XNA学习笔记5-顶点绘制

      上一节讨论到了model的组成，一个模型使用无数个ModelMeshPart组成，通过bone将这么messpart按照树形结构组合在一起。

      Primitives （图元）是可以被XNA绘制的最基本的对象，最常被使用的图元是三角形。你想定义一个3D几何结构并绘制到屏幕上，这个结构可以是由三角形，线或点组成。ModelContent中存储几何结构的是一个个MeshContent，该对象中存储了其几何结构。我个人认为，model的几何组成最终是有IndexBuffer这个索引集合和vertextBuffer共同组成。因此，除了可以利用其他软件，通过内容管道处理加载得到model，形成3D图形之外，同样可以在程序中，自己通过Device的DrawUserPrimitives(刻画图元)，直接往设备中输入3D结构所需的数据，刻画在屏幕上，本节就主要讲述一下通过代码来描绘3D图形。
      VertexPositionColor。定义顶点的坐标和颜色，将它们存储在一个VertexPositionColor数组中，然后利用DrawUserPrimitives方法进行绘制。

    vertices = new VertexPositionColor[3]; 
    vertices[0] = new VertexPositionColor(new Vector3(-5, 1, 1), Color.Red); 
    vertices[1] = new VertexPositionColor(new Vector3(-5, 5, 1), Color.Green); 
    vertices[2] = new VertexPositionColor(new Vector3(-3, 1, 1), Color.Blue);

DrawUserPrimitives的第一个参数是PrimitiveType的枚举类型，用来表示如何进行刻画这些点。

• TriangleList：要绘制的每个三角形的每个顶点。
• TriangleStrip：相对于TriangleList可以节省相邻三角形公用的顶点，只需要n+2长度的数组。但是，当使用TriangleStrip以逆时针方向定义三角形时，不可能遵循剔除规则。要解决这个问题，对于TriangleStrip 来说剔除有些特别，必须按照顺时针、逆时针交替循环的方式定义。
• LineList：用于绘制多条线段。
• TriangleFan：用扇形结构绘制多个三角形，适合所有三角形公用同一个顶点的情况。

      VertexPositionTexture。指定顶点坐标和对应纹理的位置，存储在VertexPositionTexture的数组中，并通过DrawUserPrimitives方法进行绘制。

    vertices = new VertexPositionTexture[9]; 
    int i = 0;
    vertices[i++] = new VertexPositionTexture(
         new Vector3(4, 1, -5), new Vector2(0.25f, 0.5f)); 
    vertices[i++] = new VertexPositionTexture(
         new Vector3(7, 5, -5), new Vector2(0.5f, 0)); 
    vertices[i++] = new VertexPositionTexture(
         new Vector3(10, 1, -5), new Vector2(1, 1));     
    myVertexDeclaration=new VertexDeclaration(
         device, VertexPositionTexture.VertexElements);
.......
    basicEffect.Begin(); 
    foreach (EffectPass pass in basicEffect.CurrentTechnique.Passes) 
    {
         pass.Begin();
         device.VertexDeclaration=myVertexDeclaration; 
         device.DrawUserPrimitives<VertexPositionTexture>(
              PrimitiveType.TriangleList, vertices, 0, 3); 
         pass.End(); 
     }
     basicEffect.End();  

除了三角形的绘制模式以外，还有纹理取样方式。当指定纹理坐标时，要记住纹理的左上为坐标(0,0)，右上为(1,0)。这意味着第二个坐标值表示垂直位置，所以右下坐标为(1,1)。但这并没有限定纹理坐标的值必须在[0,1]范围内，例如设定为(1.5f, –0.5f)也可以。在这种情况中，你需要通过设置U和V(U是第一个纹理坐标，V是第二个)的纹理模式让XNA知道如何处理这样的坐标。

device.SamplerStates[0].AddressU = TextureAddressMode.Clamp; 
device.SamplerStates[0].AddressV = TextureAddressMode.Clamp; 

TextureAddressMode有多种取值：

• Clamp。这个寻址模式让所有的纹理坐标截取到[0,1]范围内，所有小于0的坐标截取到0，大于1的截取到1。
• Wrap。显卡会从坐标加上或减去1直到坐标仍回到[0,1]范围。
• Mirror。当坐标值小于0时，将值不断地以比他大的最小整数做轴对称变换；当坐标值大于1时，将值不断地以比他小的最大整数做轴对称变换。直到坐标值在[0,1]的范围。
• MirrorOnce。这个模式将[-1,1] 区域内的纹理坐标镜像到[0,1]区间，而所有超出[-1,1]区间的坐标会截取到–1(小于–1的值)或1(大于1的值)。

      使用索引移除冗余顶点。通常绘制图形的数组中，有许多冗余顶点数据，在GPU与CPU之间传递，很浪费时间。好的办法是将独立顶点存储在数组中并将这个数组传递到显卡。然后在绘制图形数组中，存储顶点数组的索引，这可以节省显存和带宽。

