從零3D基礎入門XNA 4.0(2)——模型和BasicEffect

【題外話】

上一篇文章介紹了3D開發基礎與XNA開發程序的總體結構，以及使用Model類的Draw方法將模型繪製到屏幕上。本文接着上一篇文章繼續，介紹XNA中模型的結構、BasicEffect的使用以及用戶輸入和界面顯示的方式等，本文儘可能把遇到的概念都解析清楚，但又避開復雜的數學方面的知識，但願對沒有接觸過3D開發的同窗有所幫助。

 

【系列索引】

1. 從零3D基礎入門XNA 4.0(1)——3D開發基礎
2. 從零3D基礎入門XNA 4.0(2)——模型和BasicEffect

 

【文章索引】

1. Model模型的結構
2. BasicEffect效果的設置
3. XNA的用戶輸入
4. XNA界面的顯示方式

 

【1、Model模型的結構】

上一篇文章使用Model自帶的Draw方法實現了直接將載入的Model繪製到指定的位置上去，可是有時候繪製出來的效果並不符合咱們的預期，好比下圖（下圖的模型是經過Maya建立的一個屋子）：

經過ILSpy查看Microsoft.Xna.Framework.Graphics.Model，能夠看到其Draw方法的代碼以下：

 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

其中可見，Draw方法經過遍歷模型的Mesh，而後再遍歷每一個Mesh的Effect，並對每一個Effect進行設置，最後使用Mesh的Draw方法將其繪製到屏幕上。

爲了瞭解Model的渲染，咱們首先須要瞭解Model的結構。實際上，在一個Model對象中，包含Bone集合（model.Bones）、Mesh集合（model.Meshes）以及根Bone（model.Root）三個屬性，其結構和關係以下：

能夠看到對於每一個ModelMesh，包含一組ModelMeshPart與一個ParentBone。其中，

• ModelMesh表示單個能夠獨立移動的物理對象。例如，一個car的Model能夠包含一個車體（body）的ModelMesh、四個車輪（wheel）的ModelMesh與一對門（door）的ModelMesh。
• ModelMeshPart表示單個相同材料的部件，其表明一個單獨的繪製調用（draw call）。例如，上述車身能夠包含着色的表面、使用環境映射（environment mapping）效果的擋風玻璃以及使用法線貼圖（normalmap texture）效果的座椅等等。
• ModelBone表示了對應的ModelMesh如何變換，其包含一個Transform的變換矩陣。ModelBone是以樹形存儲的，每一個ModelBone都有一個父節點以及若干個子節點。上述的每一個ModelMesh都有一個ParentBone，ModelMesh能夠根據ModelBone的變換來肯定最終顯示的位置等。例如，上述車門的ModelBone與車輪的ModelBone是車身的子節點等等。

因此遍歷一個Model中全部的ModelMesh，而後遍歷其中全部的ModelMeshPart，而且根據ModelMesh的ParentBone來將每個ModelMeshPart繪製到指定的位置上就能夠繪製出完整的Model。

不過對於每一個ModelMeshPart，其實際渲染的效果都存在Effect的屬性中，對於默認來講，Effect均爲BasicEffect。此外，對於ModelBone，其變換矩陣都是相對其自身的Parent來的，不過Model類也提供了一個方法，即CopyAbsoluteBoneTransformsTo()，便可將每一個Bone相對於RootBone的變換矩陣複製到一個矩陣數組中，而後將其應用到Effect中便可。這種方式與上述提到的Model.Draw相似，不過本身寫的話就能夠自定義每一個ModelMeshPart渲染的效果，固然也能夠設置每一個ModelMeshPart的渲染位置。

那麼接下來就按照這個思路去實現，同時在設置每個Effect時，使用Effect提供的使用默認光照的方法EnableDefaultLighting()，啓用後效果以下：

這樣的效果就達到了咱們的預期，按上述的方法實現的代碼以下：

 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

不過這與剛纔看到的Model.Draw的代碼並不相同。實際上，XNA爲了簡化操做，已經將ModelMeshPart的每一個Effect放到了ModelMesh的Effects集合中，只須要遍歷這個集合就能夠，而無需再遍歷ModelMeshPart，再獲取Effect了。因此上述代碼能夠簡化爲以下的代碼：

 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 }

 

【2、BasicEffect效果的設置】

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

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

其中this.light0-2爲BasicEffect的DirectionalLight0-2，即BasicEffect能夠時候的三個光源。而EffectHelpers的EnableDefaultLighting是這樣寫的：

 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

能夠看到在啓用默認光照裏其實是給環境光AmbientLightColor以及三束定向光（包括光線的方向、漫反射顏色及鏡面反射顏色）設置了預先定義好的顏色，並啓用了這些光源，這三束定向光的顏色（Light1的漫反射光的顏色以下，但其鏡面反射光的顏色爲黑色）和方向大體以下。

下圖第一個爲啓用了默認光照後的模型（上一篇文章中的dude），第2、3、四個爲只啓用默認光照的環境光及0、一、2三束定向光後的模型，第五個爲沒有啓用默認光照的模型（如同上一篇產生的效果同樣）：

固然，在不少狀況下（好比戶外的日光等），咱們僅須要一個光源，屆時咱們只要禁用（DirectionalLight*.Enabled = false）其餘兩個定向光便可，固然咱們可能還須要修改光源的顏色等等。

