J'espère que quelqu'un pourra m'expliquer cela comme si j'avais 5 ans, parce que je me bats avec ça depuis des heures et que je ne comprends tout simplement pas ce que je fais mal.
J'ai écrit un Camera
cours pour mon jeu 2.5D. L'intention est de prendre en charge des espaces univers et écran comme celui-ci:
La caméra est la chose noire à droite. L'axe + Z est vers le haut dans cette image, avec -Z vers le bas. Comme vous pouvez le voir, l'espace monde et l'espace écran ont (0, 0) en haut à gauche.
J'ai commencé à écrire des tests unitaires pour prouver que ma caméra fonctionnait comme prévu, et c'est là que les choses ont commencé à devenir ... étranges. Mes tests tracent les coordonnées dans les espaces univers, vue et écran. Finalement, je vais utiliser la comparaison d'images pour affirmer qu'elles sont correctes, mais pour l'instant mon test n'affiche que le résultat.
La logique de rendu utilise Camera.ViewMatrix
pour transformer l'espace du monde pour visualiser l'espace et Camera.WorldPointToScreen
pour transformer l'espace du monde en écran.
Voici un exemple de test:
[Fact]
public void foo()
{
var camera = new Camera(new Viewport(0, 0, 250, 100));
DrawingVisual worldRender;
DrawingVisual viewRender;
DrawingVisual screenRender;
this.Render(camera, out worldRender, out viewRender, out screenRender, new Vector3(30, 0, 0), new Vector3(30, 40, 0));
this.ShowRenders(camera, worldRender, viewRender, screenRender);
}
Et voici ce qui apparaît lorsque je lance ce test:
L'espace mondial semble correct, bien que je soupçonne que l'axe z pénètre dans l'écran plutôt que vers le spectateur.
L'espace de vue m'a complètement déconcerté. Je m'attendais à ce que la caméra soit assise au-dessus (0, 0) et regarde vers le centre de la scène. Au lieu de cela, l'axe z semble être dans le mauvais sens, et la caméra est positionnée dans le coin opposé à ce que j'attends!
Je soupçonne que l'espace à l'écran sera tout autre chose, mais quelqu'un peut-il expliquer ce que je fais mal dans ma Camera
classe?
MISE À JOUR
J'ai fait quelques progrès en ce qui concerne l'aspect visuel des choses, comme je m'y attendais, mais uniquement par l'intuition: pas une compréhension réelle de ce que je fais. Toute illumination serait grandement appréciée.
Je me suis rendu compte que mon espace de vue était inversé verticalement et horizontalement par rapport à ce que j'attendais, j'ai donc changé ma matrice de vue pour l'adapter en conséquence:
this.viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(this.location, this.target, this.up) *
Matrix.CreateScale(this.zoom, this.zoom, 1) *
Matrix.CreateScale(-1, -1, 1);
Je pourrais combiner les deux CreateScale
appels, mais les ai laissés séparés pour plus de clarté. Encore une fois, je ne sais pas pourquoi cela est nécessaire, mais cela a fixé mon espace de vue:
Mais maintenant, mon espace d'écran doit être inversé verticalement, j'ai donc modifié ma matrice de projection en conséquence:
this.projectionMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(0.7853982f, viewport.AspectRatio, 1, 2)
* Matrix.CreateScale(1, -1, 1);
Et cela se traduit par ce que j'attendais de ma première tentative:
J'ai également essayé d'utiliser Camera
le rendu des sprites via un SpriteBatch
pour m'assurer que tout y fonctionne aussi, et c'est le cas.
Mais la question demeure: pourquoi dois-je faire tout ce retournement d'axes pour obtenir les coordonnées de l'espace comme je l'attends?
MISE À JOUR 2
Depuis, j'ai amélioré ma logique de rendu dans ma suite de tests afin qu'elle prenne en charge les géométries et que les lignes s'éclaircissent à mesure qu'elles sont éloignées de la caméra. Je voulais faire cela pour éviter les illusions d'optique et pour me prouver davantage que je regarde ce que je pense être.
