从零3D基础入门XNA 4.0(2)——模型和BasicEffect

【题外话】

上一篇文章介绍了3D开发基础与XNA开发程序的整体结构,以及使用Model类的Draw方法将模型绘制到屏幕上。本文接着上一篇文章继续,介绍XNA中模型的结构、BasicEffect的使用以及用户输入和界面显示的方式等,本文尽量把遇到的概念都解析清楚,但又避开复杂的数学方面的知识,希望对没有接触过3D开发的同学有所帮助。

 

【系列索引】

  1. 从零3D基础入门XNA 4.0(1)——3D开发基础
  2. 从零3D基础入门XNA 4.0(2)——模型和BasicEffect

 

【文章索引】

  1. Model模型的结构
  2. BasicEffect效果的设置
  3. XNA的用户输入
  4. XNA界面的显示方式

 

【一、Model模型的结构】

上一篇文章使用Model自带的Draw方法实现了直接将载入的Model绘制到指定的位置上去,但是有时候绘制出来的效果并不符合我们的预期,比如下图(下图的模型是通过Maya创建的一个屋子):

通过ILSpy查看Microsoft.Xna.Framework.Graphics.Model,可以看到其Draw方法的代码如下:

 1 public void Draw(Matrix world, Matrix view, Matrix projection)
 2 {
 3     int count = this.meshes.Count;
 4     int count2 = this.bones.Count;
 5     Matrix[] array = Model.sharedDrawBoneMatrices;
 6     if (array == null || array.Length < count2)
 7     {
 8         array = new Matrix[count2];
 9         Model.sharedDrawBoneMatrices = array;
10     }
11     this.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(array);
12     for (int i = 0; i < count; i++)
13     {
14         ModelMesh modelMesh = this.meshes[i];
15         int index = modelMesh.ParentBone.Index;
16         int count3 = modelMesh.Effects.Count;
17         for (int j = 0; j < count3; j++)
18         {
19             Effect effect = modelMesh.Effects[j];
20             if (effect == null)
21             {
22                 throw new InvalidOperationException(FrameworkResources.ModelHasNoEffect);
23             }
24             IEffectMatrices effectMatrices = effect as IEffectMatrices;
25             if (effectMatrices == null)
26             {
27                 throw new InvalidOperationException(FrameworkResources.ModelHasNoIEffectMatrices);
28             }
29             effectMatrices.World = array[index] * world;
30             effectMatrices.View = view;
31             effectMatrices.Projection = projection;
32         }
33         modelMesh.Draw();
34     }
35 }
View Code

其中可见,Draw方法通过遍历模型的Mesh,然后再遍历每个Mesh的Effect,并对每个Effect进行设置,最后使用Mesh的Draw方法将其绘制到屏幕上。

为了了解Model的渲染,我们首先需要了解Model的结构。实际上,在一个Model对象中,包含Bone集合(model.Bones)、Mesh集合(model.Meshes)以及根Bone(model.Root)三个属性,其结构和关系如下

可以看到对于每个ModelMesh,包含一组ModelMeshPart与一个ParentBone。其中,

  • ModelMesh表示单个可以独立移动的物理对象。例如,一个car的Model可以包含一个车体(body)的ModelMesh、四个车轮(wheel)的ModelMesh与一对门(door)的ModelMesh。
  • ModelMeshPart表示单个相同材料的部件,其代表一个单独的绘制调用(draw call)。例如,上述车身可以包含着色的表面、使用环境映射(environment mapping)效果的挡风玻璃以及使用法线贴图(normalmap texture)效果的座椅等等。
  • ModelBone表示了对应的ModelMesh如何变换,其包含一个Transform的变换矩阵。ModelBone是以树形存储的,每个ModelBone都有一个父节点以及若干个子节点。上述的每个ModelMesh都有一个ParentBone,ModelMesh可以根据ModelBone的变换来确定最终显示的位置等。例如,上述车门的ModelBone与车轮的ModelBone是车身的子节点等等。

