XNA 4.0Wprowadzenie do grafiki 3D
Jacek Matulewski (e-mail: [email protected])ZMK, Instytut Fizyki, WFAiIS, UMK
28 stycznia 2012
Zapowiedź
• Sentymentalne wspomnienia o historii grafiki 3D
• Kilka pojęć grafiki 3D: werteks, model Phonga, efekty
• Wprowadzenie do XNA
• Co nowego w XNA 4.0?
Historia grafiki
• 1970s – pojawiają się PC, pierwsze gry 2D, SIGGRAPH
• 1980s – Amiga, gry 2D stają się powszechne, SGI (GL), Luxo Jr. (1986), Flight Simulator (1982-2006)
• 1960s – projektowanie komp. (Boeing, Peugot, Renault)
• 1990s – OpenGL (1992), Wolfenstein 3-D (1992), Doom (1993), DirectX w Windows 95 (1994), Voodoo (1996), Quake (1996), Unreal (1998), Toy Story (1996) z Pixar (dawniej w IL&M)
• 2000s – Shrek (2001) i inne => śmierć kreskówki DirectX 9.0c (2004) => gry 3D są powszechne Managed DirectX (MDX, 2002), XNA (2006)
Historia grafiki
1992, id Software
Historia grafikiQuake (1996)
Źródło: http://www.club3d.nl/index.php/thema/subject/index/6
Quake II (1997)
Quake III Arena (1999)
Quake 4 (2005)
Tron (1982) – Disney
Historia grafiki
Luxo, Jr (1986) – Pixar
Toy Story (1996) – Pixar
Shrek (2001) Dreamworks
Grafika w nowej perspektywie
XNA
Idea 1: dostęp do Direct3D i DirectDraw z języków .NET
Idea 2: przenośność (PC z Windows, Xbox 360, WP7, Zune)
skupienie na grze, a nie na platformie sprzętowej
(programowalne jednostki kart graficznych)
Idea 3: pełne wykorzystanie obecnych kart graficznych
Architektura XNA
FrameworkFramework FrameworkFramework
Źródło: Mitch Walker, prezentacja na Gamefest 2008
DirectXGamepad
GC, VC# wątki (TPL), IO
Matrix, Vector3klasy opakow. DX
edytor, debuger,IntelliSense (IDE)
Podstawowe pojęcia grafiki 3D:
• Prymityw – figura zbudowane z werteksów, dwustronna
zbiór wierzchołków
Prymitywy
PrimitiveType.PointList PrimitiveType.LineList PrimitiveType.LineStrip
inna jest ilość werteksów używanych do narysowania linii i ciągu linii
Prim..Type.TriangleList Pri..Type.TriangleStrip Prim..Type.TriangleFan
Brakuje czworokątów (quad) i wielokątów – trzeba je samodzielnie budować z trójkątów
PotokAplikacja XNA
Rasteryzator Interpolator
Shader werteksów
Strumieńwerteksów
Współrzędne werteksów w układzie ekranu
Kolor, normalne,współrzędne tekstury
Shader pikseli
Test bufora głębi
Bufor ramki
Monitor
Strumień pikseli
Geometry shader?
Profile (XNA 4.0)
Zbiór cech charakteryzujących karty graficzne, ich możliwości wyświetlania (nie ma już diagnostyki).Upraszcza tworzenie projektów przenaszalnychi na platformy o zunifikowanych specyfikacjach.
Profil Reach HiDef
Platformy WP7, Xbox 360, PC z DX9
Xbox 360,PC z DX10
Vertex Shader 1.0, 1.1, 2.0 1.0, 1.1, 2.0, 3.0
Pixel Shader 2.0 2.0 3.0
Tekstury 2^n, 2048 dowolne, 4096
Index buffer 16 bit 16 bit i 32 bit
poza WP7
Efekt (klasa Effect i BasicEffect)
Klasa reprezentująca Pixel i Vertex Shadery w kodzie C#.
Dostęp do własności wyświetlania (GraphicDevice).
Bez przygotowywania własnych shaderów można używać klasy BasicEffect (we wszystkich wersjach XNA):
• macierze świata i widoku: własności World i View
• macierz rzutowania: własność Projection
• domyślne oświetlenie: DirectionalLight0-2, światło tła
+ efekt mgła (nie można zmieniać położenia źródeł św.)
