Horse3D 游戏引擎研发笔记（二）: 材质系统——从 JSON 配置到 GPU Uniform 的映射

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一、为什么需要材质系统

最早的三角形示例把顶点着色器和片段着色器直接写成 C++ 字符串。虽然能跑，但改一个颜色或加一个 Uniform 就要重新编译整个项目，多个物体共用 Shader 时还会重复编译。

因此把“材质”抽象成一等公民：一个材质文件同时描述

• 使用哪几个着色器阶段；
• 顶点属性布局；
• 默认 Uniform 值（颜色、标量、向量、矩阵、纹理）。

这样美术或策划只需要改 JSON 和 GLSL，不需要碰 C++。

二、.material 文件格式

材质文件放在 Materials/ 目录下，以 JSON 描述。以三角形材质为例：

{"Attributes": [{ "Name": "aPos", "Dimension": 3 },{ "Name": "aTexCoord", "Dimension": 2 }],"Uniforms": [{ "Name": "u_texture", "Type": "Texture2D", "Value": "Triangle.jpeg" }],"Shaders": [{ "ShaderEnum": "Vertex", "SourceFile": "triangle.vert" },{ "ShaderEnum": "Fragment", "SourceFile": "triangle.frag" }]}

对应的片段着色器只做了一个纹理采样：

uniform sampler2D u_texture;void main(){fragColor = texture(u_texture, vTexCoord);}

三、模块划分

材质相关代码被拆到两个子项目，保持依赖方向清晰：

flowchart TBsubgraph Dragon["Dragon（渲染层）"]RT[RenderThread]OB[Object3D]BR[Brush]CA[Camera]IS[IScreen]endsubgraph Diligencier["Diligencier（工具层）"]MB[MaterialBuilder]TL[TextureLoader]FK[FileKit]endsubgraph Percheron["Percheron（资源层）"]MA[Material]IU[IUniform]TX[Texture2D]endRT --> OBOB --> MAOB --> BR & CAIS --> MAMB --> MA & FK & TLTL --> TXMA --> IUIU --> TX

• Percheron：只依赖 Qt，定义 Material、Uniform、Texture2D 等资源。
• Diligencier：依赖 Percheron，负责解析 .material、编译 Shader、加载纹理。
• Dragon：依赖前两者，在渲染线程里真正使用材质。

这样即使以后替换构建工具链，Percheron 里的资源定义也无需改动。

四、核心类关系

classDiagramIAsset <|-- MaterialIAsset <|-- ITextureITexture <|-- Texture2DMaterial o-- IUniformMaterial o-- Texture2DIUniform <|-- ColorUniformIUniform <|-- FloatUniformIUniform <|-- IntUniformIUniform <|-- Vector2UniformIUniform <|-- Vector3UniformIUniform <|-- Vector4UniformIUniform <|-- Matrix4x4UniformIUniform <|-- Texture2DUniformTexture2DUniform --> Texture2DMaterialBuilder ..> Material : buildsTextureLoader ..> Texture2D : loadsFileKit ..> MaterialBuilder : reads JSON

4.1 Material

Material 是运行时容器：

• 持有一个 QOpenGLShaderProgram 指针（由 MaterialBuilder 缓存并复用，材质本身不拥有它）。
• 拥有根据 JSON 创建的 IUniform 集合和 Texture2D 列表。
• bind() 绑定程序并遍历 Uniform 上传；release() 解绑程序并释放占用的纹理单元。

4.2 Uniform 体系

IUniform 只暴露一个 useUniform(program) 接口。具体子类负责把值推到 GPU：

• ColorUniform、FloatUniform、Vector*Uniform、Matrix4x4Uniform：直接调用 setUniformValue。
• Texture2DUniform：激活指定纹理单元，绑定 QOpenGLTexture，并把采样器 Uniform 设为该单元索引。

这样 Material::bind() 无需知道 Uniform 类型，统一遍历即可。

4.3 MaterialBuilder

MaterialBuilder 是单例，职责有三项：

1. 读取 .material JSON；
2. 按规范路径缓存编译好的 QOpenGLShaderProgram，避免重复编译；
3. 根据 Uniforms 段为 Material 填充 Uniform 和纹理。

相对路径以 .material 所在目录为基目录解析，因此材质资源可以整体打包移动。

4.4 TextureLoader & FileKit

• FileKit::readText 负责读取文本文件（JSON、GLSL）。
• TextureLoader 把 QImage 转成 QOpenGLTexture，并做垂直翻转（mirrored()）以匹配 OpenGL 原点。

五、运行时流程

5.1 材质加载

sequenceDiagramparticipant RT as RenderThreadparticipant MB as MaterialBuilderparticipant FK as FileKitparticipant TL as TextureLoaderparticipant MA as MaterialRT->>MB: initializeMaterial(material)MB->>FK: readText(.material)FK-->>MB: JSONMB->>MB: parseShaderSourcesMB->>FK: readText(.vert / .frag)FK-->>MB: source codeMB->>MB: compileAndLinkMB-->>MA: QOpenGLShaderProgramMB->>MB: parseUniformsMB->>TL: loadTexture2D(image)TL-->>MB: Texture2DMB-->>MA: Uniforms & Textures

5.2 一帧渲染

flowchart LRA[Object3D::render] --> B[Material::bind]B --> C[program->bind]C --> D[遍历 Uniform<br/>useUniform 上传]D --> E[设置 u_model]E --> F[Camera::apply<br/>u_view / u_projection]F --> G[Brush::drawGeometry]G --> H[Material::release]

渲染线程把材质和几何体组装进 Object3D 后，每帧只需调用 Object3D::render(camera)。对于镜像地板这种需要动态纹理的 Pass，再传入运行时纹理 ID，由 Object3D 设置额外的 u_mirrorTexture 并绑定。

GUI 线程的 IScreen 也使用材质系统，只是它只负责把渲染线程产出的共享纹理画到一个全屏四边形上。

六、设计取舍与踩坑

1. 程序缓存 vs. 材质拥有
   MaterialBuilder 缓存 QOpenGLShaderProgram，多个 Material 共享同一份程序；Material 析构时只删自己的 Uniform 和纹理。

2. 纹理单元分配
   目前按 Uniform 出现顺序依次分配 0, 1, 2...，在 demo 里够用，但后期需要独立的纹理单元管理器。

3. JSON 解析容错
   遇到不认识的 Uniform 类型会直接跳过；编译/链接失败会打印 shader log。生产环境建议加入更严格的验证和默认回退纹理。

4. QImage 原点
   QImage 原点在左上角，OpenGL 纹理原点在左下角，加载时需要用 image.mirrored() 翻转。

七、当前成果

• 着色器完全外置，通过 .material JSON 配置加载。
• Material 统一管理 Shader、Uniform、纹理。
• MaterialBuilder 提供程序缓存，避免重复编译。
• 渲染线程和显示端都通过统一的 Material::bind/release 使用材质。
• 依赖关系清晰：Percheron 定义资源，Diligencier 负责构建，Dragon 负责渲染。

八、下一步

• 支持材质实例化：共享同一 ShaderProgram，但拥有不同 Uniform 值。
• 引入 Uniform Buffer Object（UBO），批量上传每帧变化的矩阵。
• 材质热重载：监听 .material 和 .vert/.frag 文件变化，运行时重新编译。
• 把 Attributes 段的描述真正用起来，由 MaterialBuilder 驱动顶点属性布局。

本系列记录 Horse3D 游戏引擎从零开始的研发过程，欢迎交流。