Qt Quick 3D介绍：Qt Quick的高级3D API
目錄
- 我們的目標(biāo)是什么？為什么提出另一個3D解決方案？
- 統(tǒng)一圖形技術(shù)
- 直觀易用的API
- Qt Quick的統(tǒng)一工具
- 一流的素材優(yōu)化管道
- 跨平臺性能和兼容性
- Qt Quick 3D到底是什么？
- 您能用Qt Quick 3D做什么？
- 節(jié)點/Node
- 攝像機/Camera
- 光照/Light
- 模型/Model
- DefaultMaterial 和 Custom Materials
- 紋理/Texture
- 可用功能示例
- Qt Quick內(nèi)置的3D視圖
- 3D中的2D視圖
- 3D QML組件
- 同一場景的多個視圖
- 陰影/Shadow
- 基于圖像的光照/ Image Based Lighting
- 動畫/ Animations
- 如何親自嘗試？
- 關(guān)于工具
- 將3D場景導(dǎo)入QML組件
- 轉(zhuǎn)換Qt 3D Studio項目
- 關(guān)于Qt 3D
- 未來的計劃是什么？
- 非常期待您的反饋！
本文翻譯自：Introducing Qt Quick 3D: A high-level 3D API for Qt Quick
原文作者：Andy Nichols
校審：王富涌、Richard Lin
正如Lars在他的Qt 6技術(shù)概覽一文中提到的，我們一直在研究如何在3D和Qt Quick之間進(jìn)行更深入的集成。因此，我們創(chuàng)建了一個名為Qt Quick 3D的新項目，提供高級API，用于從Qt Quick為用戶界面創(chuàng)建3D內(nèi)容。 我們沒有使用會導(dǎo)致動畫同步問題和需要多層抽象的外部引擎，而是在Qt Quick Scenegraph中擴展了3D的部分，并為這些擴展的場景圖節(jié)點（scene graph node）提供了對應(yīng)的渲染器。
這并不意味著我們?yōu)镼t編寫了另一個3D解決方案，因為核心的場景渲染器是從Qt 3D Studio的渲染器派生出來的。這個渲染器被移植過來，使用Qt的平臺抽象層，并被重構(gòu)以滿足Qt項目的編碼風(fēng)格。
我們的目標(biāo)是什么？為什么提出另一個3D解決方案？
統(tǒng)一圖形技術(shù)
我們最重要的目標(biāo)是統(tǒng)一我們的圖形技術(shù)。目前，我們?yōu)閯?chuàng)建流暢的用戶界面提供了兩種綜合解決方案來，每個解決方案都有自己的相應(yīng)工具。其中一個解決方案是處理2D的Qt Quick，另一個是用于3D的Qt 3D Studio。如果只使用其中一種，事情通常會很順利。然而，我們發(fā)現(xiàn)用戶通常需要混合使用，這在運行時的性能以及開發(fā)者/設(shè)計師體驗方面都會造成許多問題。
因此，為了簡便起見，我們的目標(biāo)是擁有一個運行時(Qt Quick)、一個通用場景圖(Qt Quick Scenegraph)和一個設(shè)計工具(Qt Design Studio)。而且不會對特性、性能或開發(fā)者/設(shè)計師的體驗造成任何影響。這樣，我們就不需要在復(fù)雜的產(chǎn)品線中分散我們的開發(fā)焦點，可以更快地添加更多特性和修復(fù)bug。
直觀易用的API
Qt Quick 3D的下一個目標(biāo)是提供一個用于定義3D內(nèi)容的API，開發(fā)者不需要了解現(xiàn)代圖形管道的復(fù)雜細(xì)節(jié)就可以使用這個API。畢竟，大多數(shù)用戶不需要為每個應(yīng)用程序創(chuàng)建專門的3D圖形渲染器，而只是想顯示一些3D內(nèi)容，通常是與2D一起顯示。因此，我們在開發(fā)Qt Quick 3D的過程中一直牢記這一點。
也就是說，接下來我們將會公布越來越多的渲染API，這將使高級用戶可以實現(xiàn)更高級的用例。
在撰寫本文時，我們只提供了一個QML API，但是我們的目標(biāo)是提供一個公共的C++ API。
Qt Quick的統(tǒng)一工具
Qt Quick 3D旨在成為Qt 3D Studio的繼承者。目前Qt 3D Studio仍將繼續(xù)開發(fā)，但從長遠(yuǎn)來看，將被Qt Quick和Qt Design Studio所取代。
