用编程方式编写Babylon格式的宇宙飞船3D模型

　　使用上一篇文章（https://www.cnblogs.com/ljzc002/p/9353101.html）中提出的方法，编写一个简单的宇宙飞船3D模型，在这篇文章中对模型制作流程和数学计算步骤进行介绍，并为模型添加简单的材质。　　

　　我们首先对3D模型的轮廓进行估计，然后制作一个拥有足够多顶点的、与模型轮廓近似的网格对象（这里选用条带类网格对象），接着对网格的部分顶点进行位置变换以产生模型的细节，最后为模型设置一个材质。

　　当然Babylon.js还支持更复杂的纹理类型，我翻译了Babylon.js官方教程中关于反射与折射，反射探查，地图纹理，多重材质，动态纹理，高亮描边的文档(部分文档翻译的不明确，因为官方文档本身的表述也不是很明确)，可以在http://down.51cto.com/data/2450646下载。

　　1、从顶部看，估计飞船的首尾长度为30单位，船体最宽处半径为7单位，船头处呈圆滑的锥形；从船头方向看，船体顶部为较扁的圆弧，船底部边缘圆滑中间平直（有点像上个世纪的航天飞机）。草图如下：

　　对于船体上部，高度低于2的部分直接使用半径为7的圆弧作为仓壁，高于2的部分则将高度削减二分之一；对于船体下部，将大致形状设为压扁到四分之一的半圆，再将高度低于-1的部分设为平直的船底。

　　规定船体沿x轴方向摆放，船体中心位于世界坐标系原点，船头朝向x轴负方向，船顶朝向y轴正方向。

　　事实上，在编写3D模型时固定的长度数值并没有决定性的意义（当然过大或过小可能导致物体脱出视场），决定模型形状的关键是各处尺寸之间的比例关系，具体的尺寸大小都可以在载入模型后根据需要进行缩放，这里将船体长度设为30单位是为了在预设的编辑场景里方便查看。

　　然后开始构建一个符合上述轮廓的条带网格。

　　2、开始编写条带网格的路径（顶点数组），首先生成一个半径是7的圆形路径，规定圆弧由128个顶点组成（事实上最终生成的路径有129个顶点）：

 1 function MakeRing(radius,sumpoint)//两个参数分别是圆形的半径和圆形由多少个顶点组成
 2     {
 3         var arr_point=[];//顶点数组
 4         var radp=Math.PI*2/sumpoint;//每一个顶点在圆弧上转过的角度
 5         for(var i=0.0;i)
 6         {
 7             var x=0;
 8             var rad=radp*i;
 9 　　　　　　　　//算出顶点的y、z坐标
10             var y=radius*Math.sin(rad);
11             var z=radius*Math.cos(rad);
12             arr_point.push(new BABYLON.Vector3(x,y,z));
13         }
14         arr_point.push(arr_point[0].clone());//为了保持首尾相连，要再添加一次第一个顶点
15         return arr_point;
16     }

　　计算y、z坐标的示意图如下：

　　y和z的计算需要用到初中数学的三角函数知识。

　　接下来使用“var arr1=TranceRing1(MakeRing(7,128));”将圆形路径变成我们设计的船体截面路径，TranceRing1方法代码如下：

 1 //上下挤压，对于每个顶点都生效的变换尽量只执行一次
 2 function TranceRing1(arr)
 3 {
 4     var len=arr.length;
 5     for(var j=0;j)
 6     {
 7         var obj=arr[j];
 8         if(obj.y<0)
 9         {
10             obj.y=obj.y/4;
11             if(obj.y<-1)
12             {
13                 obj.y=-1;
14             }
15         }
16         else if(obj.y>2)
17         {
18             obj.y=(obj.y-2)/2+2;
19         }
20     }
21     return arr;
22 }

　　这里的算法很简单，遍历路径中的每个顶点，然后根据上面的设计进行逻辑判断即可。

　　3、将上面生成的一条路径克隆为多条路径，规定每两条路径之间的距离为0.25：

1 arr_path=[];//路径数组
2     var xstartl=-15;//设置船头（也就是第一个圆环路径）在x轴上的位置    
3     var arr1=TranceRing1(MakeRing(7,128));
4     for(var i=0;i<121;i++)
5     {
6         var arr_point=CloneArrPoint(arr1);//克隆一条路径
7         arr_path.push(MoveX(arr_point,i*0.25+xstartl));//将克隆出的路径沿x轴方向平移
8     }

　　路径克隆的示意图如下：

　　克隆路径和x轴平移的方法如下：

 1 //克隆复制对象数组
 2     function CloneArrPoint(arr)
 3     {
 4         var arr2=[];
 5         var len=arr.length;
 6         for(var i=0;i)
 7         {
 8             arr2.push(arr[i].clone());
 9         }
10         return arr2;
11     }
12     //平移x轴
13     function MoveX(path,dis)
14     {
15         var len=path.length;
16         for(var i=0;i)
17         {
18             path[i].x+=dis;
19         }
20         return path;
21     }

　　4、使用上一篇文章中提到的方法生成条带网格：

1 var arr7=MakePointPath(new BABYLON.Vector3(15,0,0),129);//用一个点封口
2     arr_path.push(arr7);
3 
4     mesh_origin=BABYLON.MeshBuilder.CreateRibbon("mesh_origin",{pathArray:arr_path
5         ,updatable:true,closePath:false,closeArray:false});
6     mesh_origin.material=mat_frame;

　　这里的arr7是位于同一个位置的129个顶点，用来给敞开的船尾封口（使用多余的顶点算是条带网格模型的一个缺点，但这个缺点和条带网格的易用性比起来可以接受）至于船首的封口则由后面的网格变换负责。

