Основы трехмерной графики в XNA

Записаться

Цель работы: Научиться выводить трёхмерные объекты на игровой экран

23.1. Рисование трехмерных объектов средствами XNA

Рассмотрим особенности рисования трехмерных объектов средствами XNA на примере проекта P16_1. Здесь мы рассматриваем использование вершинного буфера для вывода куба. Пример подготовлен на основе кода, доступного в рамках Microsoft Permissive License (Ms-PL).

В листинге 23.1 вы можете найти код класса Game1 проекта P14_1. Код подробно прокомментирован.

Отметим, что для вывода изображения нам необходимо выполнить следующие шаги:

При выводе изображения в методе Draw необходимо очищать экран от предыдущего вывода – иначе он покроется копиями изображений.

Мы используем мировую матрицу для вращения выведенной сцены при каждом проходе цикла Update.

using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;

namespace P16_1
{
    /// <summary>
    /// This is the main type for your game
    /// </summary>
    public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        //Мировая матрица
        Matrix worldMatrix;
        //Матрица вида
        Matrix viewMatrix;
        //Проекционная матрица
        Matrix projectionMatrix;
        //Информация по вершинам объекта
        VertexPositionNormalTexture[] cubeVertices;
        //Объявление вершин, используется для вывода изображения
        VertexDeclaration vertexDeclaration;
        //Вершинный буфер
        VertexBuffer vertexBuffer;
        //Объект для вывода изображений
        BasicEffect basicEffect;
        //Количество вершин
        const int number_of_vertices = 36;

        GraphicsDeviceManager graphics;
        //Переменные для хранения текущего значения
        //поворота мировой матрицы
        float wMX = 0;
        float wMY = 0;
        float wMZ = 0;
        //Управление  матрицей вида
        float distanceView = 5;
        public Game1()
        {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";
            //Вывод на полный экран
            graphics.IsFullScreen = true;
        }
        //Создание вертексного (вершинного) буфера
        private void CreateVertexBuffer()
        {
            //Задаёт объявление вершин
            //Оно содержит новый массив типа VertexElement, содержащий сведения
            vertexDeclaration = new VertexDeclaration(new VertexElement[]
                {
                    
                    //О координате
                    new VertexElement(0, VertexElementFormat.Vector3, VertexElementUsage.Position, 0),
                    //О нормали
                    new VertexElement(12, VertexElementFormat.Vector3, VertexElementUsage.Normal, 0),
                    //О Координате текстуры
                    new VertexElement(24, VertexElementFormat.Vector2, VertexElementUsage.TextureCoordinate, 0)
                }
            );
            //Создаём вертексный буфер, используя информацию о 
            //графическом устройстве
            //Структуре описания вершин
            //Количестве вершин
            vertexBuffer = new VertexBuffer(
                graphics.GraphicsDevice,
                vertexDeclaration,
                number_of_vertices,
                BufferUsage.None
                );

            //Новый массив вершин куба
            cubeVertices = new VertexPositionNormalTexture[number_of_vertices];
            //Создаём куб
            InitializeCube();

            //Устанавливаем данные для вертексного буфера
            vertexBuffer.SetData<VertexPositionNormalTexture>(cubeVertices);
            //Подключаем вертексный буфер к устройству
            graphics.GraphicsDevice.SetVertexBuffer(vertexBuffer);
        }


        protected override void Initialize()
        {
            
            CreateVertexBuffer();

            base.Initialize();
        }

        /// <summary>
        /// LoadContent will be called once per game and is the place to load
        /// all of your content.
        /// </summary>
        protected override void LoadContent()
        {
            InitializeTransform();
            InitializeEffect();
        }

        /// <summary>
        /// Инициализирует матрицы, которые можно использовать при 
        /// </summary>
        private void InitializeTransform()
        {
            //мировая матрица, содержащая 1 по диагонали
            //она не влияет на состояние объекта
            worldMatrix = Matrix.Identity;