在這里，我們打算把Qt 3D Studio最好的部分融合到Qt Quick和Qt Design Studio中。不再需要為Qt Quick或3D提供單獨的工具，而是在Qt Design Studio中同時完成這兩項工作。我們現(xiàn)在正在研究這方面的細(xì)節(jié)，希望不久就能發(fā)布預(yù)覽版。
對于Qt 3D Studio的現(xiàn)有用戶，我們一直在開發(fā)一個移植工具，可以將項目轉(zhuǎn)換為Qt Quick 3D。稍后會有詳細(xì)介紹。
一流的素材優(yōu)化管道
在處理3D場景時，素材優(yōu)化正日益重要，因為現(xiàn)在的圖形素材類型越來越多，而且體量也越來越大。因此，作為Qt Quick 3D開發(fā)工作的一部分，我們一直在研究如何盡可能方便地導(dǎo)入您的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為Qt Quick中使用的，高效的運行時格式。
例如，在設(shè)計時，您會使用創(chuàng)建工具生成的圖形素材(例如，Maya中處理3D模型的FBX文件，或者Photoshop中處理紋理的PSD文件)，但是在運行時，您就不會希望引擎使用這些格式。取而代之，您希望將素材轉(zhuǎn)換成某種高效的運行時格式，并在每次源設(shè)計修改時更新它們。我們希望將這一過程盡可能自動化，因此希望將它們整合到Qt構(gòu)建系統(tǒng)和工具中。
跨平臺性能和兼容性
我們的另一個目標(biāo)是通過Qt新的渲染硬件接口（Rendering Hardware Interface，縮寫RHI），使它支持多種原生圖形API。目前，Qt Quick 3D如Qt中其他許多組件一樣，只能使用OpenGL渲染。但是在Qt 6中，我們將使用QtRHI作為我們的圖形抽象層，除了OpenGL之外，我們還將支持Vulkan、Metal和Direct3D渲染。
Qt Quick 3D到底是什么？
Qt Quick 3D的目標(biāo)不是替代Qt 3D，而是Qt Quick的功能性擴展，渲染3D內(nèi)容的高級API。
下面是一個非常簡單的項目，附帶注釋：
其理念是，定義3D內(nèi)容應(yīng)該像定義2D內(nèi)容一樣簡單。您需要一些額外的東西，比如燈光、攝像機和材質(zhì)等概念，但是所有這些都是高級場景概念，而不是圖形管道的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。
當(dāng)然，簡單的API會導(dǎo)致功能上的限制。盡管可以定制材質(zhì)和場景的內(nèi)容，但不可能完全定制場景的渲染，這與Qt 3D中使用的高度可定制的framegraph不同。Qt Quick 3D用一個固定的正向渲染器，您可以用屬性來定義如何渲染場景中的對象。這與其他現(xiàn)有的引擎類似，通常有一些渲染管道可供選擇，然后使用這些管道渲染邏輯場景。
在一個帶有軸線和網(wǎng)格線的天空盒中，攝像機圍繞著一個汽車模型旋轉(zhuǎn)(備注：卡頓的原因是其為一個12 FPS的GIF圖像)。
您能用Qt Quick 3D做什么？
它可以做很多事情，但是這些都是使用以下場景元素構(gòu)建的:
節(jié)點/Node
節(jié)點是3D場景中的基本組件。它代表了3D空間中的坐標(biāo)變換，但它是不可見的。其工作原理類似于Qt Quick中的Item類型。
攝像機/Camera
攝像機表示場景是如何投影到2D表面的。相機在3D空間中有一個位置(因為它是節(jié)點子類)和一個投影。要渲染場景，您至少需要有一臺攝像機。
光照/Light
光照組件定義了場景中的光源，照亮了考慮照明的所有材質(zhì)。現(xiàn)在，有三種類型的燈光：指向型光源(默認(rèn))、點光源和面光源。
模型/Model
模型組件是場景中的一個可視化組件。它代表幾何圖形(從網(wǎng)格)和一種或多種材質(zhì)的組合。
網(wǎng)格組件的源屬性需要一個. mesh文件，這是Qt Quick 3D使用的運行時格式。要獲取網(wǎng)格文件，您需要使用素材導(dǎo)入工具轉(zhuǎn)換3D模型。還有一些內(nèi)置元素。需要設(shè)置以下源屬性：#Cube, #Cylinder, #Sphere, #Cone, 或 #Rectangle.
