染方式，包括传统的非索引顶点混合，还有新兴的HLSL方式。而且我发现，ATI RADEON 9550 显卡 MaxVertexBlendMatrixIndex=37，而价格更高的 Gefoce 6600GT MaxVertexBlendMatrixIndex竟然为0，不支持index vertex blending！
所以，还是有必要分析一下该示例中各种vertex blending方式的处理，以便掌握多种绘制方式适应不同显卡。
经测试，示例中所涉及的多种方式，由慢到快，依次是以下几种：
SOFTWARE,
D3DNONINDEXED,
D3DINDEXED,
D3DINDEXEDVS,
D3DINDEXEDHLSLVS,

从最慢的SW到最快的HLSL，大约相差20%，有时会大到40%。 差别不是特别悬殊的原因，主要是顶点混合并不是瓶颈。

关于顶点处理方式，是在创建D3D设备时指定的。共有三种方式：
D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING 软件顶点运算 (简记 sw vp)
D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING 硬件顶点运算。必须有这项才支持有HAL (简记 hw vp)
D3DCREATE_MIXED_VERTEXPROCESSING 混合顶点运算，即硬件+软件 (简记 mixed vp)

一旦用D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING方式创建设备，就只能在硬件方式下进行顶点处理。如果调用 m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)来切换到软件顶点处理，HRESULT会返回失败。
所以，如果你对客户的显卡没有足够的信息，就用D3DCREATE_MIXED_VERTEXPROCESSING方式创建设备。它默认工作方式是HAL。一旦发现进行某种绘制时硬件能力不够，就可以调用调用 m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)切换到软件模式。在示例中就是这么做的，启动示例后，运行在mixed模式下。

在Gefoce6600GT显卡中，由于D3DINDEXED方式不支持，采用了软件混合方式，在这种方式下速度甚至比SOFTWARE慢。HLSL还好，还是最快。

要确定设备的硬件顶点处理能力，可以参考D3DCAPS9结构的VertexProcessingCaps成员。可以获取下列属性
MaxActiveLights，MaxUserClipPlanes，MaxVertexBlendMatrices，MaxStreams，MaxVertexIndex

(1)D3DNONINDEXED方式：

首先看GenerateSkinnedMesh()中怎样创建蒙皮网格的。
这种方式下，用ConvertToBlendedMesh()建立蒙皮网格，而不是ConvertToIndexBlendedMesh()

为了绘制蒙皮，在这个函数中对Mesh各子集的顶点再次进行的分组。分组的标准是各顶点（或三角面）所涉及的骨骼矩阵个数不超过 pMeshContainer->NumInfl个。(这个数字是由在ConvertToBlendedMesh()时，由参数 pMaxFaceInfl返回的)。一个Mesh子集可能被拆开成多个分组。 最后，分组的属性保存在pBoneCombinationBuf中，如子集 ID,该子集的各骨骼ID，起始三角面，三角面个数等供绘制时使用，分组的个数保存在 pMeshContainer->NumAttributeGroups中。

接下来检查每个分组所涉及的骨骼数，是不是超过硬件允许的最大混合矩阵数---MaxVertexBlendMatrices。如果超过了就把所有分组截为两大部分，前一部分用硬件混合，后一部分采用软件混合。而且，一旦发现有需要软件混合，要采用 CloneMeshFVF(D3DXMESH_SOFTWAREPROCESSING|...)的方式重新生成网格。

再来看绘制部分DrawMeshContainer()

用pBoneComb指向骨骼分组属性，扫描各分组。找出其中骨骼数满足硬件性能的用进行绘制。
然后开启软件顶点渲染m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)，对那些骨骼数超出硬件性能的进行绘制。
SetSoftwareVertexProcessing()需要当前d3d设备以D3DCREATE_MIXED_VERTEXPROCESSING方式创建。

(2)D3DINDEXED，这种方式上面分析过了，从略。用pMeshContainer->UseSoftwareVP表示是否采用软件绘制。
值得注意的是在这种方式下，一旦硬件性能不足，会彻底使用软件顶点渲染，而不是像上面一样拆为两部分。

(3)D3DINDEXEDVS，D3DINDEXEDHLSLVS
这种情况下使用了着色器和高级着色语言。超出本文主旨，讨论从略。

(4)SOFTWARE--软件方式？ 让人有些迷惑，与上面的m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)有何区别？

从代码看，这种方式下反而比较简单。GenerateSkinnedMesh()中，
先直接从原始Mesh克隆一个Mesh,然后读取它的材质属性数组。开辟一个空间m_pBoneMatrices，用以存放各块骨骼的转换矩阵。

在绘制时，从pMeshContainer中的变换矩阵乘以偏移矩阵，放在pBoneMatrices中。把这个矩阵数组，以原Mesh的顶点作为源顶点，以新克隆的MeshData.pMesh做为目标顶点，调用pSkinInfo->UpdateSkinnedMesh()，用软件方式计算各骨骼顶点的新位置(相当于软件计算方式蒙皮)。

然后调用MeshData.pMesh->DrawSubset()绘制。

可见，在SOFTWARE方式下，最终顶点的渲染还是HAL方式的，只不过蒙皮计算是由软件完成的。它和上面的m_pd3dDevice->SetSoftwareVertexProcessing(TRUE)直接设置软件顶点渲染还是有区别的。