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WPF-3D图形

news 来源：原创 2024/5/9 3:04:02

WPF-3D图形

WPF的3D功能可以在不编写任何c#代码的情况下进行绘制，只需要使用xaml即可完成3D图形的渲染。本文主要讲述了WPF-3D中的关键概念，以及常用到的命中测试、2d控件如何在3D对象中进行渲染，除此之外，还演示了如何导入外部3D模型。

关键概念

视口

视口指的是图像要展示在哪里，可以理解为展示图形的舞台。在WPF中视口使用Viewport3D标签表示。

相机

如果把视口比作舞台，那相机就可以理解为观众的眼睛，不同的眼睛位置会看到不同的角度。

<Viewport3D><!--相机--><Viewport3D.Camera><!--透视相机--><PerspectiveCamera Position="8,5,10"LookDirection="-7,-2,-10"FarPlaneDistance="40"NearPlaneDistance="10"FieldOfView="60"> <PerspectiveCamera.Transform><RotateTransform3D CenterX="1.5" CenterY="1" CenterZ="0.5"><RotateTransform3D.Rotation><AxisAngleRotation3D Angle="45" Axis="0,1,0"/></RotateTransform3D.Rotation></RotateTransform3D></PerspectiveCamera.Transform></PerspectiveCamera><!--正交相机,用法类似--><!--<OrthographicCamera/>-->
</Viewport3D.Camera>

光源

没有光源也就看不到3D对象

<!--光线-->
<ModelVisual3D><ModelVisual3D.Content><Model3DGroup><!--散射光线--><AmbientLight Color="#FFF"/><!--平行光--><!--<DirectionalLight Color="#FFF" Direction="0,-1,0"/>--><!--点光源--><!--<PointLight Position="0,0,0"/>--><!--锥形辐射光：手电筒--><!--<SpotLight Position="0,0,0" Direction="0,0,-3"/>--></Model3DGroup></ModelVisual3D.Content>
</ModelVisual3D>

材质

3D几何对象只是将轮廓定义出来，表面是没有定义的，所以需要使用材质来展现出不同的物体表面。也可以理解为3D几何对象只是勾勒出物体的轮廓，而材质则是上颜色。

<ModelUIElement3D ><ModelUIElement3D.Model><GeometryModel3D><!--材质--><GeometryModel3D.Material><!--散射材质--><DiffuseMaterial Brush="Blue"/><!--镜面材质--><!--<SpecularMaterial SpecularPower="1" Brush="Blue"/>--><!--自发光材质--><!--<EmissiveMaterial Color="Green" />--></GeometryModel3D.Material><GeometryModel3D.Geometry><MeshGeometry3D Positions="0,0,1 0,2,1 3,2,1 3,0,10,0,0 0,2,0 3,2,0 3,0,0"TriangleIndices="2,3,7 7,6,2 1,5,4 0,1,4"/></GeometryModel3D.Geometry></GeometryModel3D></ModelUIElement3D.Model>
</ModelUIElement3D>

3D对象

3D对象则是具体的对象，在WPF中视口使用<ModelUIElement3D>标签表示。在WPF中，图形是以三角面片作为最基本的展示单元，因为三角形是最稳定的即三个点可以确定出唯一的一个平面，任何复杂的图形都是由多个三角面片组成的。在给TriangleIndices属性赋值时，一定注意三个点的顺序。

命中测试（鼠标交互）

想要使用鼠标点击得到某个图形，可以在具体的某个3D对象中，增加MouseLeftButtonDown事件

<ModelUIElement3D MouseLeftButtonDown="ModelUIElement3D_MouseLeftButtonDown">事件中可以进行改变颜色等操作

private void ModelUIElement3D_MouseLeftButtonDown(object sender, MouseButtonEventArgs e)
{ModelUIElement3D mui3d = sender as ModelUIElement3D;var model = mui3d.Model as GeometryModel3D;(model.Material as DiffuseMaterial).Brush = Brushes.Orange;
}

如果有很多3D对象，在每个具体的对象上面增加事件会很麻烦，也可以直接在Viewport3D中增加事件

<Viewport3D MouseLeftButtonDown="Viewport3D_MouseLeftButtonDown">在时间中急性转换处理

private void Viewport3D_MouseLeftButtonDown(object sender, MouseButtonEventArgs e)
{Viewport3D viewport3D=sender as Viewport3D; Point location=e.GetPosition(viewport3D);HitTestResult hitTestResult=VisualTreeHelper.HitTest(viewport3D, location);if (hitTestResult != null){...//具体操作}
}