            //матрица вида
            //При ее создании задаем следующие параметры
            //1 - положение камеры
            //2 - направление камеры
            //3 - что считать "верхом" для камеры
            viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(new Vector3(0.0f, 0.0f, distanceView), Vector3.Zero, Vector3.Up);


            //Матрица проекции
            //При ее создании задаем следующие параметры:
            //1 - угол зрения в радианах
            //Соотношение сторон пикселей экрана
            //Ближний план пространства
            //Дальний план пространства

            projectionMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(
               MathHelper.ToRadians(45),
               (float)GraphicsDevice.Viewport.Width /
               (float)GraphicsDevice.Viewport.Height,
               1.0f, 30.0f);
        }

        /// <summary>
        /// Инициализация базовых эффектов (настроек параметров и способов обработки)
        /// используемых для работы с трехмерной моделью
        /// </summary>
        private void InitializeEffect()
        {
            //Создание объекта для вывода изображений
            basicEffect = new BasicEffect(graphics.GraphicsDevice);
            //Установка матриц
            basicEffect.World = worldMatrix;
            basicEffect.View = viewMatrix;
            basicEffect.Projection = projectionMatrix;

            // Цвета различных видов освещения
            basicEffect.AmbientLightColor = new Vector3(0.1f, 0.1f, 0.1f);
            basicEffect.DiffuseColor = new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f);
            basicEffect.SpecularColor = new Vector3(0.25f, 0.25f, 0.25f);
            basicEffect.SpecularPower = 5.0f;
            basicEffect.Alpha = 1.0f;
            //Включим освещение
            basicEffect.LightingEnabled = true;
            if (basicEffect.LightingEnabled)
            {
                basicEffect.DirectionalLight0.Enabled = true; // активируем каждый источник света отдельно
                if (basicEffect.DirectionalLight0.Enabled)
                {
                    // Направление по Х
                    basicEffect.DirectionalLight0.DiffuseColor = new Vector3(1, 0, 0); // диапазон от 0 до 1
                    basicEffect.DirectionalLight0.Direction = Vector3.Normalize(new Vector3(-1, 0, 0));
                    // Направление от источника света к началу координат сцены
                    basicEffect.DirectionalLight0.SpecularColor = Vector3.One;
                }

                basicEffect.DirectionalLight1.Enabled = true;
                if (basicEffect.DirectionalLight1.Enabled)
                {
                    // Направление по У
                    basicEffect.DirectionalLight1.DiffuseColor = new Vector3(0, 0.75f, 0);
                    basicEffect.DirectionalLight1.Direction = Vector3.Normalize(new Vector3(0, -1, 0));
                    basicEffect.DirectionalLight1.SpecularColor = Vector3.One;
                }

                basicEffect.DirectionalLight2.Enabled = true;
                if (basicEffect.DirectionalLight2.Enabled)
                {
                    // Направление по Z
                    basicEffect.DirectionalLight2.DiffuseColor = new Vector3(0, 0, 0.5f);
                    basicEffect.DirectionalLight2.Direction = Vector3.Normalize(new Vector3(0, 0, -1));
                    basicEffect.DirectionalLight2.SpecularColor = Vector3.One;
                }
            }