我們還將添加一種可編程的方式，在運行時動態(tài)添加自定義模型組件，但它在預(yù)覽版本中暫時不可用。
在渲染模型之前，它還必須要有材質(zhì)。這里定義了網(wǎng)格的著色方式。
DefaultMaterial 和 Custom Materials
DefaultMaterial組件是一種易于使用的內(nèi)置材質(zhì)。您所需要做的就是創(chuàng)建這個材質(zhì)，設(shè)置您想要定義的屬性，后臺會自動生成所有必要的著色器代碼。您在場景中設(shè)置的所有其他屬性也會被考慮在內(nèi)。不需要自己編寫任何圖形著色器代碼(如頂點著色器或片段著色器)。
也可以使用所謂的CustomMaterials，您可以在其中提供自己的著色器代碼。我們還提供了一個預(yù)定義的定制材料庫，您只需在QML中添加以下內(nèi)容即可試用:
紋理/Texture
紋理組件表示3D場景中的紋理，以及它是如何映射到網(wǎng)格的。紋理的來源可以是圖像文件，也可以是QML組件。
可用功能示例
Qt Quick內(nèi)置的3D視圖
要查看Qt Quick內(nèi)部的3D內(nèi)容，有必要將其展平為2D曲面。為此，您可以使用View3D組件。View3D是整個API中唯一基于QQuickItem的組件。您可以將場景定義為View3D的子元件，也可以將scene屬性設(shè)置為要渲染的場景的根節(jié)點來引用現(xiàn)有場景。
如果您有多臺攝像機，也可以設(shè)置要使用哪臺攝像機來渲染場景。默認(rèn)情況下，它將只使用場景中定義的第一個活動攝像機。
在渲染之前值得注意的是，View3D 元素不一定要渲染到離屏紋理(off-screen texture)。可以設(shè)置以下四種渲染模式之一來定義如何渲染3D內(nèi)容:
3D中的2D視圖
可能您想在3D場景中渲染Qt Quick內(nèi)容。為此，在任何將紋理作為屬性值的地方(例如，在默認(rèn)材質(zhì)的diffuseMap屬性中)，您都可以使用Texture元件，該元件設(shè)置了sourceItem屬性，而不僅僅是指定文件。這樣，引用的Qt Quick 元素將被自動渲染并用作紋理。
映射到立方體的漫反射顏色紋理是動態(tài)的Quick 2D元素。
3D QML組件
由于Qt Quick 3D是基于QML構(gòu)建的，因此也可以為3D創(chuàng)建可重用的組件。例如，如果您創(chuàng)建了一個包含多個模型組成的汽車模型，只需將其保存到Car.qml中，然后您就可以通過重用它來實例化多個汽車實例，就像任何其他QML類型一樣。這非常重要，因為這樣可以使用相同的組件模型創(chuàng)建2D和3D場景，而不必為2D和3D場景提供不同的處理方法。
同一場景的多個視圖
因為場景定義可以存在于Qt Quick項目中的任何地方，所以可以從多個View3D中引用它們。如果場景中有多臺攝像機，甚至可以從每臺攝像機渲染到不同的View3D。
同一茶壺場景的四個視圖。在投影視圖中也在三臺攝像機之間變化。
陰影/Shadow
任何光照組件都可以指定它正在投射的陰影。啟用此選項后，場景中將自動渲染陰影。根據(jù)您正在做的事情，渲染陰影可能非常耗時，因此您可以通過在模型上設(shè)置附加屬性來微調(diào)哪些模型組件投射和接收陰影。
基于圖像的光照/ Image Based Lighting
除了標(biāo)準(zhǔn)光照組件之外，還可以通過定義HDRI地圖來照亮場景。該紋理可以在其場景環(huán)境屬性中為整個View3D設(shè)置，也可以在單個材質(zhì)上設(shè)置。
動畫/ Animations
