2022年元国际概念忽然火爆，一系列依据虚拟形象的社交app涌上商场，各大互联网公司也积极跟进，例如腾讯超级QQ秀，百度希攘，Meta Horrizon平台等等，其目的都是在虚拟国际树立与用户的对应关系，而在产品形状上，纷歧而同采用或许倾向于构建近似于3D敞开国际的场景，以供用户化身数字形象后进行探索。
依据现在的产品形状剖析，其背面的技能本质上与大部分游戏相似，都是依据3D烘托技能进行完结。不同的是，元国际事务更聚焦于移动设备，一起需求与现有事务app结合，例如腾讯超级QQ秀实践上是在QQ移动端中开辟了一块事务。因而关于移动开发者们来说，了解一些3D烘托技能关于未来作业将大有裨益。
而随着2023年苹果vision pro设备的发布，再一次将XR使用带入消费者视界。XR使用的背面除去硬件层面及空间核算层面的技能外，还有一大部分也是与3D烘托相关，关于未来想尝试XR使用开发的开发者们来说，学习一些烘托知识也是必要的。
本文将介绍一些与3D开发相关的根底概念。
1. 烘托：从加载到上屏
1.1 场景Scene
3D相比于2D，是愈加直接地对物理国际的模仿。在3D场景中咱们能够找到与物体国际一一对应的概念。
1.1.1 天空盒SkyBox
天空盒能够简略地了解成布景环境，比方咱们的天空、大地等等。天空盒一般指的是非常远的，简直不怎么发生改动的东西。但是不同于2D的，布景只是一个2D图片，3D场景的布景应该是立体盘绕的。
在3D烘托中，要去完结一个这样的布景就会用到天空盒技能。所谓的天空盒其实便是将一个立方体打开，然后在六个面上贴上相应的贴图。在实践的烘托中，将这个立方体一直罩在摄像机的周围，让摄像机一直处于这个立方体的中心方位，然后依据视线与立方体的交点的坐标，来确定究竟要在哪一个面上进行纹路采样。
1.1.2 环境光Light
正如现实国际，在一个彻底没有光线的当地，只能看到漆黑一片相同。3D场景也需求增加光线才干看到场景中的物体。光照能够分为平行光、点光源、直接光等等，如下图所示。其间触摸比较多的IBL光照，便是一种用环境立方体贴图模仿自然环境光照的技能，能够把贴图的每个像素看作一个光源。
1.1.3 摄像机Camera
在3D国际里摄像机相似于人类的眼睛，屏幕上出现的画面，便是摄像头拍摄到的画面。当然在3D场景中并不是真的有摄像机这个实体模型，摄像机实践上便是包含方位、姿态、视角、光圈、远近平面在内的一系列参数的合集，经过这些参数能够核算出坐标转换的矩阵，然后把3D场景一切物体的坐标转换到一个成像平面上。这个进程稍后详细介绍。
1.1.3.1 摄像机方位怎么确定
- 方位：即一个指向摄像机的向量，如(0.0f, 0.0f, 2.0f)
- 方向：摄像机指向哪个方向，即摄像头看向的点（Target）和摄像机方位（Position）两点构成的向量。比方现在咱们让摄像机指向场景原点：(0, 0, 0)，摄像机方向便是cameraPos – cameraTarget。
- 右轴：代表摄像机空间的x轴的正方向。为核算右向量，咱们会先界说一个上向量(Up Vector，一般便是y轴正向量(0,1,0))。然后把上向量和第二步得到的方向向量进行叉乘。两个向量叉乘的结果会一起垂直于两向量，因而咱们会得到指向x轴正方向的那个向量。
- 上轴：把右向量和方向向量进行叉乘即可。
1.1.3.2 LookAt矩阵
经过以上几个进程，即可取得以摄像机为中心的一个摄像机坐标轴。然后咱们能够取得一个LookAt矩阵，经过该矩阵，咱们能够将3D场景一切物体的坐标转换为以摄像头为原点的坐标。
1.1.4 3D实体(Entity）
即加载进**3D场景的模型&&，比方游戏中的人物，修建，地面，道具等等都是一个3D实体。3D实体在场景中的运动能够拆解成位移、旋转、缩放三个基本操作。
以上即是一个简略3D场景的首要组成部分，经过将这些元素放置到指定的空间坐标中(x,y,z)，即可构成更为杂乱的体系。但是由咱们的显现设备是2D屏幕，要怎么将3D场景转换成能够在2D屏幕烘托的数据呢？
1.2 坐标体系
因为显现设备是2D屏幕，因而不管怎么终究咱们还是需求将3D的场景在2D屏幕上进行烘托。这里必然涉及到一系列的转换流程。来将3D无限空间的方位坐标转换到2D有限屏幕空间上。
1.2.1 坐标体系分类
对咱们来说比较重要的总共有5个不同的坐标体系。
1.2.1.1 部分坐标系
3D物体自身的坐标体系，通常美工在输出一个3D模型时，会将界说的3D模型几许中心放到部分坐标的原点方位。
1.2.1.2 国际坐标系
3D国际的坐标系，一切物体的方位都是相关于国际坐标的原点进行摆放。当咱们把模型放到国际坐标系中，模型就在国际坐标系里有了坐标。比方把物体A放在了距离原点X轴（1,0,0）的方位。
1.2.1.3 调查坐标系
调查坐标系是将国际坐标转化为用户视界前方的坐标。因而调查空间便是从摄像机的视角所调查到的空间。而这通常是由一系列的位移和旋转的组合来完结，平移/旋转场景然后使得特定的目标被改换到摄像机的前方。
