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：

public void Draw(Matrix world, Matrix view, Matrix projection)
{
    int count = this.meshes.Count;
    int count2 = this.bones.Count;
    Matrix[] array = Model.sharedDrawBoneMatrices;
    if (array == null || array.Length < count2)
    {
        array = new Matrix[count2];
        Model.sharedDrawBoneMatrices = array;
    }
    this.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(array);
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        ModelMesh modelMesh = this.meshes[i];
        int index = modelMesh.ParentBone.Index;
        int count3 = modelMesh.Effects.Count;
        for (int j = 0; j < count3; j++)
        {
            Effect effect = modelMesh.Effects[j];
            if (effect == null)
            {
                throw new InvalidOperationException(FrameworkResources.ModelHasNoEffect);
            }
            IEffectMatrices effectMatrices = effect as IEffectMatrices;
            if (effectMatrices == null)
            {
                throw new InvalidOperationException(FrameworkResources.ModelHasNoIEffectMatrices);
            }
            effectMatrices.World = array[index] * world;
            effectMatrices.View = view;
            effectMatrices.Projection = projection;
        }
        modelMesh.Draw();
    }
}

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：

Matrix world = Matrix.CreateWorld(Vector3.Zero, Vector3.Forward, Vector3.Up);

Matrix[] transforms = new Matrix[model.Bones.Count];
this.model.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(transforms);

foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)
{
    Int32 boneIndex = mesh.ParentBone.Index;

    foreach (ModelMeshPart part in mesh.MeshParts)
    {
        BasicEffect effect = part.Effect as BasicEffect;
        
        effect.EnableDefaultLighting();
        effect.World = transforms[boneIndex] * world;
        effect.View = cameraView;
        effect.Projection = cameraProjection;
    }

    mesh.Draw();
}

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：

Matrix world = Matrix.CreateWorld(Vector3.Zero, Vector3.Forward, Vector3.Up);

Matrix[] transforms = new Matrix[model.Bones.Count];
this.model.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(transforms);

foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)
{
    Int32 boneIndex = mesh.ParentBone.Index;
    
    foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
    {
        effect.EnableDefaultLighting();
        effect.World = transforms[boneIndex] * world;
        effect.View = cameraView;
        effect.Projection = cameraProjection;
    }

    mesh.Draw();
}

【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：

internal static Vector3 EnableDefaultLighting(DirectionalLight light0, DirectionalLight light1, DirectionalLight light2)
{
    light0.Direction = new Vector3(-0.5265408f, -0.5735765f, -0.6275069f);
    light0.DiffuseColor = new Vector3(1f, 0.9607844f, 0.8078432f);
    light0.SpecularColor = new Vector3(1f, 0.9607844f, 0.8078432f);
    light0.Enabled = true;
    light1.Direction = new Vector3(0.7198464f, 0.3420201f, 0.6040227f);
    light1.DiffuseColor = new Vector3(0.9647059f, 0.7607844f, 0.4078432f);
    light1.SpecularColor = Vector3.Zero;
    light1.Enabled = true;
    light2.Direction = new Vector3(0.4545195f, -0.7660444f, 0.4545195f);
    light2.DiffuseColor = new Vector3(0.3231373f, 0.3607844f, 0.3937255f);
    light2.SpecularColor = new Vector3(0.3231373f, 0.3607844f, 0.3937255f);
    light2.Enabled = true;
    return new Vector3(0.05333332f, 0.09882354f, 0.1819608f);
}

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