除了使用EnableDefaultLighting，BasicEffect還提供了比較豐富的參數能夠設置。首先來看下上述例子中Effect默認的屬性：

其中與光線有關的：

• LightingEnabled：是否開啓光照（默認爲false）。
• PreferPerPixelLighting：是否開啓逐像素的光照（默認爲false，爲逐頂點光照），逐像素光照相對於逐點光照效果更好，但速度也更慢，同時還須要顯卡支持Pixel Shader Model 2.0，若是顯卡不支持的話會自動使用逐頂點光照代替。
• AmbientLightColor：環境光顏色（默認爲Vector3.Zero）。爲了在局部光照模型（模型間的光照互不影響）中加強真實感，引入了環境光的概念。環境光不依賴任何光源，但其影響全部物體。
• DiffuseColor：漫反射顏色（默認爲Vector3.One）。光線照到物體後，物體進行漫反射，其顏色與光線的方向有關。
• SpecularColor：鏡面反射顏色。光線照到物體後，物體進行全反射，其顏色不只與光線的方向有關，還與觀察（相機）的方向有關。
• EmissiveColor：放射顏色（默認爲Vector3.Zero）。放射光是指物體發出的光線，但在局部光照模型中，實際上不會對其餘物體產生影響。
• DirectionalLight0、DirectionalLight一、DirectionalLight2：三束定向光（每束都包括光線的方向、漫反射顏色與鏡面反射顏色）。

其中須要注意的是，在XNA中，顏色的存儲並非使用的Color（ARGB或ABGR），而是使用的Vector3（或Vector4）。對於Vector3，其x、y、z三個份量存儲的分別是R、G、B分別除以255的浮點值（Vector4的w份量存儲的是Alpha通道除以255的浮點值），因此Vector3.Zero即爲黑色，而Vector3.One爲白色。固然XNA也提供了一個Color類，而且Color也提供了提供了直接轉換爲Vector3（或Vector4）的方法ToVector3()（或ToVector4()）。

除此以外，BasicEffect還支持設置霧的效果：

• FogEnabled：是否開啓霧的效果（默認爲false）。
• FogColor：霧的顏色（默認爲Vector3.Zero）。
• FogStart：霧距離相機的開始（最近）值（默認爲0.0F），這個距離以內的東西不受霧的影響。
• FogEnd：霧距離相機的結束（最遠）值（默認爲1.0F），這個距離以外的東西徹底看不清。

也就是說，霧將會在距離相機(FogStart - FogEnd)的地方產生，這個距離須要根據物體所在的位置決定。設Distance爲物體距離相機的距離，則Distance<FogStart<FogEnd時，物體不受霧的影響，與沒有霧時同樣；當FogStart<FogEnd<Distance時，物體徹底看不清（即物體所有爲霧的顏色）；當FogStart<Distance<FogEnd時，物體受霧的影響，物體離FogEnd越近則越看不清。

例如當人的模型在(0, 0, 0)，相機在(120, 120, 120)處，霧的顏色爲Gray。下圖第一個爲沒有加霧的效果，第二個爲FogStart - FogEnd爲200 - 300，第三個爲1 - 300，第四個爲1 - 100。

 

【3、XNA的用戶輸入】

在默認生成XNA程序中的Update方法裏，有一個獲取GamePad的狀態，當用戶1的GamePad按下了「Back」鍵後將會退出程序。微軟對用戶輸入的支持都在Microsoft.Xna.Framework.Input中，除了GamePad以外，微軟還支持獲取Keyboard、Mouse這兩種的狀態。此外在Microsoft.Xna.Framework.Input.Touch中，還有TouchPanel能夠獲取觸摸的狀態。與GamePad相同，其餘的這些狀態也都是經過微軟提供給類中的GetState()方法進行獲取。

例如要獲取鍵盤和鼠標的狀態，咱們能夠經過以下方式：

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

對於判斷鍵盤的按鍵，能夠經過以下的方式獲取是否按下了指定按鍵：

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

而對於鼠標的按鍵，則須要判斷按鍵的ButtonState才能夠，例如判斷鼠標左鍵是否按下：

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

除此以外，若是要判斷鼠標是否在程序區域內，能夠經過以下的方式判斷

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

雖然在大多數狀況下，若是讓用戶操做鼠標的話會在程序內顯示一個自定義的指針。但有時候寫個小程序，爲了簡單但願直接使用系統的指針，咱們能夠在程序的任意位置（構造方法、Initialize甚至Update也可）寫以下的代碼，就能夠顯示鼠標指針了，反之則能夠隱藏：

this.IsMouseVisible = true;

 

【4、XNA界面的顯示方式】

默認狀況下，運行XNA的程序會自動以800*480的分辨率顯示，若要修改顯示的分辨率，其實很是簡單，僅須要在Game的構造方法中添加以下代碼便可：

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

這樣XNA的程序就能按照咱們設定的分辨率顯示了。除此以外，若是咱們但願XNA的程序能全屏顯示，咱們還能夠添加以下的代碼：

graphics.IsFullScreen = true;

固然咱們還可讓用戶來切換全屏與窗口化，可是這行代碼寫在Update()中是不起做用的，不過XNA提供另一個方法，就是graphics.ToggleFullScreen()。例如咱們須要按F鍵進行全屏與窗口化的切換，能夠編寫以下的代碼：

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

 

【相關連接】

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. 一塊兒學WP7 XNA遊戲開發(七. 3d基本光源)：http://www.cnblogs.com/randylee/archive/2011/03/09/1978312.html
7. 【D3D11遊戲編程】學習筆記十二：光照模型：http://blog.csdn.net/bonchoix/article/details/8430561