وبلاگ تخصصي برنامه نويسي با VB

مباحث پيشرفته Direct3D - درس چهارم

موضوع : Vertex/Mesh Animation



در اين درس در مورد روشهاي ساخت انيميشن در Direct3D صحبت خواهيم کرد . انيميشن در فضاي سه بعدي در حالتهاي مختلفي مي تواند ايجاد شود که بسته به engine گرافيکي شما و ابزارهايي که ايجاد کرده ايد ، دارد . سه روش اصلي ساخت انيميشن وجود دارد که عبارتند از :
- Tween سازي دستي / درون يابي خطي ( manual tweening/linear interpolation )
- درون بابي برداري ( vector interpolation )
- درون يابي بر اساس فريم کليدي ( keyframe interpolation )

1 – روش اول يکي از ساده ترين راههاي ساخت انيميشن است . اين روش در زمانيکه با مدلهاي پيچيده سر و کار داريد مناسب نيست – و يا مدلهايي با تعداد زيادي vertex – اين روش نوعي tween کردن است که از مزيت index buffer ها استفاده مي کند .
درون يابي ، چگونگي تغييرات شيي در طول يک زمان مشخص مي باشد . در درسهاي قبلي شما درون يابي رنگ را روي يک شي ديديد که در آن يک رنگ بطور ملايم به رنگ ديگري تبديل مي شد ( fadeشدن ( . درون يابي خطي نيز مشابه آن است . براي درون يابي خطي از موقعيت A به موقعيت B از فرمول زير استفاده مي شود :
(B*V)+A*(1-V)
که A و B مختصاتهاي مبدا و مقصد هستند و V ضريب درون يابي است که عددي بين صفر و يک مي باشد . اين فرمول مختصات نقطه tween را در هر لحظه مشخص مي کند .
همانطور که مي بينيد بکار بردن اين فرمول براي يک شي با تعداد زيادي vertex بسيار وقت گير بوده و fram rate را پايين مي آورد .
تابع زير دو vertex و يک مقدار ضريب درون يابي را مي گيرد تا نقطه tween را محاسبه کند :

Private Function TweenVertices(Source As LITVERTEX, Dest As LITVERTEX, TweenAmount As Single) As LITVERTEX
TweenVertices.X = (Dest.X * TweenAmount) + Source.X * (1# - TweenAmount)x
TweenVertices.Y = (Dest.Y * TweenAmount) + Source.Y * (1# - TweenAmount)x
TweenVertices.Z = (Dest.Z * TweenAmount) + Source.Z * (1# - TweenAmount)x
TweenVertices.color = Source.color
End Function


اگر شما از vertex هاي UNLIT استفاده کنيد – vertex هايي با بردار نرمال – در اينصورت بايد کد فوق را تغيير دهيد و بايد tween را از نرمال مبدا به نرمال مقصد نيز انجام دهيد .
همانطور که مي بينيد رنگ tween vertex نيز تنظيم شده است . در يک تابع tweening مناسبتر مي توانيد رنگها ، مختصات بافت و مقادير specular را نيز tween کنيد .
محدوديتي که اين روش دارد اينست که خطي است و براي مدل کردن حرکتهاي غير خطي درست کار نمي کند .
حال مي خواهيم از تابع tween استفاده کنيم تا يک مکعب را در يک انيميشن به يک هرم تبديل کنيم . ابتدا سه شي را بصورت زير تعريف مي کنيم :

