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编程技术

　　本文将用一个Java 3D游戏来介绍Checkers3D以及如何使用它创建一个场景，该场景包含深绿色和蓝色间隔的平铺表面，其轴向是沿着x和z轴，一个蓝色的背景和一个浮动的可以从两个不同的方向照亮的球体。用户(观察者)能通过移动鼠标移动该场景。

　　图1中左边的快照显示出程序起始的视图；右边的显示出用户移动一点后的场景图。

图1.起始和后来的视图

　　Checkers3D游戏展示了Java 3D编程中许多共同之处及一些技巧。例如，3D场景的显示是使用Java 3D Canvas3D类完成的-这个类必须与Java的Swing组件集成到一起。所有的Java 3D应用程序要求一个场景图，而Checkers3D展示了怎样添加基本的形状、光源（环境光和有向光）和背景。该场景图用作文档的一种可视化形式，并且借助于Daniel Selman的Java3dTree包可以容易地生成其信息的一种文本版本。

　　地板和球利用了Java 3D的QuadArray、Text2D和球体几何体类。地板是在一个QuadArray中的一系列的四边形；而标签是利用Text2D对象沿着地板的主轴放置的。球体的实现将向用户展示怎样着色，点亮和放置一个3D形状。用户从一种视图来观察该3D世界。你将看到如何在初始化过程中确定球体的位置，以及如何在执行期间通过使用Java 3D的OrbitBehavior类来移动该球体的。

　　一、 Checkers3D的类图

　　图2中的类图显示该Checkers3D应用程序的所有的公共和私有数据及方法。

图2.Checkers3D的类图

　　Checkers3D是该应用程序最顶层的JFrame。WrapCheckers3D是一拥有场景图的JPanel，该场景图可经由一Canvas3D对象来观看。 CheckerFloor创建地板子图(如瓷砖，轴，等等)，这里相同颜色的瓷砖是用一个ColoredTiles对象描述的。

　　二、 集成Java 3D和Swing

　　Checkers3D是一个JFrame-如果必要的话，可以把GUI控件，例如Swing文本域和按钮等放置到它上面。在本文的实例中，我创建了一个WrapCheckers3D(一个JPanel)的实例并把它放到一个BorderLayout的中央：

c.setLayout( new BorderLayout( ) ); WrapCheckers3D w3d = new WrapCheckers3D( );//3D画布的面板 c.add(w3d， BorderLayout.CENTER);

　　在该场景上的Canvas3D视图是在WrapCheckers3D中创建的：

public WrapCheckers3D( ){ setLayout( new BorderLayout( ) ); //另外的初始化代码 GraphicsConfiguration config =SimpleUniverse.getPreferredConfiguration( ); Canvas3D canvas3D = new Canvas3D(config); add("Center"， canvas3D); //另外的初始化代码 }

　　当使用Canvas3D时必须小心，因为它是一个轻量级的GUI元素（在一个OS生成的窗口之上的薄层）。重量级的组件无法容易地与轻量级的Swing控件相结合；这些控件大部分由Java生成。如果把Canvas3D对象嵌入到Jpanel中就可以避免这些问题；那么该面板就可以安全地与基于Swing构建的应用程序的其它部分集成到一起。

　　提示 在j3d.org（http://www.j3d.org/tutorials/quick_fix/swing.html）上有关于把Canvas3D和Swing相结合的详细讨论。

　　与前面的章节中的应用程序相比，这里没有更新/绘制动画循环。这是不必要的，因为Java 3D包含它自己的机制来监视场景变化并且初始化着色。下面是该算法的伪码形式：

while(true){ 处理用户输入; if (存在请求) break; 执行行为; if (场景图发生变化) 遍历场景图并着色; }

　　行为是一些场景图结点。它们包含能够影响图中其它部分的代码，例如移动形状或改变灯光。它们可以用于监控图形，从而把细节信息传递到应用程序中的非3D部分。

　　有关细节可能要比这个伪代码中所建议的更为复杂，例如，Java 3D使用多线程来执行并行遍历和着色。然而，了解一下这个过程的大致思想将有助于你理解本文后面的代码。

　　三、 创建场景图

　　这个场景图是通过WrapCheckers3D的构造器创建的：

public WrapCheckers3D( ){ 　//初始化代码 　GraphicsConfiguration config =SimpleUniverse.getPreferredConfiguration( ); 　Canvas3D canvas3D = new Canvas3D(config); 　add("Center"， canvas3D); 　canvas3D.setFocusable(true); //聚焦画布 　canvas3D.requestFocus( ); 　su = new SimpleUniverse(canvas3D); 　createSceneGraph( ); 　initUserPosition( ); //设置用户的观察点 　orbitControls(canvas3D); //控制移动观察点 　su.addBranchGraph( sceneBG ); }

