深入探索3D绘图技术

# 深入探索3D绘图技术 ## 1. 解决Z-fighting问题 Z-fighting通常是由于显卡中的浮点舍入误差引起的。为避免此问题，可增加`NearPlaneDistance`来裁剪极靠近相机的物体。例如，在相机穿过圆环中心的动画效果中，为避免Z-fighting，就需要增大`NearPlaneDistance`。 需注意，渲染伪影大多是因为物体靠近相机且`NearPlaneDistance`过大，而远处物体与`FarPlaneDistance`相关的问题则较少见。 ## 2. 构建3D立方体 ### 2.1 立方体的三角形分解 掌握三角形后，下一步可通过组合小三角形创建多面立体形状，如立方体。一个立方体由六个正方形面组成，每个面需两个三角形，且各面可按一定角度相连。 为减少3D程序的开销和提高性能，通常会避免渲染不可见的形状。但在这个例子中，为了能自由旋转立方体，我们会定义所有面。 以下是创建立方体的`MeshGeometry3D`代码： ```xml <MeshGeometry3D Positions="0,0,0 10,0,0 0,10,0 10,10,0 0,0,10 10,0,10 0,10,10 10,10,10" TriangleIndices="0,2,1 1,2,3 0,4,2 2,4,6 0,1,4 1,5,4 1,7,5 1,3,7 4,5,6 7,6,5 2,6,3 3,6,7" /> ``` `Positions`集合定义了立方体的角点，先定义背面（z = 0）的四个点，再添加正面（z = 10）的四个点。`TriangleIndices`属性将这些点映射为三角形。定义三角形时，需按逆时针顺序，使正面朝前，但立方体背面的三角形是顺时针定义的，这是因为背面的三角形需朝后。 ### 2.2 立方体的光照与法线问题 上述立方体网格存在问题，它无法呈现出预期的多面立方体效果，而是在三角形相交处有明显的接缝。这是因为WPF计算光照时，只关注三角形顶点的光照量，然后在三角形表面进行光照混合，这可能导致相邻三角形光照不均。 法线定义了顶点相对于光源的方向，多数情况下，法线应垂直于三角形表面。在立方体中，由于`Positions`集合中的点被多个三角形共享，导致法线也被共享，不同点的光照不同，WPF在每个三角形上进行光照混合，使得不同三角形无法完美对齐，从而出现颜色接缝。 解决此问题的一种方法是多次声明每个点，确保三角形之间不共享点。以下是修改后的代码： ```xml <MeshGeometry3D Positions="0,0,0 10,0,0 0,10,0 10,10,0 0,0,0 0,0,10 0,10,0 0,10,10 0,0,0 10,0,0 0,0,10 10,0,10 10,0,0 10,10,10 10,0,10 10,10,0 0,0,10 10,0,10 0,10,10 10,10,10 0,10,0 0,10,10 10,10,0 10,10,10" TriangleIndices="0,2,1 1,2,3 4,5,6 6,5,7 8,9,10 9,11,10 12,13,14 12,15,13 16,17,18 19,18,17 20,21,22 22,21,23" /> ``` 这样WPF会正确生成法线，使每个法线垂直于三角形表面，从而得到预期的多面立方体。 ### 2.3 法线的计算与应用 选择合适的法线很关键，可遵循以下原则： - 计算垂直于表面的法线，可计算三角形任意两边向量的叉积，且要保证点按逆时针顺序，使法线指向表面外部。 - 若要在包含多个三角形的表面上实现一致的光照混合，需确保所有三角形的点共享相同的法线。 以下是一个计算三角形表面法线的C#代码： ```csharp private Vector3D CalculateNormal(Point3D p0, Point3D p1, Point3D p2) { Vector3D v0 = new Vector3D(p1.X - p0.X, p1.Y - p0.Y, p1.Z - p0.Z); Vector3D v1 = new Vector3D(p2.X - p1.X, p2.Y - p1.Y, p2.Z - p1.Z); return Vector3D.CrossProduct(v0, v1); } ``` 通过手动设置`Normals`属性，可实现相邻三角形的平滑光照混合。例如： ```xml <MeshGeometry3D Positions="0,0,0 10,0,0 0,10,0 10,10,0 0,0,10 10,0,10 0,10,10 10,10,10" TriangleIndices="0,2,1 1,2,3 0,4,2 2,4,6 0,1,4 1,5,4 1,7,5 1,3,7 4,5,6 7,6,5 2,6,3 3,6,7" Normals="0,1,0 0,1,0 1,0,0 1,0,0 0,1,0 0,1,0 1,0,0 1,0,0" /> ``` 这会创建一个更平滑的立方体，不同的法线设置可实现不同的效果，如多面效果更具几何感，而混合效果则更显有机。 ## 3. 构建更复杂的形状 现实的3D场景通常包含成百上千个三角形。构建简单球体的一种方法是将其分割成条带，再将每个条带分割成多面正方形，每个正方形需要两个三角形。 构建这种非平凡的网格，可通过代码或专业的3D建模程序。以下是一些可用于WPF应用程序的3D建模工具： - ZAM 3D：专为XAML设计的3D建模工具，可从[http://www.erain.com/Products/ZAM3D](http://www.erain.com/Products/ZAM3D)获取。 - Blender：开源的3D建模工具包，可从[http://www.blender.org](http://www.blender.org)下载，还有一个实验性的XAML导出脚本[http://codeplex.com/xamlexporter](http://codeplex.com/xamlexporter)。 - 一些专业3D建模程序（如Maya和LightWave）开始出现导出插件，可查看[http://blogs.msdn.com/mswanson/articles/WPFToolsAndControls.aspx](http://blogs.msdn.com/mswanson/articles/WPFToolsAndControls.aspx)获取相关列表。 这些3D建模程序包含基本图元，可用于构建场景，还能添加和定位光源、应用纹理，部分程序还支持定义动画。 ## 4. Model3DGroup集合的使用 处理复杂3D场景时，通常需要排列多个对象。虽然`Viewport3D`可容纳多个`Visual3D`对象，但这不是构建3D场景的最佳方式。通过创建尽可能少的网格并将内容组合到每个网格中，可获得更好的性能。 为了在保持灵活性的同时减少开销，可使用`Model3DGroup`类将多个网格放置在单个`Visual3D`中。例如，一个3D角色的各个身体部分（头、躯干、腰带、手臂等）可作为单独的网格组合在一个`Model3DGroup`对象中。 以下是部分标记代码示例： ```xml ```