Voici un exemple:
Dans ce cas, j'ai 3 géométries: un cube, une sphère et une polyligne sur la face supérieure du cube. Remarquez comment l'assombrissement et l'éclaircissement des lignes identifient correctement les parties des géométries plus proches de la caméra.
Si je supprime l'échelle négative que je devais mettre, je vois:
Vous pouvez donc voir que je suis toujours dans le même bateau - j'ai toujours besoin de ces flips verticaux et horizontaux dans mes matrices pour que les choses apparaissent correctement.
Dans l'intérêt de donner aux gens une repro pour jouer avec, voici le code complet nécessaire pour générer ce qui précède. Si vous souhaitez exécuter via le faisceau de test, installez simplement le package xunit:
Camera.cs :
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using System.Diagnostics;
public sealed class Camera
{
private readonly Viewport viewport;
private readonly Matrix projectionMatrix;
private Matrix? viewMatrix;
private Vector3 location;
private Vector3 target;
private Vector3 up;
private float zoom;
public Camera(Viewport viewport)
{
this.viewport = viewport;
// for an explanation of the negative scaling, see: http://gamedev.stackexchange.com/questions/63409/
this.projectionMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(0.7853982f, viewport.AspectRatio, 1, 2)
* Matrix.CreateScale(1, -1, 1);
// defaults
this.location = new Vector3(this.viewport.Width / 2, this.viewport.Height, 100);
this.target = new Vector3(this.viewport.Width / 2, this.viewport.Height / 2, 0);
this.up = new Vector3(0, 0, 1);
this.zoom = 1;
}
public Viewport Viewport
{
get { return this.viewport; }
}
public Vector3 Location
{
get { return this.location; }
set
{
this.location = value;
this.viewMatrix = null;
}
}
public Vector3 Target
{
get { return this.target; }
set
{
this.target = value;
this.viewMatrix = null;
}
}
public Vector3 Up
{
get { return this.up; }
set
{
this.up = value;
this.viewMatrix = null;
}
}
public float Zoom
{
get { return this.zoom; }
set
{
this.zoom = value;
this.viewMatrix = null;
}
}
public Matrix ProjectionMatrix
{
get { return this.projectionMatrix; }
}
public Matrix ViewMatrix
{
get
{
if (this.viewMatrix == null)
{
// for an explanation of the negative scaling, see: http://gamedev.stackexchange.com/questions/63409/
this.viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(this.location, this.target, this.up) *
Matrix.CreateScale(this.zoom) *
Matrix.CreateScale(-1, -1, 1);
}
return this.viewMatrix.Value;
}
}
public Vector2 WorldPointToScreen(Vector3 point)
{
var result = viewport.Project(point, this.ProjectionMatrix, this.ViewMatrix, Matrix.Identity);
return new Vector2(result.X, result.Y);
}
public void WorldPointsToScreen(Vector3[] points, Vector2[] destination)
{
Debug.Assert(points != null);
Debug.Assert(destination != null);
Debug.Assert(points.Length == destination.Length);
for (var i = 0; i < points.Length; ++i)
{
destination[i] = this.WorldPointToScreen(points[i]);
}
}
}
CameraFixture.cs :
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Windows;
using System.Windows.Controls;
using System.Windows.Media;
using Xunit;
using XNA = Microsoft.Xna.Framework;
public sealed class CameraFixture
{
[Fact]
public void foo()
{
var camera = new Camera(new Viewport(0, 0, 250, 100));
DrawingVisual worldRender;
DrawingVisual viewRender;