• teksturowanie: własność Texture
Nowe efekty w XNA 4.0
• DualTextureEffect – nałożenie dwóch tekstur
• EnvironmentMapEffect – mapowanie środowiskowena bazie kubicznej tekstury (użytej też do skyboxa).Dodatkowo: jej kanał alpha to obraz świateł rozbłysku.
• AlphaTestEffect – kanał alfa używany jako „zamiennik” testu głębokości (raczej w 2D).Piksele nie są rysowane tam, gdzie A < ustalony próg
• SkinnedEffect –rigging i skinning modeli
• IEffectMatrices, IEffectLights (3), IEffectFog
Wszystkie efekty są konfigurowalne (jak BasicEffect)
EnvironmentMapEffect
• Tekstura kubiczna
http://blogs.msdn.com/b/shawnhar/archive/2010/08/09/environmentmapeffect.aspx
EnvironmentMapEffect
http://blogs.msdn.com/b/shawnhar/archive/2010/08/09/environmentmapeffect.aspx
DualTextureEffect
http://blogs.msdn.com/b/shawnhar/archive/2010/08/04/dualtextureeffect.aspx
output.rgb = Texture1.rgb * Texture2.rgb * 2;output.a = Texture1.a * Texture2.a;
Nowe efekty w XNA 4.0
Demo
Wbudowane obiekty stanów
Wcześniej umieszczone w GraphicsDevice (teraz nie można ich tam edytować)
Wbudowane stany:
•RasterizedState (por. nieistniejący już RenderState)odpowiada za potok renderowania (m.in. CullMode).
•DepthStencilState – test głębokości i test szablonowy
•BlendState – blending, mieszanie kolorów (przezrocz.)
•SamplerState – reprezentuje próbnik (sampler) tekstury
Konwersja z XNA 3.x do 4.0
• Typowa postać metody Draw (XNA 3.0)protected override void Draw(GameTime gameTime){ GraphicsDevice gd = graphics.GraphicsDevice; gd.Clear(Color.Black); gd.RenderState.CullMode=CullMode.None;
gd.Vertices[0].SetSource(buforWerteksowTrojkata,0,VertexPositionColor.SizeInBytes);
gd.VertexDeclaration = new VertexDeclaration(gd, VertexPositionColor.VertexElements);
efekt.Begin(); foreach (EffectPass pass in efekt.CurrentTechnique.Passes) { pass.Begin(); gd.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 1); pass.End(); } efekt.End();
base.Draw(gameTime);}
gd.RasterizerState = RasterizerState.CullNone;
gd.SetVertexBuffer(buforWerteksowTrojkata);
pass.Apply();
Transformacje
Podstawowe pojęcia grafiki 3D:
• Transformacje – określane we współrzędnych sceny 3Dtranslacja (Matrix.CreateTranslation, macierz 4x4!), obrót (Matrix.CreateRotationXYZ, z osi obrotu i kąta, yaw+pitch+roll, klasa Quaternion)skalowanie (Matrix.CreateScale), pochyleniezłożenie – dowolna macierz 4x4 (Matrix.Multiply)
• Rozdzielenie macierzy świata i widoku (wygoda!)
• Transformacje są wykonywane „od końca”(post-multiplication)
Transformacje
• We współrzędnych kartezjańskich (2D) obrót i translacja mogą być zapisane:
yyyyx
xyxxx
y
x
yyyx
xyxx
tyoxo
tyoxo
t
t
y
x
oo
ooT
y
xO
y
x
00
00
0
0
0
0ˆ
Wprowadzone w 1946 przez E. Maxwella (rzutowanie).W 1965 L. Roberts użył ich do zunifikowania zapisu wszystkich transformacji: obrotów, translacji, skalowanie i pochylania + rzutowania.
