Свободная камера

Свободная камера

В рамках этой статьи мы создадим простейшую камеру, которая позже также немного сэкономит нам времени.

Мы будем создавать «свободную камеру», то есть такую камеру, которая не привязана к какому-либо объекту, может свободно перемещать в трехмерном пространстве, а также поворачиваться на произвольный угол вокруг каждой координатной оси.

Камеру мы будет реализовывать в виде игрового компонента, но посколько нам не нужно никаким образом рисовать камеру, мы будем наследовать ее от GameComponent.

Основными параметрами, которые нам нужно будет получать от камеры, являются позиция камеры (она необходима для некоторых моделей освещения) и матрица вида, которую мы будем использовать везде в наших дальнейших приложениях.

Можно также было переместить матрицу проекции в класс камеры, но я не буду так делать, поскольку считаю это не совсем логичным (хотя я могу ошибаться).

Класс камеры будет выглядеть следующим образом:

class
FreeCamera : GameComponent

{

public
Matrix View;

public
Vector3 Position;

Vector3 angle;

float speed = 1;

float turnSpeed = 1;

public FreeCamera(Game game, Vector3 position, Vector3 lookAt) : base(game)

{

this.Position = position;

View = Matrix.CreateLookAt(position, lookAt, Vector3.Up);

}

public
override
void Update(GameTime gameTime)

{

int centerX = Game.GraphicsDevice.Viewport.Width / 2;

int centerY = Game.GraphicsDevice.Viewport.Height / 2;

MouseState mouse = Mouse.GetState();

Mouse.SetPosition(centerX, centerY);

float seconds = (float)(gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds);

float yaw = MathHelper.ToRadians((mouse.X — centerX) * turnSpeed * seconds);

float pitch = MathHelper.ToRadians((mouse.Y — centerY) * turnSpeed * seconds);

angle = new
Vector3(angle.X + pitch, angle.Y + yaw, angle.Z);

Vector3 forward = —Vector3.Normalize(new
Vector3(

(float)Math.Sin(-angle.Y) * (float)Math.Cos(angle.X),

(float)Math.Sin(angle.X),

(float)Math.Cos(-angle.Y) * (float)Math.Cos(angle.X))

);

Vector3 left = —Vector3.Normalize(new
Vector3(

(float)Math.Cos(angle.Y),

0f,

(float)Math.Sin(angle.Y))

);

KeyboardState state = Keyboard.GetState();

if (state.IsKeyDown(Keys.Up))

Position += forward * speed * seconds;

if (state.IsKeyDown(Keys.Down))

Position -= forward * speed * seconds;

if (state.IsKeyDown(Keys.Left))

Position += left * speed * seconds;

if (state.IsKeyDown(Keys.Right))

Position -= left * speed * seconds;

View = Matrix.CreateTranslation(-Position) *

Matrix.CreateRotationZ(angle.Z) *

Matrix.CreateRotationY(angle.Y) *

Matrix.CreateRotationX(angle.X);

base.Update(gameTime);

}

}

Подробно реализация такого класса описана в моем курсе «XNA для начинающих», здесь отметим лишь некоторые основные моменты:

Задаются две переменные, отвечающие за скорость перемещения и поворота камеры – speed и turnSpeed соответственно.

Сначала определяется смещение угла поворота камеры в зависимости от смещения указывателя мыши от центра экрана (после этого курсор снова перемещается в центр экрана) и определяется новый угол поворота относительно всех координатных осей. По этим углам определяются векторы Вперед и Влево для текущего направления камеры. В зависимости от нажатия клавищ на клавиатуре происходит смещение позиции камеры в направлении векторов Вперед и Влево.

Зачет вычисляется матрица вида.

Теперь можно подключить новый компонент в игре и использовать матрицу вида, которая содержится в камере для рендеринга сцены.

Сложно будет проверять нашу камеру, когда в цвене присутствует всего одна модель, напишем простой код, который будет рисовать множество моделей в различных местах трехмерного мира.