DrawingVisual screenRender;
this.Render(
camera,
out worldRender,
out viewRender,
out screenRender,
new Sphere(30, 15) { WorldMatrix = XNA.Matrix.CreateTranslation(155, 50, 0) },
new Cube(30) { WorldMatrix = XNA.Matrix.CreateTranslation(75, 60, 15) },
new PolyLine(new XNA.Vector3(0, 0, 0), new XNA.Vector3(10, 10, 0), new XNA.Vector3(20, 0, 0), new XNA.Vector3(0, 0, 0)) { WorldMatrix = XNA.Matrix.CreateTranslation(65, 55, 30) });
this.ShowRenders(worldRender, viewRender, screenRender);
}
#region Supporting Fields
private static readonly Pen xAxisPen = new Pen(Brushes.Red, 2);
private static readonly Pen yAxisPen = new Pen(Brushes.Green, 2);
private static readonly Pen zAxisPen = new Pen(Brushes.Blue, 2);
private static readonly Pen viewportPen = new Pen(Brushes.Gray, 1);
private static readonly Pen nonScreenSpacePen = new Pen(Brushes.Black, 0.5);
private static readonly Color geometryBaseColor = Colors.Black;
#endregion
#region Supporting Methods
private void Render(Camera camera, out DrawingVisual worldRender, out DrawingVisual viewRender, out DrawingVisual screenRender, params Geometry[] geometries)
{
var worldDrawingVisual = new DrawingVisual();
var viewDrawingVisual = new DrawingVisual();
var screenDrawingVisual = new DrawingVisual();
const int axisLength = 15;
using (var worldDrawingContext = worldDrawingVisual.RenderOpen())
using (var viewDrawingContext = viewDrawingVisual.RenderOpen())
using (var screenDrawingContext = screenDrawingVisual.RenderOpen())
{
// draw lines around the camera's viewport
var viewportBounds = camera.Viewport.Bounds;
var viewportLines = new Tuple<int, int, int, int>[]
{
Tuple.Create(viewportBounds.Left, viewportBounds.Bottom, viewportBounds.Left, viewportBounds.Top),
Tuple.Create(viewportBounds.Left, viewportBounds.Top, viewportBounds.Right, viewportBounds.Top),
Tuple.Create(viewportBounds.Right, viewportBounds.Top, viewportBounds.Right, viewportBounds.Bottom),
Tuple.Create(viewportBounds.Right, viewportBounds.Bottom, viewportBounds.Left, viewportBounds.Bottom)
};
foreach (var viewportLine in viewportLines)
{
var viewStart = XNA.Vector3.Transform(new XNA.Vector3(viewportLine.Item1, viewportLine.Item2, 0), camera.ViewMatrix);
var viewEnd = XNA.Vector3.Transform(new XNA.Vector3(viewportLine.Item3, viewportLine.Item4, 0), camera.ViewMatrix);
var screenStart = camera.WorldPointToScreen(new XNA.Vector3(viewportLine.Item1, viewportLine.Item2, 0));
var screenEnd = camera.WorldPointToScreen(new XNA.Vector3(viewportLine.Item3, viewportLine.Item4, 0));
worldDrawingContext.DrawLine(viewportPen, new Point(viewportLine.Item1, viewportLine.Item2), new Point(viewportLine.Item3, viewportLine.Item4));
viewDrawingContext.DrawLine(viewportPen, new Point(viewStart.X, viewStart.Y), new Point(viewEnd.X, viewEnd.Y));
screenDrawingContext.DrawLine(viewportPen, new Point(screenStart.X, screenStart.Y), new Point(screenEnd.X, screenEnd.Y));
}
// draw axes
var axisLines = new Tuple<int, int, int, int, int, int, Pen>[]
{
Tuple.Create(0, 0, 0, axisLength, 0, 0, xAxisPen),
Tuple.Create(0, 0, 0, 0, axisLength, 0, yAxisPen),
Tuple.Create(0, 0, 0, 0, 0, axisLength, zAxisPen)
};
foreach (var axisLine in axisLines)
{
var viewStart = XNA.Vector3.Transform(new XNA.Vector3(axisLine.Item1, axisLine.Item2, axisLine.Item3), camera.ViewMatrix);
