Пространственные преобразования объектов

Примеры к лабораторной работе

Задачи работы

Пространственные преобразования объектов

Создадим новый проект P15_1 и на его примере рассмотрим следующие пространственные преобразования объектов

Для выполнения этих операций нам понадобится модификация мировой матрицы. Модификации, соответствующие перемещению объекта мы выполним по клавиатурным командам, остальные модификации будут выполняться автоматически в цикле обновления.

Для этого примера мы создали несколько простых трехмерных моделей в редакторе Blender. В частности – это два разноцветных шара и куб. Вот как выглядит игровой экран проекта P15_1 (рис. 20.1.).

Для упрощения работы с несколькими игровыми объектами мы создадим игровой компонент - modCls, который будет отвечать за хранение параметров, соответствующих этим объектам и за их визуализацию. В листинге 20.1. вы можете видеть код этого объекта.

using System;
using System.Collections.Generic;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Storage;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;

namespace P15_1
{
    public class modCls : Microsoft.Xna.Framework.DrawableGameComponent
    {
        //Модель
        Model myModel;
        //Мировая матрица
        public  Matrix WorldMatrix;
        //Соотношение сторон экрана
        public  float aspectRatio;
        //Для управления графическим устройством
        GraphicsDeviceManager graphics;
        //Конструктор получает на вход 
        //игровой класс, модель, объект для управления графическим устройством
        public modCls(Game game, Model mod, GraphicsDeviceManager grf)
            : base(game)
        {
            myModel = mod;
            graphics = grf;
            aspectRatio = (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width /
(float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height;
        }

        public override void Initialize()
        {
            // TODO: Add your initialization code here
            base.Initialize();
        }

        public override void Update(GameTime gameTime)
        {

            foreach (ModelMesh mesh in myModel.Meshes)
            {
                //Для каждого эффекта в сети
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    //Установить освещение по умолчанию
                    effect.LightingEnabled = true;
                    effect.EnableDefaultLighting();
                    //установить матрицы
                    effect.World = WorldMatrix;
                    effect.View = Matrix.CreateLookAt(new Vector3(0.0f, 0.0f, 10.0f), Vector3.Zero, Vector3.Up);
                    effect.Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45.0f),
                         aspectRatio, 1.0f, 1000.0f);
                }
            }

            base.Update(gameTime);
        }
        public override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            foreach (ModelMesh mesh in myModel.Meshes)
            {
                mesh.Draw();
            }
            base.Draw(gameTime);
        }
    }
}

Управление объектами возложено на основной игровой класс – его метод Update используется для вычисления новых позиций объектов и обновления информации объектов. Код этого класса вы можете видеть в листинге 20.2. Шар, расположенный сверху, автоматически циклически изменяет размер, куб вращается вокруг осей X и Y, шар, расположенный ниже, можно перемещать. Клавиши-стрелки используются для перемещения по осям X и Y (вверх, вниз, влево и вправо), клавиши W и S перемещают объект вперед и назад по оси Z.

using System;
using System.Collections.Generic;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Net;
using Microsoft.Xna.Framework.Storage;

namespace P15_1
{
    public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        GraphicsDeviceManager graphics;
        //Мировая матрица
        Matrix WorldMatrixM, WorldMatrixM1, WorldMatrixM2;
        //Направление движения для модели modelCls1
        Vector3 directM1;
        //Модели - 
        //modelCls вращается
        //modelCls1 перемещается по клавиатурным командам
        //modelCls2 изменяет размер
        modCls modelCls, modelCls1, modelCls2;
        //Переменные для текущего размера и 
        //текущего приращения размера модели modelCls2
        float size, sizeDelta;
        public Game1()
        {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";
        }

        protected override void Initialize()
        {
            // TODO: Add your initialization logic here