در ابتداي انيميشن ، شي current cube همان source cube است’
CubeVertices(0) = CreateLitVertex(-1, -1, -1, &HFF0000, 0, 0, 0)x
CubeVertices(1) = CreateLitVertex(-1, 1, -1, &HFF00&, 0, 0, 0)x
CubeVertices(2) = CreateLitVertex(1, -1, -1, &HFF&, 0, 0, 0)x
CubeVertices(3) = CreateLitVertex(1, 1, -1, &HFF00FF, 0, 0, 0)x
CubeVertices(4) = CreateLitVertex(-1, -1, 1, &HFFFF00, 0, 0, 0)x
CubeVertices(5) = CreateLitVertex(-1, 1, 1, &HFFFF, 0, 0, 0)x
CubeVertices(6) = CreateLitVertex(1, -1, 1, &HFFCC00, 0, 0, 0)x
CubeVertices(7) = CreateLitVertex(1, 1, 1, &HFFFFFF, 0, 0, 0)x
مکعب اوليه’
CubeVerticesSource(0) = CreateLitVertex(-1, -1, -1, &HFF0000, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(1) = CreateLitVertex(-1, 1, -1, &HFF00&, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(2) = CreateLitVertex(1, -1, -1, &HFF&, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(3) = CreateLitVertex(1, 1, -1, &HFF00FF, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(4) = CreateLitVertex(-1, -1, 1, &HFFFF00, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(5) = CreateLitVertex(-1, 1, 1, &HFFFF, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(6) = CreateLitVertex(1, -1, 1, &HFFCC00, 0, 0, 0)x
CubeVerticesSource(7) = CreateLitVertex(1, 1, 1, &HFFFFFF, 0, 0, 0)x
هرم مقصد’
CubeVerticesDest(0) = CreateLitVertex(-1, -1, -1, &HFF0000, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(1) = CreateLitVertex(-0.1, 1, -0.1, &HFF00&, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(2) = CreateLitVertex(1, -1, -1, &HFF&, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(3) = CreateLitVertex(0.1, 1, -0.1, &HFF00FF, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(4) = CreateLitVertex(-1, -1, 1, &HFFFF00, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(5) = CreateLitVertex(-0.1, 1, 0.1, &HFFFF, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(6) = CreateLitVertex(1, -1, 1, &HFFCC00, 0, 0, 0)x
CubeVerticesDest(7) = CreateLitVertex(0.1, 1, 0.1, &HFFFFFF, 0, 0, 0)x


حال بايد در يک حلقه با استفاده از تابع twen پيکسلهاي CubeVertices را update کنيم :

Private Sub UpdateAnimation()x
Dim I As Integer
به روز کردن پارامترهاي زمان و جهت'
If AnimTweenDir = True Then
AnimTweenFactor = AnimTweenFactor + (((GetTickCount() - LastTimeTweened) / 1000)*1#)
LastTimeTweened = GetTickCount
If AnimTweenFactor >= 1# Then
AnimTweenFactor = 1#
AnimTweenDir = False
End If
Else
AnimTweenFactor = AnimTweenFactor - (((GetTickCount() - LastTimeTweened) / 1000)*1#)
LastTimeTweened = GetTickCount
If AnimTweenFactor <= 0# Then
AnimTweenFactor = 0#
AnimTweenDir = True
End If
End If
به روز کردن اطلاعات vertex ها '
For I = 0 To 7
CubeVertices(I) = TweenVertices(CubeVerticesSource(I), CubeVerticesDest(I), AnimTweenFactor)x
Next I
به روز کردن بافر vertex’
If D3DVertexBuffer8SetData(VBuffer, 0, Len(CubeVertices(0)) * 8, 0, CubeVertices(0)) = D3DERR_INVALIDCALL Then GoTo Error:
Exit Sub
Error:
Debug.Print “Error occured whilst updating the animation…”x
End Sub


زمان پايه انيميشن توسط عبارت زير تنظيم مي شود :
(((GetTickCount() - LastTimeTweened) / 1000) * 1#)
همانطور که مي دانيد دو نوع انيميشن وجود دارد : انيميشن بر مبناي frame و انيميشن بر مبناي زمان . در انيميشن بر مبناي frame شماره فريم با يک مقدار ثابت در زمان افزايش مي يابد اما اگر اينکار باعث مي شود کيفيت انيميشن در کامپيوترهاي با سرعت متفاوت تغيير کند . بنابراين انيميشن را بر مبناي زمان توليد کرده ايم . انيميشن هاي بر مبناي زمان بجاي " 1 فريم در هر سيکل " ، " 30 فريم در هر ثانيه " هستند .