var viewEnd = XNA.Vector3.Transform(new XNA.Vector3(axisLine.Item4, axisLine.Item5, axisLine.Item6), camera.ViewMatrix);
var screenStart = camera.WorldPointToScreen(new XNA.Vector3(axisLine.Item1, axisLine.Item2, axisLine.Item3));
var screenEnd = camera.WorldPointToScreen(new XNA.Vector3(axisLine.Item4, axisLine.Item5, axisLine.Item6));
worldDrawingContext.DrawLine(axisLine.Item7, new Point(axisLine.Item1, axisLine.Item2), new Point(axisLine.Item4, axisLine.Item5));
viewDrawingContext.DrawLine(axisLine.Item7, new Point(viewStart.X, viewStart.Y), new Point(viewEnd.X, viewEnd.Y));
screenDrawingContext.DrawLine(axisLine.Item7, new Point(screenStart.X, screenStart.Y), new Point(screenEnd.X, screenEnd.Y));
}
// for all points in all geometries to be rendered, find the closest and furthest away from the camera so we can lighten lines that are further away
var distancesToAllGeometrySections = from geometry in geometries
let geometryViewMatrix = geometry.WorldMatrix * camera.ViewMatrix
from section in geometry.Sections
from point in new XNA.Vector3[] { section.Item1, section.Item2 }
let viewPoint = XNA.Vector3.Transform(point, geometryViewMatrix)
select viewPoint.Length();
var furthestDistance = distancesToAllGeometrySections.Max();
var closestDistance = distancesToAllGeometrySections.Min();
var deltaDistance = Math.Max(0.000001f, furthestDistance - closestDistance);
// draw each geometry
for (var i = 0; i < geometries.Length; ++i)
{
var geometry = geometries[i];
// there's probably a more correct name for this, but basically this gets the geometry relative to the camera so we can check how far away each point is from the camera
var geometryViewMatrix = geometry.WorldMatrix * camera.ViewMatrix;
// we order roughly by those sections furthest from the camera to those closest, so that the closer ones "overwrite" the ones further away
var orderedSections = from section in geometry.Sections
let startPointRelativeToCamera = XNA.Vector3.Transform(section.Item1, geometryViewMatrix)
let endPointRelativeToCamera = XNA.Vector3.Transform(section.Item2, geometryViewMatrix)
let startPointDistance = startPointRelativeToCamera.Length()
let endPointDistance = endPointRelativeToCamera.Length()
orderby (startPointDistance + endPointDistance) descending
select new { Section = section, DistanceToStart = startPointDistance, DistanceToEnd = endPointDistance };
foreach (var orderedSection in orderedSections)
{
var start = XNA.Vector3.Transform(orderedSection.Section.Item1, geometry.WorldMatrix);
var end = XNA.Vector3.Transform(orderedSection.Section.Item2, geometry.WorldMatrix);
var viewStart = XNA.Vector3.Transform(start, camera.ViewMatrix);
var viewEnd = XNA.Vector3.Transform(end, camera.ViewMatrix);
worldDrawingContext.DrawLine(nonScreenSpacePen, new Point(start.X, start.Y), new Point(end.X, end.Y));
viewDrawingContext.DrawLine(nonScreenSpacePen, new Point(viewStart.X, viewStart.Y), new Point(viewEnd.X, viewEnd.Y));
// screen rendering is more complicated purely because I wanted geometry to fade the further away it is from the camera
// otherwise, it's very hard to tell whether the rendering is actually correct or not
var startDistanceRatio = (orderedSection.DistanceToStart - closestDistance) / deltaDistance;
var endDistanceRatio = (orderedSection.DistanceToEnd - closestDistance) / deltaDistance;