        }

        /// <summary>
        /// Инициализирует вершины и индексы 3D-модели
        /// </summary>
        private void InitializeCube()
        {
            //Вершины
            Vector3 topLeftFront = new Vector3(-1.0f, 1.0f, 1.0f);
            Vector3 bottomLeftFront = new Vector3(-1.0f, -1.0f, 1.0f);
            Vector3 topRightFront = new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f);
            Vector3 bottomRightFront = new Vector3(1.0f, -1.0f, 1.0f);
            Vector3 topLeftBack = new Vector3(-1.0f, 1.0f, -1.0f);
            Vector3 topRightBack = new Vector3(1.0f, 1.0f, -1.0f);
            Vector3 bottomLeftBack = new Vector3(-1.0f, -1.0f, -1.0f);
            Vector3 bottomRightBack = new Vector3(1.0f, -1.0f, -1.0f);
            //Текстуры
            Vector2 textureTopLeft = new Vector2(0.0f, 0.0f);
            Vector2 textureTopRight = new Vector2(1.0f, 0.0f);
            Vector2 textureBottomLeft = new Vector2(0.0f, 1.0f);
            Vector2 textureBottomRight = new Vector2(1.0f, 1.0f);
            //Нормали
            Vector3 frontNormal = new Vector3(0.0f, 0.0f, 1.0f);
            Vector3 backNormal = new Vector3(0.0f, 0.0f, -1.0f);
            Vector3 topNormal = new Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
            Vector3 bottomNormal = new Vector3(0.0f, -1.0f, 0.0f);
            Vector3 leftNormal = new Vector3(-1.0f, 0.0f, 0.0f);
            Vector3 rightNormal = new Vector3(1.0f, 0.0f, 0.0f);

            // Передняя стенка, 6 вершин для 2-х треугольников
            //из которых она состоит
            cubeVertices[0] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftFront, frontNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[1] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftFront, frontNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[2] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightFront, frontNormal, textureTopRight);
            cubeVertices[3] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftFront, frontNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[4] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightFront, frontNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[5] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightFront, frontNormal, textureTopRight);

            // Задняя стенка
            cubeVertices[6] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftBack, backNormal, textureTopRight);
            cubeVertices[7] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightBack, backNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[8] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftBack, backNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[9] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftBack, backNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[10] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightBack, backNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[11] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightBack, backNormal, textureBottomLeft);

            // Верхняя стенка
            cubeVertices[12] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftFront, topNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[13] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightBack, topNormal, textureTopRight);
            cubeVertices[14] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftBack, topNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[15] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftFront, topNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[16] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightFront, topNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[17] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightBack, topNormal, textureTopRight);

            // Нижняя стенка
            cubeVertices[18] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftFront, bottomNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[19] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftBack, bottomNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[20] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightBack, bottomNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[21] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftFront, bottomNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[22] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightBack, bottomNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[23] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightFront, bottomNormal, textureTopRight);

            // Левая стенка
            cubeVertices[24] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftFront, leftNormal, textureTopRight);
            cubeVertices[25] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftBack, leftNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[26] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftFront, leftNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[27] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftBack, leftNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[28] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomLeftBack, leftNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[29] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topLeftFront, leftNormal, textureTopRight);

            // Правая стенка 
            cubeVertices[30] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightFront, rightNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[31] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightFront, rightNormal, textureBottomLeft);
            cubeVertices[32] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightBack, rightNormal, textureBottomRight);
            cubeVertices[33] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightBack, rightNormal, textureTopRight);
            cubeVertices[34] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                topRightFront, rightNormal, textureTopLeft);
            cubeVertices[35] =
                new VertexPositionNormalTexture(
                bottomRightBack, rightNormal, textureBottomRight);
        }

        /// <summary>
        /// Allows the game to run logic such as updating the world,
        /// checking for collisions, gathering input, and playing audio.
        /// </summary>
        /// <param name="gameTime">Provides a snapshot of timing values.</param>
        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {
            // Allows the game to exit
            if (GamePad.GetState(PlayerIndex.One).Buttons.Back == ButtonState.Pressed)
                this.Exit();


            //Уменьшаем градус значение поворота матрицы
            wMX = wMX - 1f;
            wMY = wMY - 2f;
            wMZ = wMZ - 3f;
            //Модифицируем мировую матрицу
            worldMatrix = Matrix.CreateRotationX(MathHelper.ToRadians(wMX)) * Matrix.CreateRotationY(MathHelper.ToRadians(wMY)) *
             Matrix.CreateRotationZ(MathHelper.ToRadians(wMZ));

            //Меняем мировую матрицу
            basicEffect.World = worldMatrix;
            