2 – روش دوم از توابع کتابخانه D3DX براي انجام عمل tweening استفاده مي کند و بنابراين بهبودي در سرعت انيميشن نسبت به روش بالا حاصل مي شود . با استفاده از کتابخانه D3DX مي توانيم عمل درون يابي خطي را براي تمام اجزا اصلي يک vertex انجام دهيم . ليست زير توابعي را براي اينکار نشان مي دهد :
- تابع D3DXVec3Lerp : انجام درون يابي براي موقعيت و نرمال :

D3DXVec3Lerp( VOut as D3DVECTOR, V1 as D3DVECTOR, V2 as D3DVECTOR, S as Single)x
- VOut = The result of the interpolation
- V1 = The source coordinates
- V2 = The destination coordinates
- S = The interpolation amount - between, but not limited to, 0.0 - 1.0 scale; where 0 is the source and 1 is the destination


- تابع D3DXColorLerp : انجام درون يابي براي رنگهاي vertex :

D3DXColorLerp( COut as D3DCOLORVALUE, C1 as D3DCOLORVALUE, C2 as D3DCOLORVALUE, S as Single)x
- COut = The resulting colour
- C1 = The source colour
- C2 = The destination colour
- S = The interpolant,

on a 0.0 to 1.0 scale
- تابع D3DXVec2Lerp : انجام درون يابي براي مختصاتهاي دوبعدي :

- VOut = The result of this interpolation
- V1 = The source coordinates
- V2 = The destination coordinates
- S = The interpolant on a 0.0 to 1.0 scale

- تابع D3DXVec3Hermite : توليد يک مسير منحني که از دو نقطه کنترل عبور مي کند :

D3DXVec3Hermite( VOut as D3DVECTOR, V1 as D3DVECTOR, T1 as D3DVECTOR, V2 as D3DVECTOR, T2 as D3DVECTOR, S as Single)x
- VOut = The Result
- V1 = The Source Coordinate
- T1 = The Tangent at the Source coordinate, this is the direction and speed the line will leave the source point.
- V2 = The Destination Coordinate
- T2 = The Tangent at the Destination coordinate, this is the direction and speed the line will enter the destination point.
- S = The Interpolant Value

براي اينکه بتوانيم از کتابخانه D3DX استفاده کنيم بايد توصيف vertex هايمان را تغيير دهيم و بايستي يکسري مقادير ARGB اضافي را به ساختار vertex اضافه کنيم :

Private Type LITVERTEX
X As Single
Y As Single
Z As Single
color As Long
specular As Long
tu As Single
tv As Single
ColorEx As D3DCOLORVALUE
End Type


حال تابع tween را بصورت زير مي نويسيم :

Private Function TweenVertices(Source As LITVERTEX, Dest As LITVERTEX, TweenAmount As Single) As LITVERTEX
Dim vResult As D3DVECTOR
Dim vResult2 As D3DVECTOR2
Tween کردن موقعيت vertex ها ‘
D3DXVec3Lerp vResult, MakeVector(Source.X, Source.Y, Source.Z), MakeVector(Dest.X, Dest.Y, Dest.Z), TweenAmount
TweenVertices.X = vResult.X
TweenVertices.Y = vResult.Y
TweenVertices.Z = vResult.Z
Tween کردن اطلاعات texture ’
D3DXVec2Lerp vResult2, MakeVector2D(Source.tu, Source.tv), MakeVector2D(Dest.tu, Dest.tv), TweenAmount
TweenVertices.tu = vResult2.X
TweenVertices.tv = vResult2.Y
Tween کردن اطلاعات رنگ ‘
D3DXColorLerp TweenVertices.ColorEx, Source.ColorEx, Dest.ColorEx, TweenAmount
With TweenVertices.ColorEx
TweenVertices.color = RGB(.B * 255, .G * 255, .R * 255)x
End With
End Function

نکته اي که بايد به آن توجه کنيد اينست که در تابع فوق براي اشاره به vertex ، يک بردار ساخته شده است ( توسط تابع MakeVector ) .