1.2.1.4 裁剪坐标系
屏幕规模是有限的，相似于人的视界是有限的，因而总有一部分画面要被裁减掉。为了将极点坐标从调查改换到裁剪空间，咱们需求界说一个投影矩阵(Projection Matrix)，它指定了一个规模的坐标，比方在每个维度上的-1000到1000。投影矩阵接着会将在这个指定的规模内的坐标改换为标准化设备坐标的规模(-1.0, 1.0)。一切在规模外的坐标不会被映射到在-1.0到1.0的规模之间，所以会被裁剪掉。
1.2.1.5 屏幕坐标系
终究烘托在2D屏幕上的屏幕坐标系。
1.2.2 坐标改换(MVP改换）
MVP改换的目的是将一个3D场景数据转换成终究烘托在2D屏幕上数据。
1.2.2.1 模型改换（Model Matrix）
经过平移、缩放、旋转（TRS操作），将物体放置到国际空间的指定位置构成的改换矩阵。
1.2.2.2 调查改换（View Matrix）
经过TRS操作，将物体转换到摄像头坐标空间而构成的矩阵，便是调查矩阵。调查矩阵便是前文咱们解说的LookAt矩阵。
1.2.2.3 投影改换（Projection Matrix）
将物体坐标从调查空间坐标系转换到裁剪坐标系而生成的矩阵便是投影改换矩阵。
- 正交投影
正射投影矩阵界说了一个相似立方体的平截头箱，它界说了一个裁剪空间，在这空间之外的极点都会被裁剪掉。创建一个正射投影矩阵需求指定可见平截头体的宽、高和长度。在使用正射投影矩阵改换至裁剪空间之后处于这个平截头体内的一切坐标将不会被裁剪掉。
- 透视投影
假如你从前体验过实践生活给你带来的现象，你就会注意到离你越远的东西看起来更小。这个奇怪的效果称之为透视(Perspective)。
- fov值，它表明的是视界(Field of View)，并且设置了调查空间的大小。假如想要一个实在的调查效果，它的值通常设置为45.0f，但想要一个末日风格的结果你能够将其设置一个更大的值。
- 宽高比，由视口的宽除以高所得。
- 近和远平面。咱们通常设置近距离为0.1f，而远距离设为100.0f。一切在近平面和远平面内且处于平截头体内的极点都会被烘托。
咱们为上述的每一个进程都创建了一个改换矩阵：模型矩阵、调查矩阵和投影矩阵。一个极点坐标将会依据以下进程被改换到裁剪坐标，这个进程便是MVP改换。终究将(-1,1)坐标规模映射到屏幕像素，就得到了每个物体在屏幕上的坐标。
2. 深化了解3D模型：网格、原料与纹路
关于一个3D使用而言大部分时候操作的都是3D模型，包含模型方位调整、运动、换装等等。因而咱们有必要对模型再深化地了解一下。
简略来说，一个3D物体能够拆解出三个部分：
- Mesh：网格数据，经过一些根底图元（例如三角形）界说模型形状；
- 原料：界说了Mesh烘托时色彩核算的相关参数，比方一个依据物理的烘托中，pbr原料包含根底色彩、反射度、金属粗糙度、法线贴图等等参数，这些参数会在光照核算时共同效果，终究构成物体外表的色彩。更详细的原料描绘能够参阅Filament官方原料文档；
- 纹路：物体外表的贴图。
下图是一个简略的Glb模型的拆解。
例如，经过更换原料上附着的纹路贴图，即可完结服装模型的更新，比方把篮球服的色彩纹路贴图换成蓝色图，就能够得到一件蓝色的篮球衣。
3. 运动：骨骼与表情
前面提到的都是静态的烘托，而在3D场景中模型除了在空间中的方位改动，其本身也是能够运动的，比方人物的摆手、奔驰动作等等。在3D场景中，制造动画的技能首要包含以下两种：
- 骨骼动画
- blendshape形变动画
3.1 骨骼动画
模型Mesh界说了模型静态的初始状况下的形状，而模型运动不需求每次都去修改Mesh的形状，只需求将Mesh与骨骼点进行绑定（这个进程称为骨骼蒙皮，这个蒙皮由设计侧制造模型确认）。后续制造模型的动画就只需求经过TRS操作去改动骨骼的方位，即能够影响与骨骼绑定的mesh方位，整个进程与人物关节点运动带动皮肤方位改动是相同的。
3.2 blendShape动画
Mesh的运动除了有骨骼操控之外，也能够直接经过制造Mesh形变来操控。这个方式便是blendshape动画，通常用于一些比较细致的动画场景，比方面部表情动画。blendshape是经过界说两个极值状况的Mesh方位，然后在两个极值间插值，取得指定状况下的Mesh方位。
比方，眨眼动画，设计侧会界说一个blendShapeEyeBlink，值为0时表明闭眼，值为1时表明睁眼。眨眼动画便是在0～1之间随时间改动，即可完结眨眼。
blendshape技能现在被广泛使用在表情制造中，例如苹果Animoji，界说了52个表情基，经过组合该52个表情基动画，即可让模型面部做出更丰富的表情。
详细核算进程能够详细阅读一下《gltf格局详解》。能够详细地了解到一切的数据核算进程。
总结
以上便是在3D开发中会常常遇到的一些概念，了解了这些概念，彻底能够应对一些简略3D场景的开发作业，更多细节感兴趣的同学能够再深化了解。