所以遍历一个Model中所有的ModelMesh,然后遍历其中所有的ModelMeshPart,并且根据ModelMesh的ParentBone来将每一个ModelMeshPart绘制到指定的位置上就可以绘制出完整的Model。

不过对于每个ModelMeshPart,其实际渲染的效果都存在Effect的属性中,对于默认来说,Effect均为BasicEffect。此外,对于ModelBone,其变换矩阵都是相对其自身的Parent来的,不过Model类也提供了一个方法,即CopyAbsoluteBoneTransformsTo(),即可将每个Bone相对于RootBone的变换矩阵复制到一个矩阵数组中,然后将其应用到Effect中即可。这种方式与上述提到的Model.Draw类似,不过自己写的话就可以自定义每个ModelMeshPart渲染的效果,当然也可以设置每个ModelMeshPart的渲染位置。

那么接下来就按照这个思路去实现,同时在设置每一个Effect时,使用Effect提供的使用默认光照的方法EnableDefaultLighting(),启用后效果如下:

这样的效果就达到了我们的预期,按上述的方法实现的代码如下:

 1 Matrix world = Matrix.CreateWorld(Vector3.Zero, Vector3.Forward, Vector3.Up);
 2 
 3 Matrix[] transforms = new Matrix[model.Bones.Count];
 4 this.model.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(transforms);
 5 
 6 foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)
 7 {
 8     Int32 boneIndex = mesh.ParentBone.Index;
 9 
10     foreach (ModelMeshPart part in mesh.MeshParts)
11     {
12         BasicEffect effect = part.Effect as BasicEffect;
13         
14         effect.EnableDefaultLighting();
15         effect.World = transforms[boneIndex] * world;
16         effect.View = cameraView;
17         effect.Projection = cameraProjection;
18     }
19 
20     mesh.Draw();
21 }
View Code

不过这与刚才看到的Model.Draw的代码并不相同。实际上,XNA为了简化操作,已经将ModelMeshPart的每个Effect放到了ModelMesh的Effects集合中,只需要遍历这个集合就可以,而无需再遍历ModelMeshPart,再获取Effect了。所以上述代码可以简化为如下的代码:

 1 Matrix world = Matrix.CreateWorld(Vector3.Zero, Vector3.Forward, Vector3.Up);
 2 
 3 Matrix[] transforms = new Matrix[model.Bones.Count];
 4 this.model.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(transforms);
 5 
 6 foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)
 7 {
 8     Int32 boneIndex = mesh.ParentBone.Index;
 9     
10     foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
11     {
12         effect.EnableDefaultLighting();
13         effect.World = transforms[boneIndex] * world;
14         effect.View = cameraView;
15         effect.Projection = cameraProjection;
16     }
17 
18     mesh.Draw();
19 }

 

【二、BasicEffect效果的设置】

首先用ILSpy查看下BasicEffect的EnableDefaultLighting()的代码:

public void EnableDefaultLighting()
{
    this.LightingEnabled = true;
    this.AmbientLightColor = EffectHelpers.EnableDefaultLighting(this.light0, this.light1, this.light2);
}

其中this.light0-2为BasicEffect的DirectionalLight0-2,即BasicEffect可以时候的三个光源。而EffectHelpers的EnableDefaultLighting是这样写的:

 1 internal static Vector3 EnableDefaultLighting(DirectionalLight light0, DirectionalLight light1, DirectionalLight light2)
 2 {
 3     light0.Direction = new Vector3(-0.5265408f, -0.5735765f, -0.6275069f);
 4     light0.DiffuseColor = new Vector3(1f, 0.9607844f, 0.8078432f);
 5     light0.SpecularColor = new Vector3(1f, 0.9607844f, 0.8078432f);
 6     light0.Enabled = true;
 7     light1.Direction = new Vector3(0.7198464f, 0.3420201f, 0.6040227f);
 8     light1.DiffuseColor = new Vector3(0.9647059f, 0.7607844f, 0.4078432f);
 9     light1.SpecularColor = Vector3.Zero;
10     light1.Enabled = true;
11     light2.Direction = new Vector3(0.4545195f, -0.7660444f, 0.4545195f);
12     light2.DiffuseColor = new Vector3(0.3231373f, 0.3607844f, 0.3937255f);
13     light2.SpecularColor = new Vector3(0.3231373f, 0.3607844f, 0.3937255f);
14     light2.Enabled = true;
15     return new Vector3(0.05333332f, 0.09882354f, 0.1819608f);
16 }
View Code