　　该Canvas3D对象被从getPreferredConfiguration()中得到的配置初始化；这个方法查询有关硬件的着色信息。一些老式的Java 3D程序并不初始化一个GraphicsConfiguration对象，它们使用null作为到Canvas3D构造器的参数。这是一种不好的编程方法。

　　聚焦于canvas3D会使得键盘输入事件被发送到场景图中的行为中。行为经常是通过键的按下与释放来激活的，但是它们也可以由定时器、帧变化和由Java 3D内部生成的事件来触发。在Checkers3D中不存在任何行为，所以没有必要聚焦。我把这相应的几行代码保留下来，因为它们在我们后面将要讨论的几乎每种其它程序中都要使用。

　　SimpleUniverse对象创建一标准视图分支图和场景图的VirtualUniverse及Locale结点。createSceneGraph()方法设置灯光、天空背景、地板及浮动的球体；initUserPosition()和orbitControls()负责处理观察者问题。在该方法的最后，结果BranchGroup被添加到该场景图上：

private void createSceneGraph( ){ 　sceneBG = new BranchGroup(); 　bounds = new BoundingSphere(new Point3d(0，0，0)， BOUNDSIZE); 　lightScene( ); //添加灯 　addBackground( ); //添加天空 　sceneBG.addChild( new CheckerFloor( ).getBG( ) );//添加地板 　floatingSphere( ); //添加浮动的球体 　sceneBG.compile( ); //修改场景 } //createSceneGraph()结束

　　各种方法把子图添加到sceneBG上以构建内容分支图。一旦该图被终结化并允许Java 3D对它进行优化，sceneBG就被编译。这种优化包含生成图、重分组和组合结点。例如，一串包含不同平移的TransformGroup结点可能组合到单个的结点中。另一种可能是把所有的形状用相同的外观属性分组，这样它们可以更快地着色。

　　边界是一个全局的BoundingSphere，用来指定对于灯光、背景和OrbitBehavior对象等环境结点的影响。边界球体放置在场景的中央并影响BOUNDSIZE个单位半径内的一切。边界盒和边界多面体在Java 3D中都是可用的。

　　在WrapCheckers3D( )执行最后的场景图显示在图3中。

　　其中的"Floor Branch"结点是我的发明，用来隐藏一些细节直到最后。图3中没有显示的是场景图的视图分支部分。

　　四、 点亮场景

　　一个环境灯光和两个有向灯光被通过lightScene()方法添加到该场景上。一个环境灯光可以达到世界中的每个角落并同等程度地照亮一切。

Color3f white = new Color3f(1.0f， 1.0f， 1.0f); //设置环境灯光 AmbientLight ambientLightNode = new AmbientLight(white); ambientLightNode.setInfluencingBounds(bounds); sceneBG.addChild(ambientLightNode);

　　这里环境光源是沿着边界创建的并且被添加到场景中。Color3f()函数中使用了红/绿/蓝色，范围为0.0f～1.0f。

　　有向灯光模仿了具有一定距离的灯光的效果，从一个特定方向来照亮物体的表面。其与环境光的主要区别在于，它需要一个有关的矢量。

Vector3f light1Direction=new Vector3f(-1.0f，-1.0f，-1.0f); //左面，下面，后面 DirectionalLight light1 = new DirectionalLight(white， light1Direction); light1.setInfluencingBounds(bounds); sceneBG.addChild(light1);