FreeCamera camera;

protected
override
void Initialize()

{

// TODO: Add your initialization logic here

Components.Add(new
FPSCounter(this));

light = new
Light(this);

Components.Add(light);

camera = new
FreeCamera(this, new
Vector3(0, 0, 3), Vector3.Zero);

Components.Add(camera);

basicEffect = new
BasicEffect(GraphicsDevice, null);

teapot = new
TeapotPrimitive(GraphicsDevice);

base.Initialize();

}

protected
override
void Draw(GameTime gameTime)

{

GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

Matrix view = camera.View;

Matrix proj = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45), GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio, 0.1f, 10f);

// TODO: Add your drawing code here

basicEffect.World = Matrix.Identity;

basicEffect.View = view;

basicEffect.Projection = proj;

basicEffect.AmbientLightColor = new
Vector3(0.1f, 0.1f, 0.1f);

basicEffect.DirectionalLight0.Direction = Vector3.Zero-light.Position;

basicEffect.DirectionalLight0.DiffuseColor = new
Vector3(0.6f, 0, 0.4f);

basicEffect.LightingEnabled = true;

basicEffect.DirectionalLight0.Enabled = true;

for (int i = -2; i < 3; i++)

{

for (int j = -2; j < 3; j++)

{

for (int k = -2; k < 3; k++)

{

Vector3 pos = new
Vector3(i,j,k) * 2;

basicEffect.World = Matrix.CreateTranslation(pos);

basicEffect.DirectionalLight0.Direction = pos — light.Position;

teapot.Draw(basicEffect);

}

}

}

light.Draw(view, proj);

base.Draw(gameTime);

}

Обратите внимание на то, что, поскольку источник света находится на расстоянии 2 от начала координат, источник света находится ближе к началу координат, чем некоторые чайники. Хотя обычно считается, что направленный источник света (а пока мы будем рассматривать именно направленный источник света) бесконечно удален от сцены. В принципе, в этом нет ничего страшного, но, если хочется исправить этот недочет, то можно просто изменить начальную позициб источника света на большую (например на Vector3(0,0,100)).

Также стоит отметить то, что при наших начальных условиях камера по умолчанию находится внутри одного из чайников.

Исходный код:

FreeCamera.cs

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using Microsoft.Xna.Framework;

using Microsoft.Xna.Framework.Input;

namespace MyGame

{

class
FreeCamera : GameComponent

{

public
Matrix View;

public
Vector3 Position;

Vector3 angle;

float speed = 1;

float turnSpeed = 1;

public FreeCamera(Game game, Vector3 position, Vector3 lookAt) : base(game)

{

this.Position = position;

View = Matrix.CreateLookAt(position, lookAt, Vector3.Up);

}

public
override
void Update(GameTime gameTime)

{

int centerX = Game.GraphicsDevice.Viewport.Width / 2;

int centerY = Game.GraphicsDevice.Viewport.Height / 2;

MouseState mouse = Mouse.GetState();

Mouse.SetPosition(centerX, centerY);

float seconds = (float)(gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds);

float yaw = MathHelper.ToRadians((mouse.X — centerX) * turnSpeed * seconds);

float pitch = MathHelper.ToRadians((mouse.Y — centerY) * turnSpeed * seconds);

angle = new
Vector3(angle.X + pitch, angle.Y + yaw, angle.Z);

Vector3 forward = —Vector3.Normalize(new
Vector3(

(float)Math.Sin(-angle.Y) * (float)Math.Cos(angle.X),

(float)Math.Sin(angle.X),

(float)Math.Cos(-angle.Y) * (float)Math.Cos(angle.X))

);

Vector3 left = —Vector3.Normalize(new
Vector3(

(float)Math.Cos(angle.Y),

0f,

(float)Math.Sin(angle.Y))

);

KeyboardState state = Keyboard.GetState();

if (state.IsKeyDown(Keys.Up))