// lerp towards white based on distance from camera, but only to a maximum of 90%
var startColor = Lerp(geometryBaseColor, Colors.White, startDistanceRatio * 0.9f);
var endColor = Lerp(geometryBaseColor, Colors.White, endDistanceRatio * 0.9f);
var screenStart = camera.WorldPointToScreen(start);
var screenEnd = camera.WorldPointToScreen(end);
var brush = new LinearGradientBrush
{
StartPoint = new Point(screenStart.X, screenStart.Y),
EndPoint = new Point(screenEnd.X, screenEnd.Y),
MappingMode = BrushMappingMode.Absolute
};
brush.GradientStops.Add(new GradientStop(startColor, 0));
brush.GradientStops.Add(new GradientStop(endColor, 1));
var pen = new Pen(brush, 1);
brush.Freeze();
pen.Freeze();
screenDrawingContext.DrawLine(pen, new Point(screenStart.X, screenStart.Y), new Point(screenEnd.X, screenEnd.Y));
}
}
}
worldRender = worldDrawingVisual;
viewRender = viewDrawingVisual;
screenRender = screenDrawingVisual;
}
private static float Lerp(float start, float end, float amount)
{
var difference = end - start;
var adjusted = difference * amount;
return start + adjusted;
}
private static Color Lerp(Color color, Color to, float amount)
{
var sr = color.R;
var sg = color.G;
var sb = color.B;
var er = to.R;
var eg = to.G;
var eb = to.B;
var r = (byte)Lerp(sr, er, amount);
var g = (byte)Lerp(sg, eg, amount);
var b = (byte)Lerp(sb, eb, amount);
return Color.FromArgb(255, r, g, b);
}
private void ShowRenders(DrawingVisual worldRender, DrawingVisual viewRender, DrawingVisual screenRender)
{
var itemsControl = new ItemsControl();
itemsControl.Items.Add(new HeaderedContentControl { Header = "World", Content = new DrawingVisualHost(worldRender)});
itemsControl.Items.Add(new HeaderedContentControl { Header = "View", Content = new DrawingVisualHost(viewRender) });
itemsControl.Items.Add(new HeaderedContentControl { Header = "Screen", Content = new DrawingVisualHost(screenRender) });
var window = new Window
{
Title = "Renders",
Content = itemsControl,
ShowInTaskbar = true,
SizeToContent = SizeToContent.WidthAndHeight
};
window.ShowDialog();
}
#endregion
#region Supporting Types
// stupidly simple 3D geometry class, consisting of a series of sections that will be connected by lines
private abstract class Geometry
{
public abstract IEnumerable<Tuple<XNA.Vector3, XNA.Vector3>> Sections
{
get;
}
public XNA.Matrix WorldMatrix
{
get;
set;
}
}
private sealed class Line : Geometry
{
private readonly XNA.Vector3 magnitude;
public Line(XNA.Vector3 magnitude)
{
this.magnitude = magnitude;
}
public override IEnumerable<Tuple<XNA.Vector3, XNA.Vector3>> Sections
{
get
{
yield return Tuple.Create(XNA.Vector3.Zero, this.magnitude);
}
}
}
private sealed class PolyLine : Geometry
{
private readonly XNA.Vector3[] points;
public PolyLine(params XNA.Vector3[] points)
{
this.points = points;
}
public override IEnumerable<Tuple<XNA.Vector3, XNA.Vector3>> Sections
{
get
{
if (this.points.Length < 2)
{
yield break;
}
var end = this.points[0];
for (var i = 1; i < this.points.Length; ++i)
{
var start = end;
end = this.points[i];
yield return Tuple.Create(start, end);
}
}
}
}
private sealed class Cube : Geometry
{
private readonly float size;
public Cube(float size)
{
this.size = size;
}
public override IEnumerable<Tuple<XNA.Vector3, XNA.Vector3>> Sections
{
get
{
var halfSize = this.size / 2;