3 – روش سوم پر استفاده ترين روش انيميشن سازي است . اگر شما انيميشن هاي پيچيده با تعداد زيادي شي در آن داشته باشيد و اگر بخواهيد تغييرات اشيا را در هر فريم ذخيره کنيد ، به حجم بالايي از منابع ذخيره سازي نياز است . بجاي آن ما با استفاده از يکسري فريم کليدي ، فريمهاي مياني را پيش بيني مي کنيم .
براي انجام درون يابي فريم کليدي ، بايستي مقدار vertex را در هر فريم کليدي بدانيم و نيز بدانيم هر فريم کليدي در چه زماني ظاهر مي شود . بنابراين بايد براي هر انيميشن چند فايل را بعنوان فريم کليدي ذخيره کنيم .
در اين درس ما داده هاي کليدي انيميشن را از يکسري فايل load مي کنيم بنابراين تمام ثابتهاي زمان keyframe درون برنامه قرار داده مي شود ( شما مي توانيد خودتان يک ماژول بنويسيد که انيميشن هاي عمومي تر را نيز مديريت کند . اين ماژول بايد قادر باشد که يک فرمت استاندارد فايل را import کند ، اشيا و texture هاي مربوطه را load نمايد و سپس خودش ساخت انيميشن را بطور اتوماتيک انجام دهد و برنامه اصلي فقط روتين render و يا update را فراخواني کند ) . پس از جمع آوري اطلاعات فريم هاي کليدي ، بايد در هر زمان محاسبه کنيم که چه مدتي از شروع انيميشن گذشته است و بنابراين انيميشن در چه موقعيتي قرار دارد . سپس محاسبه مي کنيم که فريم کليدي قبلي و فريم کليدي بعدي چيست همچنين حساب مي کنيم در چه فاصله زماني از ايندو قرار داريم . سرانجام يک درون يابي نرمال را انجام مي دهيم تا اطلاعات فريم جاري بدست آيد و اين اطلاعات را درون يک شي Mesh مي گذاريم و آنرا رندر مي کنيم .
در درسهاي قبلي در مورد load کردن اشيا از يک فايل X صحبت کردم اما در مورد چگونگي گرفتن اطلاعات vertex از يک شي Mesh صحبت نشد . کتابخانه D3DX براي اينکار دو تابع دارد :
- تابع D3DXMeshVertexBuffer8GetData : اطلاعات يک شي D3DXMesh را گرفته و در يک آرايه از D3DVERTEX ذخيره مي کند :

D3DXMeshVertexBuffer8GetData( D3DXMeshobj As Unknown, Offset As Long, Size As Long, Flags As Long, Data As Any) As Long
- D3DXMeshobj As Unknown = A D3DXMESH object that you want to extract the data from.
- Offset As Long = How far into the vertex buffer we want to start reading, 0 is the beginning
- Size As Long = Size of the vertex buffer, this will be Len(D3DVERTEX) * Mesh.GetNumVertices
- Flags As Long = A combination of the CONST_D3DLOCKFLAGS, leave as 0.
- Data As Any = The first element in the array that you want the data to be read into, should be an array of D3DVERTEX vertices
- Return Code As Long = Returns D3D_OK for success, or either of D3DERR_INVALIDCALL or E_INVALIDARG for an error


- تابع D3DXMeshVertexBuffer8SetData : اطلاعات يک بافر vertex را در يک شي D3DXMesh قرار مي دهد :

D3DXMeshVertexBuffer8SetData( D3DXMeshobj As Unknown, Offset As Long, Size As Long, Flags As Long, Data As Any) As Long
- D3DXMeshobj As Unknown = The D3DXMESH object that defines where you want the data to be placed
- Offset As Long = How far into the Destination vertex buffer you want to place the data
- Size As Long = The Size of the buffer in bytes, this will be Len(D3DVERTEX) * Mesh.GetNumVertices
- Flags As Long = A Combination of the CONST_D3DLOCKFLAGS, leave as 0
- Data As Any = The first element in the array of data you want placed in the mesh's vertex buffer
- Return Code As Long = D3D_OK for success or D3DERR_INVALIDCALL or E_INVALIDARG for failure