Qt Quick 3D中的動畫使用與Qt Quick相同的動畫系統(tǒng)。您可以將任何屬性綁定到animator上，它將按照以往那樣運動和更新。通過QtQuickTimeline模塊，也可以使用基于關(guān)鍵幀的動畫。
像組件模型一樣，這是縮小2D和3D場景之間差距的另一個重要步驟，因為這里沒有使用獨立的、可能沖突的動畫系統(tǒng)。
目前不支持rigged animation，但會納入未來的計劃。
如何親自嘗試？
我們的目標(biāo)是在發(fā)布Qt 5.14的同時，發(fā)布Qt Quick 3D的技術(shù)預(yù)覽版本。與此同時，可以在Qt 5.12和之后版本上使用。
要獲取代碼，您只需要從以下位置獲取并編譯QtQuick3D模塊:
https://git.qt.io/annichol/qtquick3d
關(guān)于工具
我們的目標(biāo)是可以完全使用Qt Design Studio來建立3D場景。這意味著能夠直觀地布局場景，導(dǎo)入網(wǎng)格、材質(zhì)和紋理等3D素材，并將這些素材轉(zhuǎn)換為引擎使用的高性能的運行時格式。
Qt Quick 3D和Qt Design Studio早期的集成演示
將3D場景導(dǎo)入QML組件
Qt Quick 3D也可以通過手動編寫QML代碼來使用。同時我們也有一些獨立的素材轉(zhuǎn)換工具。過去這些工具還不成熟。現(xiàn)在可以使用3D素材創(chuàng)建工具(如Blender、Maya或3DS Max)為該實用工具提供素材，它將生成一個代表這個場景的QML組件，以及它使用的所有紋理、網(wǎng)格和材質(zhì)。目前，該工具支持從以下格式生成場景:
- FBX
- Collada (dae)
- OBJ
- Blender (blend)
- GLTF2
要轉(zhuǎn)換文件myTestScene.fbx，您需要運行:
./balsam -o ~/exportDirectory myTestScene.fbx這將生成一個名為MyTestScene.qml的文件以及所有需要的素材。然后，您可以像場景中的任何其他組件一樣使用它：
import QtQuick 2.12 import QtQuick.Window 2.12 import QtQuick3D 1.0Window {width: 1920height: 1080visible: truecolor: "black"Node {id: sceneRootLight {}Camera {z: -100}MyTestScene {}}View3D {anchors.fill: parentscene: sceneRoot}}我們正在努力改進(jìn)該工具生成的素材，希望在未來幾個月內(nèi)實現(xiàn)改進(jìn)。
轉(zhuǎn)換Qt 3D Studio項目
除了能夠從3D素材創(chuàng)建工具生成3D QML組件，我們還為素材導(dǎo)入工具創(chuàng)建了插件，用于轉(zhuǎn)換現(xiàn)有的Qt 3D Studio項目。如果您以前使用過Qt 3D Studio，您應(yīng)該知道它會以XML格式生成項目來定義場景。如果您給該工具一個由Qt 3D Studio生成的UIP或UIA項目，它也將在此基礎(chǔ)上生成一個Qt Quick 3D項目。但是請注意，由于Qt 3D Studio使用的運行時不同于Qt Quick 3D，并非所有內(nèi)容都將被轉(zhuǎn)換。盡管如此，它應(yīng)該為轉(zhuǎn)換現(xiàn)有項目提供了一個很好的起點。我們希望繼續(xù)改善對這種方法的支持，以使現(xiàn)有的Qt 3D Studio用戶順利過渡。
使用Qt Quick 3D導(dǎo)入工具移植的Qt 3D Studio示例應(yīng)用程序。(它還不完美)
