高级3D内容渲染：3D资产概念与原理

### 高级3D内容渲染：3D资产概念与原理 #### 1. 交互式3D资产：3D矢量内容概念 最先进的多媒体资产类型是交互式3D矢量对象。可以使用Java和JavaFX API（类和方法）来创建，也可以结合3D建模软件（如一些常见的建模工具）或3D动画软件（如Autodesk 3ds Max、Blender等）。交互式3D（i3D）资产由3D矢量几何图形构成，表面使用2D光栅图像，并且在其模型和场景层次结构中包含编程逻辑，使其具有交互性。 在创建3D对象时，我们会涉及从网格到有表面的模型的转变过程，还会探讨动画、运动曲线、对象层次结构、轴放置、虚拟对象、粒子系统、流体动力学、毛发和皮毛动力学、刚体动力学、软体动力学、布料动力学、绳索动力学等相关3D主题。3D是目前最复杂且有趣的新媒体类型。 这些3D对象可以通过在场景图对象层次结构中使用编程逻辑来实现交互性，场景图对象层次结构定义了3D对象各部分的行为，它是JavaFX 9的重要组成部分。 #### 2. 3D的基础：网格的几何结构 与2D形状新媒体元素一样，3D新媒体元素的最底层是顶点以及顶点之间的连接。在3D中，虽然仍然有顶点，但顶点之间的连接变得更加复杂。在2D中，顶点、向量（射线或直线）和样条曲线（曲线）之间形成的是空的（未填充）、封闭或开放的形状，开放形状无法填充。而3D几何图形在进行纹理映射之前，在3D行业中有时被称为网格或线框，顶点之间的连接称为“边”，边之间形成的部分称为“面”。 #### 3. 空间中的点：3D顶点的起源 类似于2D顶点（在Illustrator中称为锚点，在Inkscape中称为节点），顶点是3D几何和有机（NURBS、Catmull - Rom样条曲线和哈希补丁）建模的基础。顶点定义了模型的基础设施（边或样条曲线）在3D空间中的位置。在3D中，顶点数据可以包含表面颜色数据、法线数据、UVW纹理映射数据和顶点XYZ位置数据。对于熟悉3D扫描仪的人来说，可能对“点云”这个术语比较熟悉，顶点仍然是3D行业中一切操作的基础。 在Java 8和9的编码中，JavaFX 9有一个VertexFormat类，可以保存顶点数据，包括顶点位置、法线信息和UVW纹理映射坐标。你可以使用Java代码为Java 9游戏或物联网应用程序放置顶点，也可以使用3D建模软件，如Daz Hexagon、MoI 3D、Nevercenter SILO，或3D建模和动画软件，如Blender或Autodesk 3ds Max。 #### 4. 连接3D顶点：边连接3D顶点 大多数3D几何图形使用“边”来连接两个顶点。边是一个向量或直线，在3D空间中看起来像剃须刀的边缘。要形成一个多边形，需要三条或更多的边。在建模3D几何图形时，你可以选择顶点、边、多边形或整个对象。 如果你使用基于样条曲线的高级建模范式（如使用MoI 3D的NURBS、使用SILO 2的四边形、使用Animation:Master的哈希补丁）创建3D几何图形，需要将这些格式转换为多边形或三角形。这个过程通过一个抽取（平滑度）数值因子（滑块或设置）来完成，通常在文件导出功能中提供，将基于曲线的建模格式转换为多边形几何模型格式。 #### 5. 创建表面：三条边形成多边形，四条边形成四边形 当你将三条边组合成三角形的形式时，就得到了一个多边形，它可以作为表面来承载皮肤或纹理，使3D数据看起来更逼真。多边形有时也被称为三角形、Tris或面，有些建模软件使用方形多边形，称为“四边形”。如果你的渲染引擎（如JavaFX及其TriangleMesh类）需要三角形，你可以将四边形转换为三角形。转换算法很简单，只需在四边形表面的两个对角之间插入一条边，形成两个具有相等（镜像）角度特征的三角形。最优的三角形来自方形多边形，具有45 - 45 - 90度的角配置。一般来说，三角形越均匀（越接近方形），渲染效果越好，而细长的三角形可能会导致渲染瑕疵，但通常不会。 当你有了一个表面（通常是三角形），并且定义了它的法线（后面会详细介绍），就可以应用纹理映射了。此外，还有一个与相邻多边形或面相关的原则，称为平滑组。 下面是一个简单的流程图，展示了从顶点到多边形的创建过程： ```mermaid graph LR A[顶点] --> B[边] B --> C{边的数量} C -- 三条 --> D[三角形（多边形）] C -- 四条 --> E[四边形] ``` #### 6. 指定表面的朝向：表面法线的概念 如果你知道如何在3D软件中打开“显示法线”功能，就可以看到面的表面法线，它会显示为从面的正中心伸出的一条线。在Blender 2.8中，还有显示顶点法线的开关，顶点法线从顶点向外指向。对于一个立方体模型，顶点法线从立方体的角沿对角线（45度）向外指，而面法线从面的中心垂直向上（90度）指。 表面法线的作用是告诉渲染引擎表面的朝向。如果立方体的法线指向内而不是外，渲染时立方体将不可见。3D软件中有一个翻转法线的操作（算法），用于将模型的法线方向统一反转（所有法线翻转180度）。当你渲染场景时，如果导入的对象不可见，就可能需要使用这个功能。 翻转法线的情况可能会在3D导入工具将导入的3D几何图形的法线指向错误方向，或者其他3D工具导出法线时方向错误时出现。在3D工作流程中，这是比较常见的情况，所以如果你经