王國慶 发表于 2022-9-16 17:23:47

WPF开发快速入门【8】WPF进行简单的3D开发

概述
本文介绍采用WPF进行3D开发的一些基础知识,还有HelixToolkit控件的介绍以及在MVVM模式下使用3D框架。
 
3D开发入门
官方文档对3D开发的一些基础知识已经描述的比较详细了,地址:三维图形概述 - WPF .NET Framework | Microsoft Docs
在学习WPF 3D应首先了解文档中介绍的一些基本概念。
通过以下,代码我们创建了一个基本的立方体
https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gifhttps://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif    <Grid>
      <BorderGrid.Column="0" BorderThickness="1" BorderBrush="Gray">
            <Viewport3D >
                <Viewport3D.Camera>
                  <PerspectiveCamera Position="6 5 4" LookDirection="-6 -5 -4"/>
                </Viewport3D.Camera>
                <ModelVisual3D>
                  <ModelVisual3D.Content>
                        <DirectionalLightDirection="-1,-1,-1"/>
                  </ModelVisual3D.Content>
                </ModelVisual3D>
                <ModelVisual3D>
                  <ModelVisual3D.Content>
                        <GeometryModel3D>
                            <GeometryModel3D.Geometry>
                              <MeshGeometry3D Positions="0 0 01 0 00 1 01 1 00 0 11 0 10 1 11 1 1"
                                                TriangleIndices="2 3 12 1 07 1 37 5 16 5 76 4 56 2 02 0 42 7 32 6 70 1 50 5 4">
                              </MeshGeometry3D>
                            </GeometryModel3D.Geometry>
                            <GeometryModel3D.Material>
                              <DiffuseMaterial>
                                    <DiffuseMaterial.Brush>
                                        <SolidColorBrush Color="Red"/>
                                    </DiffuseMaterial.Brush>
                              </DiffuseMaterial>
                            </GeometryModel3D.Material>
                        </GeometryModel3D>
                  </ModelVisual3D.Content>
                </ModelVisual3D>
            </Viewport3D>
      </Border>
    </Grid>View Code 可以先拷贝并修改以上代码查看效果。
 
HelixToolkit框架
采用原生的框架进行开发是比较困难或麻烦的,所以考虑采用第三方框架进行开发。
HelixToolkit提供一些3D模型组件,可以方便用户使用
开源项目地址:GitHub - helix-toolkit/helix-toolkit: Helix Toolkit is a collection of 3D components for .NET

先看一段设计代码:
      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D> 控件要求所有内容应包含在HelixToolkit:HelixViewport3D标签内,包括:光照、地平线和其他模型。
模型一般采用ModelVisual3D 标签,定义模型的方式有两种:标签或代码:
用标签定义:
      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>       用代码定义:
设计端:
<ModelVisual3D x:Name="model"/>

代码端:
    public partial class MainWindow : Window
    {
      public MainWindow()
      {
            InitializeComponent();
            this.Loaded += MainWindow_Loaded;
      }

      private void MainWindow_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e)
      {
            // Create a model group
                     Model3DGroup modelGroup = new Model3DGroup();

            MeshBuilder meshBoxBuilder = new MeshBuilder(false, false);
            meshBoxBuilder.AddBox(new Point3D(0, 0, 0), 40, 40, 40);
            MeshGeometry3D meshBox = meshBoxBuilder.ToMesh(true);
            var whiteMaterial = MaterialHelper.CreateMaterial(Colors.Green);
            var insideMaterial = MaterialHelper.CreateMaterial(Colors.Gray);
            modelGroup.Children.Add(new GeometryModel3D { Geometry = meshBox, Material = whiteMaterial, BackMaterial = insideMaterial });

            this.model.Content = modelGroup;
      }
    } 框架也支持MVVM模式
设计端:      <HelixToolkit:HelixViewport3D ShowFrameRate="True" <br>                      ZoomExtentsWhenLoaded="True" <br>                        ZoomAroundMouseDownPoint="True" <br>                        RotateAroundMouseDownPoint="True" <br>                        IsTopBottomViewOrientedToFrontBack="True" <br>                        IsViewCubeEdgeClicksEnabled="True">
            <HelixToolkit:SunLight />
            <ModelVisual3D x:Name="model"></ModelVisual3D>
            