　　MakePointPath代码如下：

 1 //用一个重合点路径封口
 2 function MakePointPath(vec,size)
 3 {
 4     var arr_point=[];
 5     for(var i=0;i)
 6     {
 7         arr_point.push(vec.clone());
 8     }
 9     return arr_point;
10 }

　　生成的轮廓网格如下图：

　　5、通过顶点变换生成锥形的船头：

　　按照设计，从顶部俯视船体的前半部分是一个z向半径为7、x向半径为15的“圆弧形”，从侧面看船头的上部是y向半径为3.25、x向半径为5的圆弧形，船头的下部是y向半径为1、x向半径为2的圆弧形。

　　侧面示意图如下：

　　船首的变形代码如下：

 1 //有的顶点变换会受到周围顶点的影响，所以要在已经构造好的基础上进行变换
 2 function TransCraft()
 3 {
 4     var len=arr_path.length;
 5     //遍历每个点，用程序判断这个点是否符合某些标准，并进行相应变化
 6     for(var i=0;i)
 7     {
 8         var arr_point=arr_path[i];
 9         var len2=arr_point.length;
10         for(var j=0;j)
11         {
12             var obj=arr_point[j];
13             //var x=obj.x;
14             //var y=obj.y;
15             //var z=obj.z;
16             //船首呈椎体状
17             if(obj.x<-13&&obj.y<0)//从侧面看的船首下部
18             {
19                 var rate=Math.sin(Math.acos((-13-obj.x)/2/1));//y轴方向缩放系数
20                 obj.y=obj.y*rate;
21             }
22             if(obj.x<-10&&obj.y>0)//从侧面看的船首上部
23             {
24                 var rate=Math.sin(Math.acos((-10-obj.x)/(5/3.25)/3.25));//y轴方向缩放系数
25                 obj.y=obj.y*rate;
26             }
27             if(obj.x<0)//从顶部看的船首
28             {
29                 var rate=Math.sin(Math.acos((-obj.x)/(15/7)/7));//y轴方向缩放系数
30                 obj.z=obj.z*rate;
31             }

　　用不同的比例对路径进行压缩，将原来尺寸相同的路径变成尺寸渐变的路径，路径连成的条带网格就会呈现椎体的形状，那么问题就在于如何计算这个缩放的比例，使得椎体的表面呈现为圆滑的弧形。

　　我将圆弧定义为拉伸的正圆形的一部分，然后由x坐标值计算出对应路径的缩放比例，原理图如下（以“从侧面看的船首上部”为例）：

　　首先将从侧面看船头上部的中间截面通过将x坐标除以（5/3.25）的方式变换为正圆的一部分，用（-10-obj.x）/（5/3.25）计算出“xsize”的长度，因为y轴缩放比例等于在这个截面上顶点高度（y值）和半径（r）的比等于sin（a），所以只需求出角a的大小即可算出比例，而角a的大小可以由（xsize/r）的反余弦得出。如此得出y方向的缩放比例。

　　从顶部看的缩放比例也是如此计算，这时计算得到的是z轴方向的缩放比例。

　　缩放后的显示效果如下：

　　可以看到船头的129个顶点被缩放到了同一位置，船头呈现圆滑的弧线。

　　6、生成飞船的后掠翼，生成原理与船首类似：

 1 //后掠翼，具有圆弧状的边缘
 2             if(obj.x>0&&obj.y>0&&obj.y<1)
 3             {
 4                 //这一层翼面和最小翼面的边缘差值
 5                 var rate=Math.cos(Math.asin(Math.abs(0.5-obj.y)/(0.5/1)/1));
 6                 var size1=1*rate;
 7                 var h=14+size1;
 8                 var w=6.5+size1;
 9                 if((15-obj.x)<h)
10                 {
11                     var rate2=Math.cos(Math.asin(Math.abs(15-obj.x)/(h/w)/w));
12                     if(obj.z>0)
13                     {
14                         obj.z+=w*rate2;
15                     }
16                     else if(obj.z<0)
17                     {
18                         obj.z-=w*rate2;
19                     }
20                     var rate3=3/(15-Math.abs(obj.z))
21                     obj.x+=rate3;
22                 }
23 
24             }

　　想象翼面在y方向由多层相互重叠的结构组成，每一片的尺寸不同，因此页面可以具有两重的圆弧边缘，示意图如下：

　

　　认为翼面由多层组成，参考下图，最大的一层宽度为7.5，最小的一层宽度为6.5，其中某一层与最小层的宽度差为size1，使用和船头圆弧类似的方法算出size1的值，进而算出这一层的尺寸。

 　　然后参考上图，在一个短轴为w长轴为h的拉伸扇形中计算每个顶点向左或右侧的偏移量。

　　随后编写一个方法让机翼向后倾斜，距机身越远的顶点向后移动的距离越大。

　　尾翼的生成方式和水平翼相似。

　　执行效果如下：

　　附实际开发时使用的草图：

　

　　7、在控制台执行ChangeMaterial(mesh_origin,mat_blue)可以将材质转化为纯蓝色，因为条带网格的法线方向默认指向飞船内部，这时飞船外部将不能显示光照的镜面反射效果，解决办法是在初始化材质时设置：

 

1 mat_blue.twoSidedLighting=true;//双面光照选项

　　执行ChangeMaterial(mesh_origin,mat_alpha)可以将材质转化为半透明，同样需要对mat_alpha设置上述属性，否则将只有飞船的内表面可见，半透明效果如下图：