• We współrzędnych jednorodnych:
111001100
00
0
0
0
0
yyyyx
xyxxx
yyyyx
xxyxx
tyoxo
tyoxo
y
x
too
too
y
x
Hy
x
Fizyczny model oświetlenia – na efekt końcowy (tj. kolor piksela) wpływają „własności emisyjne” źródła światła, „własności absorpcyjne” materiału, który jest oświetlany i własności ewentualnych ciał półprzezroczystych
Światło (cieniowanie)
Typy źródeł oświetlenia:• Światło otoczenia (ambient) – bez źródła i kierunku – rozświetla jednorodnie całą scenę, także wewnątrz figur) – nie daje cieni na obiekcie (nie ma złudzenia 3D)
Typy źródeł oświetlenia:• Światło otoczenia (ambient)• Rozproszone (diffuse) – posiada źródło, ale jest jednorodne we wszystkich kierunkach Generalnie: Jasność proporcjonalna do kosinusa kąta padania (normalna)
Typy źródeł oświetlenia:• Światło otoczenia (ambient)• Rozproszone (diffuse)• Rozbłysk (specular) – źródło i kierunek reflektor, efekt „zajączka” – rozbłysku na gładkich pow.
+ + =
Typy źródeł oświetlenia:• Światło otoczenia (ambient) – światło słoneczne w białym pomieszczeniu• Rozproszone (diffuse) – mleczna żarówka, świeca• Rozbłysk (specular) – reflektor, odbicie od lustra
Dla każdego typu parametry materiału ustalane są osobno
Model oświetlenia Phonga
+ + =
• Opracowany w 1975 przez Phong Bui-Tuonga• Jest jedynie zgrubnym przybliżeniem praw optyki• Zakłada trzy niezależne komponenty odbitego światła• Światło rozproszone – prawo Lamberta (1760)
• Model cieniowania Phonga (coś innego niż model ośw.) = interpolacja normalnych (uśrednianie normalnych)
Model oświetlenia Phonga
+ + =
• W XNA i Direct3D model Phonga jest uzupełniony o światło emisji (emission)• Imitacja źródła światła (jednak nie oświetla innych aktorów na scenie!)• Realizowane podobnie jak światło otoczenia
Model oświetlenia Phonga
Demo
Czego potrzebujemy…
• Visual Studio 2010 lub Visual C# 2010 Express
• Platforma .NET 4.0 (instalowana razem z VS/VC#)
• Windows Phone 7 Developer Tools zawiera XNA 4.0
• XNA Game Studio 4.0
• NVidia FX Composer 2.5 – narzędzie bardzo pomocnedo programowania shaderów
• Karta graficzna zgodna z DirectX 9.0/10.0 (Shader 2.0)
Czego nie musimy…
• Znać algorytmów cieniowania (shading),
chyba, że programujemy procesory strumieniowe
• Zajmować się algorytmami kreślenia linii z pikseli
(programowaniem antyaliasingu, itp.)
• Algorytmy optymalnego rysowania trójkątów,
zapełniania wielokątów, rysowania krzywych
• Usuwać niewidocznych na scenie werteksów,
powierzchni przesłoniętych przez innych aktorów
To robią karty graficzne i biblioteka XNA!
Nie musimy także…• Znać algebry wektorów i macierzy (Vector34, Matrix)
(w tym macierz translacji, obrotu, rzutowania itd.)
• Tworzyć pętli głównej, dbać o timery inicjującerenderowanie sceny i „odświeżanie” logiki aplikacji
• Wiedzieć, czym są współrzędne jednorodne, w których pracują karty graficzne
• Obsługiwać sterowników urządzeń wejścia (sterowników gier) i wyjścia (karty dźwiękowej)
To robią biblioteki platformy XNA!
Co musimy zrobić sami…
• Cienie rzucane na podłoże i inne przedmioty
rzutowanie cieni, shadow mapping, volumetric shadows
• Fizyka: rozwiązywanie równań ruchu, detekcja kolizji
• Wszelkie odstępstwa od domyślnego oświetleniai teksturowania wymagają programowania shaderów(w tym już zmiana pozycji źródeł światła)
• Programowanie logiki w C# 4.0Zaplecze w XNA 4.0: .NET Framework 4.0 (TPL)
są biblioteki komercyjne i rozwiązania sprzętowe (GPU)
XNA 4.0 + .NET 4.0
• Ciekawe nowości w .NET 4.0:
– TPL (Parallel Extensions)np. zrównoleglenie silnika fizyki
– MEF – zarządzanie wtyczkami (plugins)
– System.Numerics.Complex, BigInteger
– Lazy<>, argumenty domyślne
– Dynamic (DLR)
Top Related