3D网格体组成原理
目录 | 网格体的属性中心点和顶点Base128：变长整数编码复合型网格体PMC和RMC |
|---|
- 网格体的属性
- 中心点和顶点
- Base128：变长整数编码
- 复合型网格体
- PMC和RMC
本文探讨网格体的压缩存储与背后的信息论，实现数据库与虚幻引擎（UE）解耦，目的是仅仅将UE作为一个渲染器，让数据与渲染分离，以适应千万级构件的项目需求。
网格体的属性
首先需要明确，我们看到的3维模型都是中空的，基本都只是闭合的表面，这一点从“网格体”的名字也能看出。从存储的角度看，网格体只是由一个个顶点组成，既没有“面”也没有“体”：因为平面可以由3个点来确定，立体可以由闭合的面确定，不用额外存储信息，以此达到压缩最大化的目的。所以3维网格体看上去是由若干个三角形组成，存储时都是一些点而已。一个完整的网格体（mesh）可以由一系列基本的几何信息描述，它们包含：
- 中心点：网格体唯一的中心坐标
- 顶点数组：相对于中心点的相对坐标
- 三角形数组：各个顶点的下标索引，长度是3的倍数
- 纹理贴图：贴到所有三角形表面上的2维图片
- UV坐标数组：网格体降维映射到贴图上的坐标，长度等于顶点数
- 备用UV坐标数组：网格体可以存储多个UV，适应不同贴图
- 材质属性：除了纹理之外表面的物理属性
- 切线数组：顶点相切于表面的切线，若不可微则有多条，长度等于顶点数
- 法线数组：顶点垂直于表面的法线，若非曲面则有多条，长度等于顶点数
- 顶点色数组：网格体的单调色，长度等于顶点数
其中有些信息是必要的，有些是可选的，有些是必要但可替换的。一般而言，顶点坐标信息是首要的，虽然闭合的凸面体可以根据顶点信息演算出来，但这种情况很少，法线和切线可以根据三角形的位置和三点的顺序来确定，如果只考虑纯色材质，顶点色可以取代贴图以节省体积，UV坐标和纹理贴图就可有可无了。所以存储在PostGIS或者MongoDB中的每个网格体至少需要以下3个字段：
- 顶点：网格体的顶点坐标列表
- 三角形：顶点之间组成的面，以及由三角顺序决定的朝向（朝内/朝外）
- UV坐标+贴图：决定网格体纹理的拉伸和平铺
如果想要进一步压缩，纹理贴图可以替换成顶点色数组，但只能实现单调的表面着色，应用场景非常有限，接下来分析这些个字段的存储格式。
中心点和顶点
顶点坐标的数据存储比较直观，就是3个float32浮点数为一组，无缝拼接的字节串，字节的数量是12的倍数，倍数=顶点数。
Base128：变长整数编码
GPU接收的三角形数组是以顶点编号为基础，3个1组传递来实现的，所以三角形数组的长度是3的整数倍，倍数就是三角形的数量。因为顶点编号是从0开始的自然数，所以三角形数组是一个自然数组，对于每个自然数，如果用定长整数编码比如int16或int32无疑会造成空间浪费，这里应当使用变长自然数编码：Variable Length Quantity 或者叫Base128编码。这种编码可以将更小的自然数存储在更短的字节中，比如0~127的整数只占1个字节，原理并不复杂，可以参考这个规范：
https://github.com/zipack/spec/blob/master/spec.md#the-biased-vlq-natural-number
复合型网格体
对于结构上有公共部分，或者呈包含关系的多个网格体，在PostGIS中需要通过引用的方式存储公共组件，虚幻引擎中也应该通过继承等方式复用公共组件，从而以达到节省内存/外存的目的。虚幻引擎中，对于只有transformation属性不同的同一种网格体，应当使用InstancedStaticMesh来暗示编译器实现最大化的复用率，
PMC和RMC
PMC指ProceduralMeshComponent，是引擎原生提供的运行时mesh生成环境，它包括基本几何信息和网格体之间的双向转换函数：GetSectionFromStaticMesh和CreateMeshSection，以及在构造函数中混合复用mesh的能力。在PMC的基础之上，官方推荐的插件RMC（RuntimeMeshComponent）做了一些列性能优化和功能升级，包括使用多线程的计算力。