عمليات انجام انيميشن فريم کليدي بصورت زير است :
- load کردن اشيا از فايلهاي X به درون شي D3DXMesh
- استخراج اطلاعات vertex از اين شي
- انجام درون يابي بين فريمهاي کليدي
- قرار دادن اطلاعات vertex هاي درون يابي در يک شي D3DXMesh
فرض مي کنيم که انيميشن ما هميشه از زمان صفر تا زمان n باشد – برحيب ميلي ثانيه – بنابراين مي توانيم از GetTickCount براي توابع زماني خود استفاده کنيم . همچنين يک ساختار را براي هر فريم کليدي بصورت زير تعريف مي کنيم :

Private Type KeyFrame
شي load شده از يک فايل’ Mesh As D3DXMesh
آرايه material براي هر شي’ MatList() As D3DMATERIAL8
آرايه Texture’ TexList() As Direct3DTexture8
تعداد material ها و texture هايي که استفاده مي کنيم’ nMaterials As Long
داده هاي vertex براي اين فريم کليدي’ VertexList() As D3DVERTEX
موقعيت اين فريم کليدي در انيميشن’ TimeIndex As Long
End Type


حال بايد تابعي بنويسيم که اطلاعات را از يک فايل X استخراج کرده و درون فريم کليدي قرار دهد :

Private Function CreateKeyFrameFromFile(Filename As String, TexturePrefix As String, Time As Long) As KeyFrame
نام فايل X براي شي سه بعدي: Filename ’
پوشه اي که اطلاعات texture اين شي در آن قرار دارد : TexturePrefix ’
انديس زمان براي اين فريم کليدي : Time '
Dim I As Long
Dim XBuffer As D3DXBuffer
Dim TextureFile As String
Dim hResult As Long
'خواندن اطلاعات از فايل ورودي به حافظه
Set CreateKeyFrameFromFile.Mesh = D3DX.LoadMeshFromX(Filename, D3DXMESH_MANAGED, D3DDevice, Nothing, XBuffer, CreateKeyFrameFromFile.nMaterials)x
توليد material ها و texture ها ‘
ReDim CreateKeyFrameFromFile.MatList(CreateKeyFrameFromFile.nMaterials) As D3DMATERIAL8
ReDim CreateKeyFrameFromFile.TexList(CreateKeyFrameFromFile.nMaterials) As Direct3DTexture8
For I = 0 To CreateKeyFrameFromFile.nMaterials - 1
D3DX.BufferGetMaterial XBuffer, I, CreateKeyFrameFromFile.MatList(I)x
CreateKeyFrameFromFile.MatList(I).Ambient = CreateKeyFrameFromFile.MatList (I).diffuse
TextureFile = D3DX.BufferGetTextureName(XBuffer, I)x
If TextureFile <> "" Then
Set CreateKeyFrameFromFile.TexList(I) = D3DX.CreateTextureFromFileEx(D3DDevice, TexturePrefix & TextureFile, D3DX_DEFAULT, D3DX_DEFAULT, D3DX_DEFAULT, 0, D3DFMT_UNKNOWN, D3DPOOL_MANAGED,
D3DX_FILTER_LINEAR, D3DX_FILTER_LINEAR, 0, ByVal 0, ByVal 0)x
End If
Next I
استخراج داده هاي vertex’
ReDim CreateKeyFrameFromFile.VertexList(CreateKeyFrameFromFile.Mesh.GetNumVertices) As D3DVERTEX
hResult = D3DXMeshVertexBuffer8GetData(CreateKeyFrameFromFile.Mesh, 0, Len(CreateKeyFrameFromFile.VertexList(0)) * reateKeyFrameFromFile.Mesh.GetNumVertices, 0, CreateKeyFrameFromFile.VertexList(0))
CreateKeyFrameFromFile.TimeIndex = Time
End Function


در تابع Initialize خطوط زير را براي ساخت فريم هاي کليدي اضافه مي کنيم :

nKeyFrames = 4
kfAnimLength = 2500
AnimLastStartAt = GetTickCount()x
ReDim kfAnim(nKeyFrames - 1) As KeyFrame
kfAnim(0) = CreateKeyFrameFromFile(App.Path & "\frame0.x", App.Path & "\", 0)x
kfAnim(1) = CreateKeyFrameFromFile(App.Path & "\frame1.x", App.Path & "\", kfAnimLength * (1 / 3))x
kfAnim(2) = CreateKeyFrameFromFile(App.Path & "\frame2.x", App.Path & "\", kfAnimLength * (2 / 3))x
kfAnim(3) = CreateKeyFrameFromFile(App.Path & "\frame3.x", App.Path & "\", kfAnimLength)x
kfCurrent = CreateKeyFrameFromFile(App.Path & "\frame0.x", App.Path & "\", 0)