            base.Initialize();
        }

        protected override void LoadContent()
        {
            //загрузка моделей и создание объектов, используемых для 
            //хранения информации о моделях и их вывода на экран
            modelCls = new modCls(this, Content.Load<Model>("cube"), graphics);
            modelCls1 = new modCls(this, Content.Load<Model>("ball"), graphics);
            modelCls2 = new modCls(this, Content.Load<Model>("ball2"), graphics);
            //Добавляем объекты в коллекцию Components - для их 
            //автоматического вывода на экран
            Components.Add(modelCls);
            Components.Add(modelCls1);
            Components.Add(modelCls2);
            //Значения для приращения размера и текущего размера
            sizeDelta = 0.01f;
            size = 0.5f;
            //Установка исходного положения для модели modelCls1
            directM1 = new Vector3(2.0f, -1.0f, 1.0f);
            //Установка матриц, которые используются для управления объектами
            WorldMatrixM = Matrix.Identity;
            WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            WorldMatrixM2 = Matrix.CreateScale(size);
        }

        protected override void UnloadContent()
        {
            // TODO: Unload any non ContentManager content here
        }

        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {


            KeyboardState kb = Keyboard.GetState();
            //По нажатии клавиши-стрелки "вверх" перемещаем модель
            //modelCls1 вверх
            if (kb.IsKeyDown(Keys.Up))
            {
                directM1.Y=directM1 .Y +0.1f;
                WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            }
            //Нажатие клавиши "вниз" - перемещение вниз
            if (kb.IsKeyDown(Keys.Down))
            {
                directM1.Y = directM1.Y - 0.1f;
                WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            }
            //Нажатие клавиши "влево" - перемещение влево
            if (kb.IsKeyDown(Keys.Left))
            {
                directM1.X = directM1.X - 0.1f;
                WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            }
            //Нажатие клавиши "вправо" - перемещение вправо
            if (kb.IsKeyDown(Keys.Right))
            {
                directM1.X = directM1.X + 0.1f;
                WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            }
            //Нажатие клавиши "W" - перемещение вперед
            if (kb.IsKeyDown(Keys.W))
            {
                directM1.Z = directM1.Z - 0.1f;
                WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            }
            //Нажатие клавиши "S" - перемещение назад
            if (kb.IsKeyDown(Keys.S))
            {
                directM1.Z = directM1.Z + 0.1f;
                WorldMatrixM1 = Matrix.CreateTranslation(directM1);
            }
            
            //Если текущий размер меньше 0.5 - 
            //устанавливаем приращение, равное 0.01
            //Если текущий размер больше 1.5 -
            //устанавливаем приращение -0.01
            if (size < 0.5) sizeDelta = 0.01f;
            if (size > 1.5) sizeDelta = -0.01f;
            size += sizeDelta;

            //Матрица для объекта modelCls1 устанавливается для поворота его вокруг
            //осей X и Y на один градус
            WorldMatrixM = WorldMatrixM * Matrix.CreateRotationY(MathHelper.ToRadians(1))*
                Matrix .CreateRotationX (MathHelper .ToRadians (1));
            //Установка матрицы для объекта modelCls2
            WorldMatrixM2 = Matrix.CreateScale(size) * Matrix.CreateTranslation(new Vector3(-5.0f, 2.0f, -3.0f));
            //Передаем матрицы объектам
            modelCls.WorldMatrix = WorldMatrixM;
            modelCls1.WorldMatrix = WorldMatrixM1;
            modelCls2.WorldMatrix = WorldMatrixM2;
            base.Update(gameTime);
        }

   
        protected override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            graphics.GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);
            
            base.Draw(gameTime);
        }
    }
}

Рассмотрев способы модификации объектов, поговорим об особенностях настройки камеры.

Настройка перемещения камеры: базовые приемы

Камера играет огромную роль в трехмерных играх. В играх от первого лица позиция камеры ассоциируется с позицией игрока. Примерами таких игр игры класса simulator, shooter. В играх от третьего лица (strategy) камера расположена выше игрока и сдвинута назад – играющий может видеть своего персонажа и часть карты.

Рассмотрим простой пример управления камерой, в котором реализовано перемещение камеры, а так же изменение угла зрения. Фактически это – пример работы камеры от первого лица. Изменение угла зрения очень похоже на изменение фокусного расстояния в оптических приборах – увеличение фокусного расстояния, которое приводит к уменьшению угла зрения, позволяет "приближать" далеко расположенные объекты. Уменьшение фокусного расстояния, соответствующее увеличению угла зрения, позволяет охватить взглядом большую территорию.