图3.Checkers3D中的部分场景图

　　方向是连接点(0，0，0)和点(-1，-1，-1)的矢量；而灯光可以被想象成是方向与该矢量一致的多条平等线。

　　点光源和斑点光源是其它形式的Java 3D光。点光源位置在空间上，其方向朝各个方向发出。斑点光源是聚集的点光源，它指向一个特定方向。

　　一个场景的背景可以用一个固定的颜色(如下)、一静态的图像或一个纹理贴图几何体例如一个球体来指定：

Background back = new Background( ); back.setApplicationBounds( bounds ); back.setColor(0.17f， 0.65f， 0.92f); //天空颜色 sceneBG.addChild( back );

　　五、 浮动的球体

　　球体是一个工具类，来自于Java 3D的com.sun.j3d.utils.geometry包，这是一个Primitive类的子类，而Primitive类是一个Group结点-它有一个Shape3D子结点(见图3)。它的几何体在一个Java 3D TriangleStripArray中相邻-它指定球体是一个相连接的三角形的数据。我不必调整这个几何体，但是该球体的外观和位置确实需要改变。

　　Appearance结点是一个包含大量参考信息-包括色彩、线、点、多边形、着色、透明度和材质属性-的容器。

　　ColouringAttributes修正一个形状的颜色并且不受场景灯光的影响。对于一个要求颜色和光相交互的形状来说，需要使用Material组件。要使光影响一个形状的颜色，必须满足三个条件：

　　·该形状的几何体必须包括法线。

　　·该形状的Appearance结点必须有一个Material组件。

　　·该Material组件必须用setLightingEnable()启动了灯光效果。

　　工具球体类能自动地创建法线，因此第一个条件很容易满足。

　　六、 给球体加上颜色

　　Java 3D Material组件控制一个形状当被不同的灯光点亮时展示什么颜色：

Material mat = new Material(ambientColor， emissiveColor， diffuseColor， specularColor， shininess);

　　ambientColor参数指定当被环境光点亮时形状的颜色：这使得对象具有一个统一的颜色。emissiveColor代表形状产生的颜色；这个参数经常被置为黑色(等于off)。diffuseColor是对象点亮时的颜色，其亮度依赖于光柱与形状的表面形成的角度的大小。

　　提示: 散射和环境颜色常被设置为相同色，这与真实世界中的大多数物体被颜色点亮时的方式相匹配。

　　specularColor参数与形状与它的发光区的反射程度相关。这个值与亮度参数结合在一起。

　　提示: 镜面光的颜色常被设置为白色，这与真实世界中的由大多数物体生成的镜面光的颜色相匹配。

　　在Checkers3D中，有两个有向光源-它们在浮动球体的顶部创建两个闪亮的光环(见图1)。地板瓦还没有点亮，因为它们的颜色是用形状的几何体来设置的（见后面）。

　　在floatingSphere()中管理球体的外观的代码如下：

Color3f black = new Color3f(0.0f， 0.0f， 0.0f); Color3f blue = new Color3f(0.3f， 0.3f， 0.8f); Color3f specular = new Color3f(0.9f， 0.9f， 0.9f); //近乎白色 Material blueMat= new Material(blue， black， blue， specular， 25.0f); blueMat.setLightingEnable(true); Appearance blueApp = new Appearance( ); blueApp.setMaterial(blueMat);

　　七、 放置球体

　　放置一个形状几乎总是一直通过把它的场景图结点放到一个TransformGroup（见图3中的球体Group）的下方来实现的。可以用一个TransformGroup来放置、旋转和缩放放在它下面的结点，这里变换是用Java 3D Transform3D对象来定义的：

Transform3D t3d = new Transform3D(); t3d.set( new Vector3f(0，4，0)); //放在(0，4，0) TransformGroup tg = new TransformGroup(t3d); tg.addChild(new Sphere(2.0f， blueApp)); //设置球体的半径和外观 //并缺省地设置其法线 sceneBG.addChild(tg);

　　这个set()方法把球体的中心放在(0，4，0)并且重置任何以前的旋转或缩放。set()可以用来在重置其它变换的同时实现缩放和旋转。方法setTranslation()，setScale()和setRotation()仅影响给定的变换。

　　不象其它一些3D绘图包，Java 3D中的y轴在垂直方向上，而地面是由XZ平面定义的，如图4所示。

　　在Checkers3D中球体的位置被设置为(0，4，0)，这把它的中心放置到XZ平面上方4个单位的位置。

图4.在Java 3D中的轴向