深入解析WPF中的3D图形编程：材质与光照

引言

在Windows Presentation Foundation (WPF) 中创建三维(3D)图形是一项既有趣又具有挑战性的任务。为了帮助开发者更好地理解如何使用WPF进行3D图形的渲染，本文将深入探讨GeometryModel3D类及其相关的材质和光源设置。

1、GeometryModel3D类简介

GeometryModel3D类是WPF中用于定义3D对象的基本单元之一，它包含了三个关键属性：Geometry、Material以及BackMaterial。Geometry属性通过MeshGeometry3D对象定义了3D对象的形状，而Material和BackMaterial则负责定义这些形状表面的外观特性。

Geometry：使用MeshGeometry3D对象来定义3D模型的具体几何形状。
Material：决定了物体正面的颜色或纹理，支持多种类型的材质效果。
BackMaterial：决定了物体背面的颜色或纹理，如果不指定，则从背面观察时该物体会变得不可见。

2、材质类详解

WPF提供了四种继承自抽象的Material类的材质类型，每种类型都有其独特的视觉表现：

DiffuseMaterial：模拟现实世界中最常见的无光泽表面，光线在其表面上均匀散射。
SpecularMaterial：创造有光泽且高亮度的外观，如同金属或玻璃般反射光线。
EmissiveMaterial：赋予物体自身发光的能力，但这种光不能照亮其他物体。
MaterialGroup：允许组合多种材质以实现更复杂的视觉效果。

其中，DiffuseMaterial是最常用的材质类型，因为它能够最真实地模拟大多数日常材料的外观。

注意： DiffuseMaterial类提供了Brush属性，该属性获取希望用于绘制3D对象表面的Brush对象(如果使用除了SolidColorBrush画刷外的其他画刷，就需要设置MeshGeometry3D.TextureCoordinates属性，定义将画刷映射到对象上的方式，否则就会照成图像无法正确渲染颜色)。

3、设置材质示例

以下是一个简单的XAML代码片段，展示了如何为一个三角形配置黄色的DiffuseMaterial材质：

 <ModelVisual3D>
     <ModelVisual3D.Content>
         <Model3DGroup>
             <GeometryModel3D>
                 <GeometryModel3D.Geometry>
                     <MeshGeometry3D Positions="-1,0,0 0,1,0 1,0,0" TriangleIndices="0,2,1" />
                 </GeometryModel3D.Geometry>
                 <GeometryModel3D.Material>
                     <DiffuseMaterial Brush="Red" />
                 </GeometryModel3D.Material>
             </GeometryModel3D>
         </Model3DGroup>
     </ModelVisual3D.Content>
 </ModelVisual3D>

这段代码创建了一个简单的三角形，并将其正面颜色设置为红色。由于没有设置BackMaterial属性，从背面观察时这个三角形将消失不见。

在这里插入图片描述

4、WPF中的光照模型

在Windows Presentation Foundation (WPF) 中，为了创建一个视觉效果逼真的已着色的3D对象，理解并应用光照模型是至关重要的。本文将探讨如何使用WPF中的光照系统来增强你的3D场景，并解释一些关键概念和简化处理。

a、光照基础

基本的概念是在3D场景中添加一或多个光源，然后根据选择的灯光类型、位置、方向以及强度来照亮对象。尽管WPF的光照模型被设计为模拟现实世界的光照行为，但需要注意的是，它与真实世界中的光照行为并不完全相同。

b、简化处理

由于计算真实的灯光反射是一项处理器密集型任务，WPF在其光照系统中进行了一些简化以保证效率：

每个对象独立计算：从一个对象反射的灯光不会影响另一个对象。同样地，一个对象不会在另一个对象上投射阴影。
顶点光照计算：对于每个三角形的每个顶点进行灯光计算，然后在三角形表面插值。这意味着WPF决定了每个拐角的灯光强度，然后混合这些灯光强度来填充整个三角形。这种设计方式意味着，如果形状由很少的三角形组成，可能无法正确地实现照明效果。为了达到更好的光照效果，需要将形状细分为数百个甚至数千个三角形。

c、实现理想的光照效果

要获得精确的光照效果，可能需要结合使用多种光源、不同的材质，甚至是添加额外的形状。这是3D场景设计艺术的一部分，通过实验和调整来达到期望的效果。

注意事项 即使没有提供光源，3D对象依然是可见的。然而，在没有光源的情况下，所看到的只是纯黑色的轮廓。因此，添加至少一个光源是必要的，以便观察到对象的真实颜色和纹理。