Создадим новый проект – P15_2. Рассмотрим на его примере вышеописанные операции с камерой.

В листинге 20.3. вы можете найти код класса Game1, реализующего демонстрацию работы с камерой.

using System;
using System.Collections.Generic;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Net;
using Microsoft.Xna.Framework.Storage;

namespace P15_2
{
    public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        //соотношение сторон окна вывода
        float aspectRatio;

        //Матрицы
        Matrix viewMatrix;
        Matrix projMatrix;
        Matrix worldMatrix;
        //Модель
        Model ball;
        
        // Позиция и вращение камеры
        Vector3 camPos = new Vector3(0, 0, -50);
        float camRotation;

        // Направление камеры
        Vector3 cameraDirection = new Vector3(0, 0, 1);

        // Установка скорости поворота и передвижения
        float rotationSpeed = 0.01f;
        float forwardSpeed = 1.0f;

        //Угол зрения камеры
        float viewAngle = MathHelper.ToRadians(45.0f);
        GraphicsDeviceManager graphics;

        public Game1()
        {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";
        }

        protected override void Initialize()
        {
            // TODO: Add your initialization logic here

            base.Initialize();
        }

        protected override void LoadContent()
        {
            //Загрузка модели
            ball = Content.Load<Model>("ball");
            //Установка мировой матрицы
            worldMatrix = Matrix.Identity;
            //Соотношение сторон
            aspectRatio = (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width /
(float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height;
     
        }

        protected override void UnloadContent()
        {
            // TODO: Unload any non ContentManager content here
        }

        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {
            //Получить состояние клавиатуры
            KeyboardState keyboardState = Keyboard.GetState();

            //Поворот влево
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Left))
            {
                 camRotation += rotationSpeed;
            }
            //Поворот вправо
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Right))
            {
                camRotation -= rotationSpeed;
            }

            //Переедвижение вперед
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Up))
            {
                //Создаем матрицу поворота
                Matrix forwardMov = Matrix.CreateRotationY(camRotation);
                //Создаем новый вектор, содержащий скорость движения
                Vector3 v = new Vector3(0, 0, forwardSpeed);
                //Трансформируем матрицу в вектор
                v = Vector3.Transform(v, forwardMov);
                //модифицируем позицию таким образом, чтобы
                //она соответствовала новым данным
                camPos.Z += v.Z;
                camPos.X += v.X;
            }
            //Передвижение назад
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Down))
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(camRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, 0, -forwardSpeed);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);
                camPos.Z += v.Z;
                camPos.X += v.X;
            }

            //Уменьшение угла обзора камеры
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.W))
            {
                viewAngle -= MathHelper.ToRadians(1.0f);
            }
            //Увеличение угла обзора камеры
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.S))
            {
                viewAngle += MathHelper.ToRadians(1.0f);
            }
            //Если новый угол обзора вышел за дозволенные пределы
            //изменяем его
            if (viewAngle > MathHelper.ToRadians(180.0f)) viewAngle = MathHelper.ToRadians(179.9f);
            if (viewAngle < MathHelper.ToRadians(0.0f)) viewAngle = MathHelper.ToRadians(0.1f);

            Matrix rotationMatrix = Matrix.CreateRotationY(camRotation);

            // Вектор направления камеры
            Vector3 cameraTransformed = Vector3.Transform(cameraDirection, rotationMatrix);

            // Вычисляем положение камеры
            Vector3 cameraLookat = camPos + cameraTransformed;

            // Устанавливаем матрицу вида
            viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(camPos, cameraLookat, new Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
            //Устанавливаем проекционную матрицу
            projMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(viewAngle, aspectRatio, 1.0f, 1000.0f);

            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)
        {
            graphics.GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

            foreach (ModelMesh mesh in ball.Meshes)
            {
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    effect.LightingEnabled = true;
                    effect.EnableDefaultLighting();
                    effect.Projection = projMatrix;
                    effect.View = viewMatrix;
                    effect.World = worldMatrix;

                }
                mesh.Draw();
            }

            base.Draw(gameTime);
        }
    }
}

На рис. 20.2. вы можете видеть изображение игрового экрана проекта P15_2.