            //Если расстояние меньше 15
            if (distanceView <= 15.0f)
            {
                //Увеличим
                distanceView = distanceView + 0.01f;
            }
            //Модифицируем матрицу вида
            viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(new Vector3(0.0f, 0.0f, distanceView), Vector3.Zero, Vector3.Up);
            //Заменим матрицу вида
            basicEffect.View = viewMatrix;

            base.Update(gameTime);
        }

        /// <summary>
        /// This is called when the game should draw itself.
        /// </summary>
        /// <param name="gameTime">Provides a snapshot of timing values.</param>
        protected override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            //Очистим экран
            graphics.GraphicsDevice.Clear(Color.SteelBlue);
            //Используется для определения того, как преобразовывать векторные данные в пиксельные
            RasterizerState rasterizerState1 = new RasterizerState();
            //Отключаем отсечени
            rasterizerState1.CullMode = CullMode.None;
            //Установим настроенное состояние прорисовки
            graphics.GraphicsDevice.RasterizerState = rasterizerState1;
            //Для каждого прохода в эффекте
            foreach (EffectPass pass in basicEffect.CurrentTechnique.Passes)
            {
                //Применить проход
                pass.Apply();
                //Вывести
                graphics.GraphicsDevice.DrawPrimitives(
                    PrimitiveType.TriangleList,
                    0,
                    12
                );
            }


            base.Draw(gameTime);
        }
    }
}

На рис. 23.1 вы можете видеть игровое окно

23.2. Вывод трехмерных моделей

Выводя графические примитивы, рассмотренные в предыдущем примере, довольно сложно и трудоемко создавать игровые сцены. Гораздо большими возможностями обладает подход к работе с трехмерной графикой, использующий вывод заранее подготовленных трехмерных моделей. Само по себе создание трехмерных моделей требует немало времени и искусства, для этого применяются специальные программы. В деле создания игр выделяется отдельная группа сотрудников – 3D-моделеров, которые занимаются исключительно созданием трехмерных моделей.

Мы использовали готовую бесплатную трехмерную модель Free Lowpoly Round Shield с сайта http://www.turbosquid.com.

Для вывода модели на экран необходимо добавить в проект соответствующие ей ресурсы, в нашем случае – модель в формате .FBX и текстуру в формате .JPG. Далее следует загрузить модель в игру, настроить её свойства и вывести на экран.

В трехмерной графике существует такое понятие, как Mesh (Сеть, иногда пользуются русской калькой с этого слова – мэш). Трехмерные модели состоят из сетей – линий, соединяющих вершины. Модель может состоять из нескольких взаимодействующих сетей, каждую из которых нужно обработать при выводе модели.

Создадим новый проект – P16_2 для демонстрации техники вывода трехмерной модели. На рис. 23.2 вы можете видеть окно Обозреватель решений этого проекта и окно Свойства для текстуры, предназначенной для наложения на модель. Трехмерные модели, которые предусматривают использование текстур, содержат в своих файлах указание на то, каким образом накладывать текстуру на объект, а так же – на файл текстуры. В нашем случае адрес файла текстуры задан в относительном выражении – то есть система будет искать этот файл в той же папке, в которой расположен файл трехмерной модели. Текстура подвергается преобразованиям в соответствии с командами, записанными в файле трехмерной модели, поэтому мы отключили параметр Действия при построении в свойствах текстуры.