5、WPF中的灯光类与DirectionalLight详解

📌 四种灯光类

灯光类名称	说明
DirectionalLight	使用沿着指定方向传播的平行光线填充整个场景，类似于太阳光
AmbientLight	提供均匀散射的光源，照亮场景中所有对象，不产生阴影或方向性
PointLight	从空间中某一点向各个方向辐射光线，类似灯泡发出的光
SpotLight	从一个点出发，以锥形方式向外发射光线，类似聚光灯

✅ DirectionalLight：最常用的光源类型

在实际开发中，DirectionalLight 是最常用的一种光源类型，尤其适用于模拟来自遥远光源（如太阳）的光照效果。它发出的是平行光线，并且覆盖整个3D空间。

📷示例代码：

<DirectionalLight Color="White" Direction="-1,-1,-1" />

Color：设置光源的颜色，此处为白色。
Direction：定义光线的方向向量，表示光线从右上前方到左下后方传播。

⚠️ 注意：计算灯光方向时，向量的角度是关键，长度无关紧要。例如，方向向量 (-2, -2, -2) 和标准化后的 (-1, -1, -1) 效果相同，因为它们代表相同的光照角度。

在这里插入图片描述

 <!--相机-->
 <Viewport3D.Camera>
     <PerspectiveCamera Position="10,10,10" LookDirection="-10,-10,-10" UpDirection="0,0,1" FieldOfView="10">
         <PerspectiveCamera.Transform>
             <RotateTransform3D CenterX="0" CenterY="0" CenterZ="0">
                 <RotateTransform3D.Rotation>
                     <!--视野可以绕物体中心轴旋转-->
                     <AxisAngleRotation3D Axis="0 0 1" Angle="0"/>
                 </RotateTransform3D.Rotation>
             </RotateTransform3D>
         </PerspectiveCamera.Transform>
     </PerspectiveCamera>

 </Viewport3D.Camera>
 <!--光源 离散的白色光源-->
 <ModelVisual3D>
     <ModelVisual3D.Content>
         <Model3DGroup>
             <AmbientLight Color="#999" />
             <!--点光源-光影层次感-->
             <PointLight Color="#DDD" Position="-10,10,-10"/>
         </Model3DGroup>
     </ModelVisual3D.Content>
 </ModelVisual3D>
 <ModelVisual3D>
     <ModelVisual3D.Content>
         <Model3DGroup>
             <GeometryModel3D>
                 <GeometryModel3D.Geometry>
                     <MeshGeometry3D Positions="-1,0,0 0,1,0 1,0,0" TriangleIndices="0,2,1" />
                 </GeometryModel3D.Geometry>
                 <GeometryModel3D.Material>
                     <DiffuseMaterial Brush="Red" />
                 </GeometryModel3D.Material>
             </GeometryModel3D>
         </Model3DGroup>
     </ModelVisual3D.Content>
 </ModelVisual3D>

在这里插入图片描述

🔍 光照角度与表面着色的关系

在这个示例中，光源的方向不是完全垂直于三角形表面（即未使用 (0, 0, -1)），而是有一定倾斜角度（如 (-1, -1, -1)）。这种设计是有意为之的，目的是为了让三角形表面呈现出更丰富的明暗变化，从而提升视觉效果。

💡 小贴士：定向光 vs 太阳光

定向光非常适合用来模拟太阳光。
因为其光线是平行的、无衰减的，因此特别适合用于大范围的室外场景渲染。

6、计算相机的位置

需要协调设置Position和LookDirection属性。如果使用 Position属性移动了摄像，但没有使用LookDirection属性在正确的方向上转回摄像机以进行补偿，就看不到在3D场景中创建的内容。为了确保正确地设置摄像机的方向，应选择一个希望从摄像机进行观察的点。然后可使用下面的公式计算观察方向：

CameraLookDirection = CenterPointofInterest - CameraPosition

在三角形示例中，使用位置(-2,2,2)将摄像机放到左上角。假定希望聚焦在原点(0,0,0)，该点位于三角形底边的中点，应当使用下面这个观察方向：

CameraLookDirection = (0, 0, 0) - (-2, 2, 2)= (2, -2, -2)

这个方向相当于法线向量(1,-1,-1),因为它们描述的方向是相同的。DirectionalLight
类的Direction属性一样，重要的是向量的方向，而其长度并不重要。一旦设置 Position和LookDirection属性，可能还希望设置UpDirection属性。UpDirection属性决定了摄像机的倾斜角度。通常将UpDirection属性设置为(0,1,0)，这意味着向量垂直向上。如下图所示：

在这里插入图片描述