دقت کنيد که از يک انديس زمان براي ساخت فريم هاي کليدي استفاده شده است .
حال بايد کدي براي نمايش دادن انيميشن بنويسيم . ابتدا بايد به روشي تغييرات فريمها را کنترل کنيم :

For I = 0 To nKeyFrames - 2
If CurrentTimeIndex >= kfAnim(I).TimeIndex Then
PrevFrame = I
NextFrame = I + 1
End If
Next I


سپس بايد با توجه به زمان index دو فريم کليدي و زمان جاري ، پارامتر درون يابي را محاسبه کنيم :

sTime = kfAnim(PrevFrame).TimeIndex
eTime = kfAnim(NextFrame).TimeIndex
cTime = CurrentTimeIndex
eTime = eTime - sTime
cTime = cTime - sTime
sTime = sTime - sTime
InterpolateAmount = cTime / eTime


سپس بايد بر اساس اين پارامتر عمل درون يابي را روي داده هاي vertex انجام دهيم :

For I = 0 To kfCurrent.Mesh.GetNumVertices
'درون يابي مختصاتها
D3DXVec3Lerp vTemp3D, MakeVector(kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).X, kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).Y, _
kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).Z), MakeVector(kfAnim(NextFrame).VertexList(I).X, kfAnim(NextFrame).VertexList(I).Y, _
kfAnim(NextFrame).VertexList(I).Z), InterpolateAmount
kfCurrent.VertexList(I).X = vTemp3D.X
kfCurrent.VertexList(I).Y = vTemp3D.Y
kfCurrent.VertexList(I).Z = vTemp3D.Z

'درون يابي نرمالها
D3DXVec3Lerp vTemp3D, MakeVector(kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).nx, kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).ny, _
kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).nz), MakeVector(kfAnim(NextFrame).VertexList(I).nx, kfAnim(NextFrame).VertexList(I).ny, _
kfAnim(NextFrame).VertexList(I).nz), InterpolateAmount
kfCurrent.VertexList(I).nx = vTemp3D.X
kfCurrent.VertexList(I).ny = vTemp3D.Y
kfCurrent.VertexList(I).nz = vTemp3D.Z

'درون يابي اطلاعات بافت
D3DXVec2Lerp vTemp2D, MakeVector2D(kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).tu, kfAnim(PrevFrame).VertexList(I).tv), _
MakeVector2D(kfAnim(NextFrame).VertexList(I).tu, kfAnim(NextFrame).VertexList(I).tv), InterpolateAmount
kfCurrent.VertexList(I).tu = vTemp2D.X
kfCurrent.VertexList(I).tv = vTemp2D.Y
Next I


حال بايد داده توليد شده را به فرمت Mesh برگردانيم :

hResult = D3DXMeshVertexBuffer8SetData(kfCurrent.Mesh, 0, Len(kfCurrent.VertexList(0)) * kfCurrent.Mesh.GetNumVertices, 0, kfCurrent.VertexList(0))x


با استفاده از روش فوق مي توانيد هر تعداد فريم کليدي را به انيميشنتان اضافه کنيد . اشکالي که روش فوق دارد اينست که اطلاعات texture براي تمام فريمهاي کليدي جداگانه ذخيره شده است در حاليکه texture در تمام فريمها ثابت است . در درسهاي بعدي از روشي بنام texture pooling استفاده مي کنيم تا تنها يک کپي از texture ها نگهداري کنيم .

نکته : براي دريافت برنامه هاي اين درس با من تماس بگيريد .


+ حامد شیدائیان ; ۳:۳٢ ‎ب.ظ ; چهارشنبه ٢٤ مهر ،۱۳۸۱
comment نظرات ()