Position += forward * speed * seconds;

if (state.IsKeyDown(Keys.Down))

Position -= forward * speed * seconds;

if (state.IsKeyDown(Keys.Left))

Position += left * speed * seconds;

if (state.IsKeyDown(Keys.Right))

Position -= left * speed * seconds;

View = Matrix.CreateTranslation(-Position) *

Matrix.CreateRotationZ(angle.Z) *

Matrix.CreateRotationY(angle.Y) *

Matrix.CreateRotationX(angle.X);

base.Update(gameTime);

}

}

}

Game1.cs

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

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.Media;

using Microsoft.Xna.Framework.Net;

using Microsoft.Xna.Framework.Storage;

using Primitives3D;

namespace MyGame

{

///
<summary>

/// This is the main type for your game

///
</summary>

public
class
Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game

{

GraphicsDeviceManager graphics;

SpriteBatch spriteBatch;

Light light;

BasicEffect basicEffect;

TeapotPrimitive teapot;

FreeCamera camera;

public Game1()

{

graphics = new
GraphicsDeviceManager(this);

Content.RootDirectory = «Content»;

graphics.SynchronizeWithVerticalRetrace = false;

IsFixedTimeStep = false;

}

///
<summary>

/// Allows the game to perform any initialization it needs to before starting to run.

/// This is where it can query for any required services and load any non-graphic

/// related content. Calling base.Initialize will enumerate through any components

/// and initialize them as well.

///
</summary>

protected
override
void Initialize()

{

// TODO: Add your initialization logic here

Components.Add(new
FPSCounter(this));

light = new
Light(this);

Components.Add(light);

camera = new
FreeCamera(this, new
Vector3(0, 0, 3), Vector3.Zero);

Components.Add(camera);

basicEffect = new
BasicEffect(GraphicsDevice, null);

teapot = new
TeapotPrimitive(GraphicsDevice);

base.Initialize();

}

///
<summary>

/// LoadContent will be called once per game and is the place to load

/// all of your content.

///
</summary>

protected
override
void LoadContent()

{

// Create a new SpriteBatch, which can be used to draw textures.

spriteBatch = new
SpriteBatch(GraphicsDevice);

// TODO: use this.Content to load your game content here

}

///
<summary>

/// UnloadContent will be called once per game and is the place to unload

/// all content.

///
</summary>

protected
override
void UnloadContent()

{

// TODO: Unload any non ContentManager content here

}

///
<summary>

/// Allows the game to run logic such as updating the world,

/// checking for collisions, gathering input, and playing audio.

///
</summary>

///
<param name=»gameTime»>Provides a snapshot of timing values.</param>

protected
override
void Update(GameTime gameTime)

{

// Allows the game to exit

if (GamePad.GetState(PlayerIndex.One).Buttons.Back == ButtonState.Pressed)

this.Exit();

// TODO: Add your update logic here

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)

{

GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

Matrix view = camera.View;

Matrix proj = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45), GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio, 0.1f, 10f);

// TODO: Add your drawing code here

basicEffect.World = Matrix.Identity;

basicEffect.View = view;

basicEffect.Projection = proj;

basicEffect.AmbientLightColor = new
Vector3(0.1f, 0.1f, 0.1f);

basicEffect.DirectionalLight0.Direction = Vector3.Zero-light.Position;

basicEffect.DirectionalLight0.DiffuseColor = new
Vector3(0.6f, 0, 0.4f);

basicEffect.LightingEnabled = true;

basicEffect.DirectionalLight0.Enabled = true;

for (int i = -2; i < 3; i++)

{

for (int j = -2; j < 3; j++)

{

for (int k = -2; k < 3; k++)

{

Vector3 pos = new
Vector3(i,j,k) * 2;

basicEffect.World = Matrix.CreateTranslation(pos);

basicEffect.DirectionalLight0.Direction = pos — light.Position;

teapot.Draw(basicEffect);

}

}

}

light.Draw(view, proj);

base.Draw(gameTime);

}

}

}