Шар, который мы видим в окне, искажен – угол обзора камеры увеличен, а расстояние от камеры до объекта сильно уменьшено.

Настройка перемещения камеры: продвинутые приемы

Рассмотрим пример, иллюстрирующий работу с камерой в режиме от первого лица и в режиме вида от третьего лица. Для подготовки этого примера мы использовали справочные материалы по XNA.

Создадим новый проект P15_3. Наш проект выполняет следующие действия. Он выводит на экран плоскость и набор кубов, среди которых может двигаться шар. Причем, движение может осуществляться в двух режимах. В первом режиме демонстрируется работа камеры при виде от первого лица – шар в таком случае не выводится, сцена выглядит так, как будто мы смотрим на нее с позиции шара. Во втором режиме демонстрируется вид от третьего лица – камера находится выше объекта. В играх часто применяется следующий прием – главный игровой объект неподвижен, а игровой мир перемещается, создавая иллюзию движения этого объекта. В нашем случае все выглядит точно так же – шар неподвижно находится в центре экрана, но за счет перемещения игровой сцены создается иллюзия его движения по экрану и по сцене.

В листинге 20.4. вы можете найти код класса Game1, который содержит пример. Для перемещения используются клавиши-стрелки, для смены состояний камеры – клавиши A и S. Клавиша A переключает программу в режим камеры от первого лица, S – в режим вида от третьего лица. Клавиша R уменьшает поле зрения камеры, клавиша F – увеличивает.

using System;
using System.Collections.Generic;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Net;
using Microsoft.Xna.Framework.Storage;

namespace P15_3
{
    public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        GraphicsDeviceManager graphics;
        //Матрицы
        Matrix viewMatrix;
        Matrix projMatrix;
        //Модели
        Model ball, cube, plane;
        // Позиция объекта, поворот
        Vector3 avatarPosition = new Vector3(0, 0, -50);
        float avatarlRotation;

        // Положение камеры
        Vector3 cameraReference = new Vector3(0, 0, 10);
        Vector3 thirdPersonReference = new Vector3(0, 200, -200);

        // Скорости поворота и движения
        float rotationSpeed = 1f / 60f;
        float forwardSpeed = 50f / 60f;

        //Поле зрения камеры
        float viewAngle = MathHelper.ToRadians(45.0f);

        //Расстояние от камеры до переднего и заднего плана
        //static float nearClip = 5.0f;
        float nearClip = 1.0f;
        float farClip = 2000.0f;

        // Установка позиции камеры 2 - вид от третьего лица
        //1 - от первого лица
        int cameraState = 2;
        //Соотношение сторон экрана
        float aspectRatio;
       public Game1()
        {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";
            
        }

        protected override void Initialize()
        {
            // TODO: Add your initialization logic here

            base.Initialize();
        }
        protected override void LoadContent()
        {
            //Загрузка моделей
            ball = Content.Load<Model>("ball");
            cube = Content.Load<Model>("cube");
            plane = Content.Load<Model>("plane");
            aspectRatio = (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width /
  (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height;
        }

        protected override void UnloadContent()
        {
            // TODO: Unload any non ContentManager content here
        }

        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {
          //обновить положение объекта
            UpdateAvatarPosition();
            base.Update(gameTime);
        }

        protected override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            graphics.GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);
            //Если состояние камеры 1 - вызвать процедуру
            //обновлеие камеры от первого лица
            //если 2 - от третьего лица
            switch (cameraState)
            {
                case 1:
                    UpdateCamera();
                    break;
                case 2:
                    UpdateCameraThirdPerson();
                    break;
            }
            //вывести объекты сцены
            DrawScene();
                      //Если выбран вид от третьего лица - вывести объект
            if (cameraState == 2)
            {
                DrawModel(ball, Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation) * Matrix.CreateTranslation(avatarPosition));
            }
          
            base.Draw(gameTime);
        }

        //Обновляем состояние объекта
        void UpdateAvatarPosition()
        {
            KeyboardState keyboardState = Keyboard.GetState();