            <HelixToolkit:GridLinesVisual3D
                Width="180"
                Length="180"
                MajorDistance="10"
                MinorDistance="10"
                Thickness="0.1" />
      </HelixToolkit:HelixViewport3D>          代码端: public class MainViewModel    {      public Model3D Model { get; set; }      public MainViewModel()      {            // Create a model group                Model3DGroup modelGroup = new Model3DGroup();            // Create a mesh builder and add a box to it                MeshBuilder meshBuilder = new MeshBuilder(false, false);            meshBuilder.AddBox(new Point3D(0, 0, 0), 20, 10, 5);            // Create a mesh from the builder (and freeze it)              MeshGeometry3D mesh = meshBuilder.ToMesh(true);            // Create some materials                       var blueMaterial = MaterialHelper.CreateMaterial(Colors.Red);            var insideMaterial = MaterialHelper.CreateMaterial(Colors.Yellow);            // Add model to the group (using the same mesh, that's why we had to freeze it)                    modelGroup.Children.Add(new GeometryModel3D { Geometry = mesh, Transform = new TranslateTransform3D(60, 0, 60), Material = blueMaterial, BackMaterial = insideMaterial });            // Set the property, which will be bound to the Content property of the ModelVisual3D (see MainWindow.xaml)                this.Model = modelGroup;      }    } 基本上我们一般不会采用这种方式,和Stylet框架结合更加方便。
 
HelixToolkit和Stylet框架结合
和Stylet框架相关的知识这里就不重复介绍了,不了解的可以去看我博客内的相关文章。
这里主要演示使用Stylet框架实现模型的变化。
基本原理如下:
首先建立一个模型,并绑定到ViewModel内的一个对象
前端:
<ModelVisual3D Content="{Binding ModelDynamic}" />

后端:
public Model3D ModelDynamic { get; set; } 当用户通过界面上的控件修改模型的属性时,将触发事件,
      public byte Color_R { get; set; } = 0;
      public byte Color_G { get; set; } = 0;
      public byte Color_B { get; set; } = 0;

      private void InitColorBind()
      {
            this.Bind(s => Color_R, (o, e) => ColorChanged());
            this.Bind(s => Color_G, (o, e) => ColorChanged());
            this.Bind(s => Color_B, (o, e) => ColorChanged());
      }

      public void ColorChanged()
      {
            LoadDynamicModel();
      } 在事件内重新构造模型:
          public Model3D ModelDynamic { get; set; }
      public void LoadDynamicModel()
      {
            // Create some materials         
              var redMaterial = MaterialHelper.CreateMaterial(Color.FromRgb(Color_R, Color_G, Color_B));
            var insideMaterial = MaterialHelper.CreateMaterial(Colors.Gray);

            // Create a model group
                Model3DGroup modelDynamic = new Model3DGroup();

            //模型
              MeshBuilder meshBoxBuilder = new MeshBuilder(false, false);
            meshBoxBuilder.AddEllipsoid(new Point3D(20, 20, 10), 5, 5, 5);
            MeshGeometry3D meshBox = meshBoxBuilder.ToMesh(true);
            modelDynamic.Children.Add(new GeometryModel3D { Geometry = meshBox, Material = redMaterial, BackMaterial = insideMaterial });

            this.ModelDynamic = modelDynamic;
      }  
加载模型
全部通过代码来实现模型是非常困难的,特别是一些较复杂的模型,可以通过3D软件进行设计,并把设计好的模型导入进来,这样就比较愉快了。
        public Model3DGroup ModelBase { get; set; }
      private void LoadBaseModel()
      {
            model_1 = LoadModel(@"D:\3DModel\1.stl");   
            ModelBase = new Model3DGroup();
            ModelBase.Children.Add(model_1);         
      } LoadModel方法如下:
https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gifhttps://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif      private Model3DGroup LoadModel(string path)
      {
            if (path == null)
            {
                return null;
            }

            string ext = System.IO.Path.GetExtension(path).ToLower();

            Model3DGroup model;
            switch (ext)
            {
                case ".3ds":
                  {
                        var r = new HelixToolkit.Wpf.StudioReader();
                        model = r.Read(path);
                        break;
                  }

                case ".lwo":
                  {
                        var r = new HelixToolkit.Wpf.LwoReader();
                        model = r.Read(path);

                        break;
                  }

                case ".obj":
                  {
                        var r = new HelixToolkit.Wpf.ObjReader();
                        model = r.Read(path);
                        break;
                  }

                case ".objz":
                  {
                        var r = new HelixToolkit.Wpf.ObjReader();
                        model = r.ReadZ(path);
                        break;
                  }

                case ".stl":
                  {
                        var r = new HelixToolkit.Wpf.StLReader();
                        model = r.Read(path);
                        break;
                  }

                case ".off":
                  {
                        var r = new HelixToolkit.Wpf.OffReader();
                        model = r.Read(path);
                        break;
                  }

                default:
                  throw new InvalidOperationException("File format not supported.");
            }

            return model;
      }View Code方法支持的格式比较多,推荐stl格式。
在实际件使用时,组件内是可以加入多个模型的,可以把不会变化的模型采用导入的方式来实现,有些变化的模型(尺寸、位置、颜色等)通过代码来实现。
最后需要说明的是,采用WPF进行3D开发,其功能是很有限的,很难实现较复杂的效果和交互功能,想要更好的效果可能采用Unity更加合适了。
 
资源
系列目录:WPF开发快速入门【0】前言与目录 
代码下载:Learn WPF: WPF学习笔记 (gitee.com)

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