用Java实现艺术化3D四面体渲染

### 用Java实现艺术化3D四面体渲染 在编程领域，将代码与艺术相结合可以创造出令人惊叹的视觉效果。本文将详细介绍如何使用Java构建、渲染和绘制一个3D四面体，并逐步为其添加各种效果，如填充颜色、Z缓冲和余弦着色等。 #### 1. 简单线框四面体 四面体是最简单的3D立体对象，我们将从构建线框四面体开始，然后逐步填充其内部空间。 ##### 1.1 构建原理 - 首先，在3D空间中指定一些坐标点，并在这些点之间绘制线条，这些线条共同构成四面体的各个面。 - 为了在计算机屏幕上显示这些线条，我们创建了一个面板，将线条绘制为白色，背景设置为黑色。 - 同时，添加了两个滑块，用于在两个方向上旋转四面体。 ##### 1.2 代码实现 以下是实现简单线框四面体的完整代码： ```java import javax.swing.*; import java.awt.*; import java.util.List; import java.util.ArrayList; import java.awt.geom.*; public class TetraWireframe { public static void main(String [] args) { JFrame frame = new JFrame(); Container pane = frame.getContentPane(); pane.setLayout(new BorderLayout()); // 控制水平旋转的滑块 JSlider headingSlider = new JSlider(-180, 180, 0); pane.add(headingSlider, BorderLayout.SOUTH); // 控制垂直旋转的滑块 JSlider pitchSlider = new JSlider(SwingConstants.VERTICAL, -90, 90, 0); pane.add(pitchSlider, BorderLayout.EAST); // 显示渲染结果的面板 JPanel renderPanel = new JPanel() { public void paintComponent(Graphics g) { Graphics2D g2 = (Graphics2D) g; g2.setColor(Color.BLACK); g2.fillRect(0, 0, getWidth(), getHeight()); List<Triangle> tris = new ArrayList<>(); tris.add(new Triangle(new Vertex(100, 100, 100), new Vertex(-100, -100, 100), new Vertex(-100, 100, -100), Color.WHITE)); tris.add(new Triangle(new Vertex(100, 100, 100), new Vertex(-100, -100, 100), new Vertex(100, -100, -100), Color.WHITE)); tris.add(new Triangle(new Vertex(-100, 100, -100), new Vertex(100, -100, -100), new Vertex(100, 100, 100), Color.WHITE)); tris.add(new Triangle(new Vertex(-100, 100, -100), new Vertex(100, -100, -100), new Vertex(-100, -100, 100), Color.WHITE)); double heading = Math.toRadians(headingSlider.getValue()); Matrix3 headingTransform = new Matrix3(new double[] { Math.cos(heading), 0, -Math.sin(heading), 0, 1, 0, Math.sin(heading), 0, Math.cos(heading) }); double pitch = Math.toRadians(pitchSlider.getValue()); Matrix3 pitchTransform = new Matrix3(new double[] { 1, 0, 0, 0, Math.cos(pitch), Math.sin(pitch), 0, -Math.sin(pitch), Math.cos(pitch) }); Matrix3 transform = headingTransform.multiply(pitchTransform); g2.translate(getWidth() / 2, getHeight() / 2); g2.setColor(Color.WHITE); for (Triangle t : tris) { Vertex v1 = transform.transform(t.v1); Vertex v2 = transform.transform(t.v2); Vertex v3 = transform.transform(t.v3); Path2D path = new Path2D.Double(); path.moveTo(v1.x, v1.y); path.lineTo(v2.x, v2.y); path.lineTo(v3.x, v3.y); path.closePath(); g2.draw(path); } } }; pane.add(renderPanel, BorderLayout.CENTER); headingSlider.addChangeListener(e -> renderPanel.repaint()); pitchSlider.addChangeListener(e -> renderPanel.repaint()); frame.setSize(400, 400); frame.setVisible(true); } } class Vertex { double x; double y; double z; Vertex(double x, double y, double z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; } } class Triangle { Vertex v1; Vertex v2; Vertex v3; Color color; Triangle(Vertex v1, Vertex v2, Vertex v3, Color color) { this.v1 = v1; this.v2 = v2; this.v3 = v3; this.color = color; } } class Matrix3 { double[] values; Matrix3(double[] values) { this.values = values; } Matrix3 multiply(Matrix3 other) { double[] result = new double[9]; for (int row = 0; row < 3; row++) { for (int col = 0; col < 3; col++) { for (int i = 0; i < 3; i++) { result[row * 3 + col] += this.values[row * 3 + i] * other.values[i * 3 + col]; } } } return new Matrix3(result); } Vertex transform(Vertex in) { return new Vertex( in.x * values[0] + in.y * values[3] + in.z * values[6], in.x * values[1] + in.y * values[4] + in.z * values[7], in.x * values[2] + in.y * values[5] + in.z * values[8] ); } } ``` ##### 1.3 代码解释 - **Vertex类**：用于表示3D空间中的一个点，包含x、y、z三个坐标。 - **Triangle类**：由三个Vertex对象和一个颜色值组成，用于表示四面体的一个面。 - **Matrix3类**：一个3x3的矩阵类，用于对顶点进行旋转操作。 - **paintComponent方法**：在该方法中，我们创建了四面体的四个面，并使用矩阵变换对其进行旋转，最后将旋转后的面绘制到屏幕上。 ##### 1.4 编译和运行 编译并运行上述代码后，你将看到一个简单的线框四面体，并且可以使用滑块控制其旋转。 #### 2. 填充颜色的四面体 在实现了线框四面体后，我们可以进一步为其填充颜色。 ##### 2.1 图像缓冲 为了避免频繁重绘导致处理器负担过重，我们需要使用图像缓冲来存储图像。在代码中，我们需要导入`java.awt.image.BufferedImage`类，并在`paintComponent`方法中创建一个缓冲图像。 ```java import java.awt.image.BufferedImage; // ... Matrix3 transform = headingTransform.multiply(pitchTransform); BufferedImage img = new BufferedImage(getWidth(), getHeight(), BufferedImage.TYPE_INT_ARGB); ``` ##### 2.2 计算像素位置 接下来，我们需要计算每个三角形的像素位置，并填充相应的颜色。以下是计算像素位置的代码： ```java for (Triangle t : tris) { Vertex v1 = transform.t ```