            //Поворот влево
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Left))
            {
                avatarlRotation += rotationSpeed;
            }
            //Поворот вправо
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Right) )
            {
                avatarlRotation -= rotationSpeed;
            }
            //Движение вперед
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Up) )
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, 0, forwardSpeed);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);
                avatarPosition.Z += v.Z;
                avatarPosition.X += v.X;
            }
            //Движение назад
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Down) )
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, 0, -forwardSpeed);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);
                avatarPosition.Z += v.Z;
                avatarPosition.X += v.X;
            }
            //Переключить на режим камеры от первого лица
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.A))
            {
                cameraState=1;
            }

            //Переключить на режим камеры от третьего лица
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.S))
            {
                cameraState = 2;
            }
            //Уменьшение угла обзора камеры
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.R))
            {
                viewAngle -= MathHelper.ToRadians(1.0f);
            }
            //Увеличение угла обзора камеры
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.F))
            {
                viewAngle += MathHelper.ToRadians(1.0f);
            }
            //Если новый угол обзора вышел за дозволенные пределы
            //изменяем его
            if (viewAngle > MathHelper.ToRadians(180.0f)) viewAngle = MathHelper.ToRadians(179.9f);
            if (viewAngle < MathHelper.ToRadians(0.0f)) viewAngle = MathHelper.ToRadians(0.1f);
        }

        //Обновляем состояние камеры при выбранном виде от первого лица
        void UpdateCamera()
        {
            //Текущая позиция камеры
            Vector3 cameraPosition = avatarPosition;
            //Поворот
            Matrix rotationMatrix = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);

            // Направление камеры
            Vector3 transformedReference = Vector3.Transform(cameraReference, rotationMatrix);

            // Новая позиция камеры
            Vector3 cameraLookat = cameraPosition + transformedReference;

            //Матрица вида
            viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(cameraPosition, cameraLookat, new Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
            //проекционная матрица
            projMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(viewAngle, aspectRatio, nearClip, farClip);
        }

        //Обновляем положение камеры при выбранном виде от третьего лица
        void UpdateCameraThirdPerson()
        {
            //Поворот камеры
            Matrix rotationMatrix = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);

            // Направление камеры
            Vector3 transformedReference = Vector3.Transform(thirdPersonReference, rotationMatrix);

            // Позиция камеры
            Vector3 cameraPosition = transformedReference + avatarPosition;

            //Матрица вида
            viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(cameraPosition, avatarPosition, new Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
            //Проецкионная матрица
            projMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(viewAngle, aspectRatio, nearClip, farClip);
        }

       //Вывод объектов сцены
        void DrawScene()
        {
            //Вывести кубы, расположенные в пять рядов
            //по пять штук в трех уровнях
            for (int x = 0; x < 5; x++)
            {
                for (int y = 0; y < 3; y++)
                {
                    for (int z = 0; z < 5; z++)
                    {
                        DrawModel(cube, Matrix.CreateTranslation(x * 40, y * 3, z * 40));
                    }
                }
            }
            //Вывести плоскость - при выводе увеличиваем модель и поворачиваем соответствующим
            //образом
            DrawModel(plane, Matrix.CreateScale (100)*Matrix .CreateRotationY (MathHelper .ToRadians (90))*
                Matrix.CreateRotationZ(MathHelper.ToRadians(90))*
                Matrix .CreateTranslation (80,-2.5f,80));
        }

        //Процедура вывода модели
        //Принимает мировую матрицу для позиционирования модели
        //и переменную модели

        void DrawModel(Model model, Matrix world)
        {
            foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)
            {
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    effect.LightingEnabled = true;
                    effect.EnableDefaultLighting();
                    effect.Projection = projMatrix;
                    effect.View = viewMatrix;
                    effect.World = world;
                }
                mesh.Draw();
            }
        }
    }
}