可以看到在启用默认光照里实际上是给环境光AmbientLightColor以及三束定向光(包括光线的方向、漫反射颜色及镜面反射颜色)设置了预先定义好的颜色,并启用了这些光源,这三束定向光的颜色(Light1的漫反射光的颜色如下,但其镜面反射光的颜色为黑色)和方向大致如下。

下图第一个为启用了默认光照后的模型(上一篇文章中的dude),第二、三、四个为只启用默认光照的环境光及0、1、2三束定向光后的模型,第五个为没有启用默认光照的模型(如同上一篇产生的效果一样):

当然,在很多情况下(比如户外的日光等),我们仅需要一个光源,届时我们只要禁用(DirectionalLight*.Enabled = false)其他两个定向光即可,当然我们可能还需要修改光源的颜色等等。

除了使用EnableDefaultLighting,BasicEffect还提供了比较丰富的参数可以设置。首先来看下上述例子中Effect默认的属性:

其中与光线有关的:

  • LightingEnabled:是否开启光照(默认为false)。
  • PreferPerPixelLighting:是否开启逐像素的光照(默认为false,为逐顶点光照),逐像素光照相对于逐点光照效果更好,但速度也更慢,同时还需要显卡支持Pixel Shader Model 2.0,如果显卡不支持的话会自动使用逐顶点光照代替。
  • AmbientLightColor:环境光颜色(默认为Vector3.Zero)。为了在局部光照模型(模型间的光照互不影响)中增强真实感,引入了环境光的概念。环境光不依赖任何光源,但其影响所有物体。
  • DiffuseColor:漫反射颜色(默认为Vector3.One)。光线照到物体后,物体进行漫反射,其颜色与光线的方向有关。
  • SpecularColor:镜面反射颜色。光线照到物体后,物体进行全反射,其颜色不仅与光线的方向有关,还与观察(相机)的方向有关。
  • EmissiveColor:放射颜色(默认为Vector3.Zero)。放射光是指物体发出的光线,但在局部光照模型中,实际上不会对其他物体产生影响。
  • DirectionalLight0、DirectionalLight1、DirectionalLight2:三束定向光(每束都包括光线的方向、漫反射颜色与镜面反射颜色)。

其中需要注意的是,在XNA中,颜色的存储并不是使用的Color(ARGB或ABGR),而是使用的Vector3(或Vector4)。对于Vector3,其x、y、z三个分量存储的分别是R、G、B分别除以255的浮点值(Vector4的w分量存储的是Alpha通道除以255的浮点值),所以Vector3.Zero即为黑色,而Vector3.One为白色。当然XNA也提供了一个Color类,并且Color也提供了提供了直接转换为Vector3(或Vector4)的方法ToVector3()(或ToVector4())。

除此之外,BasicEffect还支持设置雾的效果:

  • FogEnabled:是否开启雾的效果(默认为false)。
  • FogColor:雾的颜色(默认为Vector3.Zero)。
  • FogStart:雾距离相机的开始(最近)值(默认为0.0F),这个距离之内的东西不受雾的影响。
  • FogEnd:雾距离相机的结束(最远)值(默认为1.0F),这个距离之外的东西完全看不清。

也就是说,雾将会在距离相机(FogStart - FogEnd)的地方产生,这个距离需要根据物体所在的位置决定。设Distance为物体距离相机的距离,则Distance<FogStart<FogEnd时,物体不受雾的影响,与没有雾时一样;当FogStart<FogEnd<Distance时,物体完全看不清(即物体全部为雾的颜色);当FogStart<Distance<FogEnd时,物体受雾的影响,物体离FogEnd越近则越看不清。