содержит код класса Game1, реализующего вывод модели на экран.

using System;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;

namespace P16_2
{
    /// <summary>
    /// Это главный тип игры
    /// </summary>
    public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        GraphicsDeviceManager graphics;
        // Модель для вывода
        Model myModel;
        //Мировая матрица
        Matrix WorldMatrix;
        //Соотношение сторон окна вывода
        float aspectRatio;
        //Угол поворота для вращения модели
        float angle;

        public Game1()
        {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";
            graphics.IsFullScreen = true;
            // Частота кадра на Windows Phone по умолчанию — 30 кадров в секунду.
            TargetElapsedTime = TimeSpan.FromTicks(333333);
            // Дополнительный заряд аккумулятора заблокирован.
            InactiveSleepTime = TimeSpan.FromSeconds(1);
        }

        /// <summary>
        /// Позволяет игре выполнить инициализацию, необходимую перед запуском.
        /// Здесь можно запросить нужные службы и загрузить неграфический
        /// контент.  Вызов base.Initialize приведет к перебору всех компонентов и
        /// их инициализации.
        /// </summary>
        protected override void Initialize()
        {
            // ЗАДАЧА: добавьте здесь логику инициализации

            base.Initialize();
        }

        /// <summary>
        /// LoadContent будет вызываться в игре один раз; здесь загружается
        /// весь контент.
        /// </summary>
        protected override void LoadContent()
        {
            //загрузка модели
            myModel = Content.Load<Model>("RoundShield");
            //Установка соотношения сторон окна вывода
            aspectRatio = (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width /
            (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height;

            // ЗАДАЧА: используйте здесь this.Content для загрузки контента игры
        }

        /// <summary>
        /// UnloadContent будет вызываться в игре один раз; здесь выгружается
        /// весь контент.
        /// </summary>
        protected override void UnloadContent()
        {
            // ЗАДАЧА: выгрузите здесь весь контент, не относящийся к ContentManager
        }

        /// <summary>
        /// Позволяет игре запускать логику обновления мира,
        /// проверки столкновений, получения ввода и воспроизведения звуков.
        /// </summary>
        /// <param name="gameTime">Предоставляет моментальный снимок значений времени.</param>
        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {
            // Позволяет выйти из игры
            if (GamePad.GetState(PlayerIndex.One).Buttons.Back == ButtonState.Pressed)
                this.Exit();

            //увеличим угол поворота на 1
            angle++;
            //установим новую мировую матрицу
            //поворот по оси Y равен углу angle, поворот по X - 
            //angle, деленному на 5
            WorldMatrix = Matrix.CreateRotationY(MathHelper.ToRadians(angle)) *
                Matrix.CreateRotationX(MathHelper.ToRadians(angle / 5.0f));
            //Для каждой сети в модели
            foreach (ModelMesh mesh in myModel.Meshes)
            {
                //Для каждого эффекта в сети
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    //Установить освещение
                    effect.AmbientLightColor = new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f);
                    effect.DiffuseColor = new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f);
                    effect.LightingEnabled = true;

                    //установить матрицы
                    effect.World = WorldMatrix;
                    effect.View = Matrix.CreateLookAt(new Vector3(0.0f, 0.0f, 120.0f), Vector3.Zero, Vector3.Up);
                    effect.Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45.0f),
                         aspectRatio, 1.0f, 1000.0f);
                }
            }


            base.Update(gameTime);
        }

        /// <summary>
        /// Вызывается, когда игра отрисовывается.
        /// </summary>
        /// <param name="gameTime">Предоставляет моментальный снимок значений времени.</param>
        protected override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);
            // Вывод модели
            foreach (ModelMesh mesh in myModel.Meshes)
            {
                mesh.Draw();
            }
            base.Draw(gameTime);

        }
    }
}

На рис. 23.3 вы можете видеть окно проекта.

23.3. Выводы

В этой лабораторной работе мы ознакомились с формированием трехмерных объектов средствами XNA и с выводом заранее созданных трехмерных объектов. Второй способ гораздо перспективнее первого, так как позволяет конструировать модели в специальных визуальных редакторах, а в XNA лишь выводить модели и управлять ими. Первый способ предусматривает полное описание модели средствами XNA.

23.4. Задание

Создайте или найдите в Интернете трехмерную модель, выведите её на экран, используя BasicEffect, освойте управление игровой сценой с помощью рассмотренных в лабораторной работе методов.

23.5. Дополнительные материалы

К данной лабораторной работе прилагается видеоурок