3D对象中2D控件渲染

如果要在3D对象中增加控件，可以使用Viewport2DVisual3D标签，实现如下图所示的效果。

<Viewport3D><Viewport2DVisual3D><Viewport2DVisual3D.Geometry><MeshGeometry3D Positions="0,0,1 0,2,1 3,2,1 3,0,10,0,0 0,2,0 3,2,0 3,0,0"TriangleIndices="0,2,1 0,3,2 6,4,5 6,7,4"TextureCoordinates="0,1 0,0 1,0 1,1"/><!--TextureCoordinates:表示的二维平面坐标，原点：左上角--></Viewport2DVisual3D.Geometry><Viewport2DVisual3D.Material><DiffuseMaterial Viewport2DVisual3D.IsVisualHostMaterial="True" Brush="White"/></Viewport2DVisual3D.Material><Viewport2DVisual3D.Visual><Border BorderThickness="1" BorderBrush="Yellow"><StackPanel><TextBlock Text="Hello World" Foreground="Green" /><Button Content="Button" Click="Button_Click"/></StackPanel></Border></Viewport2DVisual3D.Visual></Viewport2DVisual3D>
<Viewport3D>

外部导入3D模型

在wpf中绘制3D模型还是非常麻烦的，在实际工作中用的比较多的是从外部导入已有的3d模型。推荐一个比较好的第三方库HelixToolKit

<Window x:Class="WpfApp2.MainWindow"xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"xmlns:local="clr-namespace:WpfApp2"xmlns:helix="http://helix-toolkit.org/wpf"mc:Ignorable="d"Title="MainWindow" Height="450" Width="800"><Grid><helix:HelixViewport3D  Name="viewPort3d"ShowViewCube="True"ViewCubeBackText="后" ViewCubeFrontText="前" ViewCubeHeight="100" ViewCubeWidth="100" ViewCubeVerticalPosition="Bottom"ViewCubeHorizontalPosition="Right"ShowCoordinateSystem="True"CoordinateSystemLabelForeground="Red"CoordinateSystemHorizontalPosition="Left"CoordinateSystemVerticalPosition="Bottom"ShowFrameRate="True"IsViewCubeEdgeClicksEnabled="False"><helix:HelixViewport3D.Camera><PerspectiveCamera FieldOfView="45"  LookDirection="0,0,-414.387754871885" FarPlaneDistance="30000"NearPlaneDistance="0.1" Position="9.9475983006414E-14,91.037123633789,414.387754871885" UpDirection="0,1,0"/></helix:HelixViewport3D.Camera><helix:HelixViewport3D.Background><LinearGradientBrush EndPoint="0.5,1" StartPoint="0.5,0"><GradientStop Color="#444" Offset="0"/><GradientStop Color="#EEE" Offset="1"/></LinearGradientBrush></helix:HelixViewport3D.Background><helix:GridLinesVisual3D Width="16000" Length="16000" Thickness="2" MinorDistance="500" MajorDistance="500" Fill="Gray" /><!--很重要，没有灯光场景是黑的--><helix:DefaultLights/><ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D></helix:HelixViewport3D></Grid>
</Window>

namespace WpfApp2
{public partial class MainWindow : Window{List<string> modelPaths = new List<string>();string basePath = AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory + "\\ModelFiles\\";public MainWindow(){InitializeComponent();modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK1_CAD_rev04.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK2_CAD_rev04.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK3_CAD_rev005.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK4_CAD_rev04.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK5_CAD_rev04.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK6_CAD_rev04.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_LINK3_CAD_rev04.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_CABLES_LINK1_rev03.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_CABLES_LINK2_rev03.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_CABLES_LINK3_rev03.stl");modelPaths.Add("IRB4600_20kg-250_BASE_CAD_rev04.stl");this.Loaded += MainWindow_Loaded;viewPort3d.RotateGesture = new MouseGesture(MouseAction.RightClick);viewPort3d.PanGesture = new MouseGesture(MouseAction.LeftClick);}private void MainWindow_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e){viewPort3d.Camera.LookDirection = new Vector3D(2038, -5200, -2930);viewPort3d.Camera.UpDirection = new Vector3D(-0.145, 0.372, 0.917);viewPort3d.Camera.Position = new Point3D(-1571, 4801, 3774);this.model.Content = InitializeModels(this.modelPaths);}private Model3DGroup InitializeModels(List<string> modelsNames){Model3DGroup group = new Model3DGroup();try{ModelImporter import = new ModelImporter();foreach (string modelName in modelsNames){var materialGroup = new MaterialGroup();Color mainColor = Colors.White;//EmissiveMaterial emissMat = new EmissiveMaterial(new SolidColorBrush(mainColor));DiffuseMaterial diffMat = new DiffuseMaterial(new SolidColorBrush(mainColor));//SpecularMaterial specMat = new SpecularMaterial(new SolidColorBrush(mainColor), 2000);//materialGroup.Children.Add(emissMat);materialGroup.Children.Add(diffMat);//materialGroup.Children.Add(specMat);var link = import.Load(basePath + modelName);GeometryModel3D model = link.Children[0] as GeometryModel3D;model.Material = materialGroup;model.BackMaterial = materialGroup;group.Children.Add(link);}}catch (Exception e){MessageBox.Show("未知异常:" + e.StackTrace);}return group;}}
}

HelixToolKit使用文档

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关键概念

视口

相机

光源

材质

3D对象

命中测试（鼠标交互）

3D对象中2D控件渲染

外部导入3D模型

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