var frontBottomLeft = new XNA.Vector3(-halfSize, halfSize, -halfSize);
var frontBottomRight = new XNA.Vector3(halfSize, halfSize, -halfSize);
var frontTopLeft = new XNA.Vector3(-halfSize, halfSize, halfSize);
var frontTopRight = new XNA.Vector3(halfSize, halfSize, halfSize);
var backBottomLeft = new XNA.Vector3(-halfSize, -halfSize, -halfSize);
var backBottomRight = new XNA.Vector3(halfSize, -halfSize, -halfSize);
var backTopLeft = new XNA.Vector3(-halfSize, -halfSize, halfSize);
var backTopRight = new XNA.Vector3(halfSize, -halfSize, halfSize);
// front face
yield return Tuple.Create(frontBottomLeft, frontBottomRight);
yield return Tuple.Create(frontBottomLeft, frontTopLeft);
yield return Tuple.Create(frontTopLeft, frontTopRight);
yield return Tuple.Create(frontTopRight, frontBottomRight);
// left face
yield return Tuple.Create(frontTopLeft, backTopLeft);
yield return Tuple.Create(backTopLeft, backBottomLeft);
yield return Tuple.Create(backBottomLeft, frontBottomLeft);
// right face
yield return Tuple.Create(frontTopRight, backTopRight);
yield return Tuple.Create(backTopRight, backBottomRight);
yield return Tuple.Create(backBottomRight, frontBottomRight);
// back face
yield return Tuple.Create(backBottomLeft, backBottomRight);
yield return Tuple.Create(backTopLeft, backTopRight);
}
}
}
private sealed class Sphere : Geometry
{
private readonly float radius;
private readonly int subsections;
public Sphere(float radius, int subsections)
{
this.radius = radius;
this.subsections = subsections;
}
public override IEnumerable<Tuple<XNA.Vector3, XNA.Vector3>> Sections
{
get
{
var latitudeLines = this.subsections;
var longitudeLines = this.subsections;
// see http://stackoverflow.com/a/4082020/5380
var results = from latitudeLine in Enumerable.Range(0, latitudeLines)
from longitudeLine in Enumerable.Range(0, longitudeLines)
let latitudeRatio = latitudeLine / (float)latitudeLines
let longitudeRatio = longitudeLine / (float)longitudeLines
let nextLatitudeRatio = (latitudeLine + 1) / (float)latitudeLines
let nextLongitudeRatio = (longitudeLine + 1) / (float)longitudeLines
let z1 = Math.Cos(Math.PI * latitudeRatio)
let z2 = Math.Cos(Math.PI * nextLatitudeRatio)
let x1 = Math.Sin(Math.PI * latitudeRatio) * Math.Cos(Math.PI * 2 * longitudeRatio)
let y1 = Math.Sin(Math.PI * latitudeRatio) * Math.Sin(Math.PI * 2 * longitudeRatio)
let x2 = Math.Sin(Math.PI * nextLatitudeRatio) * Math.Cos(Math.PI * 2 * longitudeRatio)
let y2 = Math.Sin(Math.PI * nextLatitudeRatio) * Math.Sin(Math.PI * 2 * longitudeRatio)
let x3 = Math.Sin(Math.PI * latitudeRatio) * Math.Cos(Math.PI * 2 * nextLongitudeRatio)
let y3 = Math.Sin(Math.PI * latitudeRatio) * Math.Sin(Math.PI * 2 * nextLongitudeRatio)
let start = new XNA.Vector3((float)x1 * radius, (float)y1 * radius, (float)z1 * radius)
let firstEnd = new XNA.Vector3((float)x2 * radius, (float)y2 * radius, (float)z2 * radius)
let secondEnd = new XNA.Vector3((float)x3 * radius, (float)y3 * radius, (float)z1 * radius)
select new { First = Tuple.Create(start, firstEnd), Second = Tuple.Create(start, secondEnd) };
foreach (var result in results)
{
yield return result.First;
yield return result.Second;
}
}
}
}
#endregion
}
Viewport.Project
nécessite une matrice mondiale. Par conséquent, j'ai ajouté une matrice mondiale à mon API. Il se peut que je finisse par le supprimer si nécessaire.