例如当人的模型在(0, 0, 0),相机在(120, 120, 120)处,雾的颜色为Gray。下图第一个为没有加雾的效果,第二个为FogStart - FogEnd为200 - 300,第三个为1 - 300,第四个为1 - 100。

 

【三、XNA的用户输入】

在默认生成XNA程序中的Update方法里,有一个获取GamePad的状态,当用户1的GamePad按下了“Back”键后将会退出程序。微软对用户输入的支持都在Microsoft.Xna.Framework.Input中,除了GamePad之外,微软还支持获取Keyboard、Mouse这两种的状态。此外在Microsoft.Xna.Framework.Input.Touch中,还有TouchPanel可以获取触摸的状态。与GamePad相同,其他的这些状态也都是通过微软提供给类中的GetState()方法进行获取。

例如要获取键盘和鼠标的状态,我们可以通过如下方式:

KeyboardState kbState = Keyboard.GetState();
MouseState mouseState = Mouse.GetState();

对于判断键盘的按键,可以通过如下的方式获取是否按下了指定按键:

Boolean pressed = kbState.IsKeyDown(Keys.Enter);

而对于鼠标的按键,则需要判断按键的ButtonState才可以,例如判断鼠标左键是否按下:

Boolean pressed = (mouseState.LeftButton == ButtonState.Pressed);

除此之外,如果要判断鼠标是否在程序区域内,可以通过如下的方式判断

if (this.GraphicsDevice.Viewport.Bounds.Contains(mouseState.X, mouseState.Y))
{
    //TODO
}

虽然在大多数情况下,如果让用户操作鼠标的话会在程序内显示一个自定义的指针。但有时候写个小程序,为了简单希望直接使用系统的指针,我们可以在程序的任意位置(构造方法、Initialize甚至Update也可)写如下的代码,就可以显示鼠标指针了,反之则可以隐藏:

this.IsMouseVisible = true;

 

【四、XNA界面的显示方式】

默认情况下,运行XNA的程序会自动以800*480的分辨率显示,若要修改显示的分辨率,其实非常简单,仅需要在Game的构造方法中添加如下代码即可:

graphics.PreferredBackBufferWidth = 1024;
graphics.PreferredBackBufferHeight = 768;

这样XNA的程序就能按照我们设定的分辨率显示了。除此之外,如果我们希望XNA的程序能全屏显示,我们还可以添加如下的代码:

graphics.IsFullScreen = true;

当然我们还可以让用户来切换全屏与窗口化,但是这行代码写在Update()中是不起作用的,不过XNA提供另外一个方法,就是graphics.ToggleFullScreen()。例如我们需要按F键进行全屏与窗口化的切换,可以编写如下的代码:

KeyboardState kbState = Keyboard.GetState();
if (kbState.IsKeyDown(Keys.F))
{
    graphics.ToggleFullScreen();
}

 

【相关链接】

  1. Model Class:http://msdn.microsoft.com/en-us/library/Microsoft.Xna.Framework.Graphics.Model.aspx
  2. Models, meshes, parts, and bones:http://blogs.msdn.com/b/shawnhar/archive/2006/11/20/models-meshes-parts-and-bones.aspx
  3. What Is a Model Bone?:http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd904249.aspx
  4. BasicEffect Lighting:http://rbwhitaker.wikidot.com/basic-effect-lighting
  5. BasicEffect Fog:http://rbwhitaker.wikidot.com/basic-effect-fog
  6. 一起学WP7 XNA游戏开发(七. 3d基本光源):http://www.cnblogs.com/randylee/archive/2011/03/09/1978312.html
  7. 【D3D11游戏编程】学习笔记十二:光照模型:http://blog.csdn.net/bonchoix/article/details/8430561
posted @ 2014-01-06 02:22 大魔王mAysWINd 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