關(guān)于Qt 3D
我估計聽到的第一個問題是為什么不直接使用Qt 3D？這也是我們過去幾年一直在探索的問題。
一個自然的假設(shè)是，如果我們想混合2D和3D，我們可以在Qt 3D的基礎(chǔ)上構(gòu)建所有的Qt Quick。我們本來也是這么想的，而且在Qt 3D Studio 2.3版本中這樣做。Qt 3D作為一個很強大的3D引擎在Qt Quick和Qt 3D Studio中被使用。但是，Qt 3D的架構(gòu)使得我們很難在入門級嵌入式硬件上獲得所需的性能。Qt 3D也有一定的開銷，這來自于自身較慢的運行時，也來自于Qt Quick和圖形硬件之間的另一個抽象層。就目前的形式而言，如果我們想要在確保對從低端到高端的各種平臺和設(shè)備持續(xù)提供良好支持的同時，實現(xiàn)完全統(tǒng)一的圖形技術(shù)，Qt 3D并不是理想的構(gòu)建基礎(chǔ)。
與此同時，我們已經(jīng)在Qt 3D Studio中有了一個渲染引擎，它可以完全滿足我們的需求，是構(gòu)建額外功能的良好基礎(chǔ)。這樣做的缺點是不再擁有Qt 3D帶來的許多強大API，但是實際上一旦您開始在Qt 3D之上構(gòu)建一個運行時，您就已經(jīng)決定了在能力有限的定制框架上的工作方式。最后，最實際的決定是使用現(xiàn)有的Qt 3D Studio渲染引擎作為我們的基礎(chǔ)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建。
未來的計劃是什么？
本文只是未來的概覽。計劃是將Qt Quick 3D作為一個完整的模塊在Qt 5.15 LTS版本中提供。現(xiàn)在我們正在進(jìn)一步開發(fā)Qt Quick 3D，并將在Qt 5.14中作為技術(shù)預(yù)覽版發(fā)布。
對于Qt 5系列，由于二進(jìn)制兼容性的承諾，我們限制了2D和3D的結(jié)合深度。隨著Qt 6的發(fā)布，我們計劃將Qt Quick 3D更深入地集成到Qt Quick中，以提供更流暢的體驗。
我們的目標(biāo)是，希望能夠盡可能高效地混合2D和3D內(nèi)容，而不會給不使用3D內(nèi)容的用戶帶來任何額外開銷。我們不會做任何極端的事情，比如強迫所有Qt Quick應(yīng)用程序使用新的渲染器，只有那些混合了2D和3D的應(yīng)用程序才需要。
在Qt 6中，我們還將使用QtRHI來渲染Qt Quick (包括3D)場景，這將消除我們目前在部署OpenGL應(yīng)用程序時遇到的許多問題(通過在窗口上使用DirectX，在macOS上使用Metal等等)。
我們還希望最終用戶能夠使用我們創(chuàng)建的更通用的C++渲染API，而不僅是Qt Quick。代碼現(xiàn)在作為私有應(yīng)用程序接口存在，但是我們要等到Qt 6的時候(RHI移植)之后，才能做出API的兼容性承諾。
非常期待您的反饋！
這是一個技術(shù)預(yù)覽，您現(xiàn)在看到的很多東西都有可能會發(fā)生改變。例如，現(xiàn)在的API有些粗糙，所以我們想知道我們遺漏了什么，哪些是毫無意義的，哪些是有效的，哪些是無效的。提供這種反饋的最佳方式是通過Qt Bug Tracker。記得在提交問題或者建議時使用Qt Quick:3D標(biāo)簽。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Qt Quick 3D介绍：Qt Quick的高级3D API的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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