/*indices为索引数组*/
device.DrawUserIndexedPrimitives<VertexPositionColor>(
PrimitiveType.TriangleList, vertices, 0, 9, indices, 0, 8); 

使用索引不见得都能优化性能，所以在使用索引前，你应该首先不使用索引绘制三角形。有些情况中使用索引反而会使性能降低。例如，有五个三角形并不共享一个顶点。不使用索引，你需要使用15个顶点，而使用索引，你仍要定义15个顶点，因为这些顶点是独立的！而且还要定义15个索引，每个索引对应一个顶点，这种情况下，传递到显卡的数据反而变多了！作为一个规律，你可以将(独立顶点的数量) 除以(三角形的数量)。如果没有共享顶点，那么这个值是3，如果有共享，这个值会小于3。这个值越小，，使用索引提升的性能就越多，表示使用索引可以极大地提升性能。
      DrawPrimitives每次当你调用DrawUserPrimitives方法时，顶点都会从系统内存传递到显卡中。通常，大部分数据没有变化，这意味着每帧重复传递了相同的数据。今天的显卡有容量很大而且很快的显存，所以你可以将顶点数据存储在显存中加速程序。从显存中将顶点数据传递到显卡速度要快得多，因为这些数据只在同一板卡的不同芯片间传输。同样索引数据也能获得加速。通过创建顶点数组的VertexBuffer，你可以将顶点数据复制到显存中。将顶点存储到显存后，就可以调用DrawPrimitives方法 (代替DrawUserPrimitives方法)，这个方法从更快的显存中获取顶点。

    vertBuffer = new VertexBuffer(device, 
        VertexPositionTexture.SizeInBytes * vertices.Length,
        BufferUsage.WriteOnly);
    vertBuffer.SetData(vertices, 0, vertices.Length); 
........
    device.Vertices[0].SetSource(vertBuffer, 0,
        VertexPositionTexture.SizeInBytes); 
    device.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 2);

VertexBuffer的构造函数可以在最后一个参数中指定一些有用的可选择的标志，显卡的驱动会使用这个标志决定哪种内存是最快的。下面是可以使用的BufferUsages：

• BufferUsage. None：允许从VertexBuffer中读写。
• BufferUsage. Points：表示VertexBuffer中的顶点数据是用来绘制点和精灵的。这个与性能无关。
• BufferUsage. WriteOnly：不从VertexBuffer读取数据。当使用VertexBuffer时，可以将顶点数据放在快得多的显存中。这样，当你想处理顶点数据时，比起将顶点数据在系统内存中存储一个副本，调用VertexBuffers的GetData方法往往更好。

      如果你还想将索引存储在显卡中，你应在创建VertexBuffer之后再创建一个IndexBuffer，创建IndexBuffer时，你需要指定索引的类型，类型可以是ints或shorts，还要指定索引的多少。一些低端显卡只支持16-bit的索引，如果你使用32-bit的整数型索引会出错。要解决这个问题你应将索引存储在一个short数组中，指定创建一个short类型的索引缓冲。如果你的数组包含不超过32,768的索引，你应该使用shorts而不是ints。这样索引缓冲可以节省一半内存。

    indexBuffer = new IndexBuffer(device, typeof(int), 
        indices.Length, BufferUsage.WriteOnly); 
    indexBuffer.SetData<int>(indices); 
    //.....
    device.Vertices[0].SetSource(
        vertBuffer, 0, VertexPositionTexture.SizeInBytes); 
    device.Indices = indexBuffer; 
    device.DrawIndexedPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 0, 5, 0, 2); 

      如果你计划频繁更新顶点数据，应该使用DynamicVertexBuffer而不是VertexBuffer。 这会让数据不是存储在最快的显存中，而是更容易处理的某些内存中。所以，这样做会让性能有一点降低，但在VertexBuffer中频繁地改变数据会让性能得到极大地提高。
      因为当你想频繁更新数据时才会使用DynamicVertexBuffer，所以你会经常使用SetData 方法。因此DynamicVertexBuffer的SetData方法还接受一个额外的参数SetDataOptions。这个参数让你可以指定一些选项可以提高程序的速度。默认情况下，当你想覆盖显存中的内容时，因为不支持同时读写，显卡无法从显存中读取数据。当你把大量数据写至内存时会导致显卡的绘制过程中止，这是因为显卡要等待你的复制过程结束。但是，有两个方法可以让你确保显卡不会等待复制操作结束。你可以使用SetDataOptions 参数，下面是可选项：

• SetDataOptions. None：这个选项可以完全控制覆盖VertexBuffer 哪一部分。但是，如前面解释的那样，这会导致性能降低。如果显卡绘制的数据是从VertexBuffer 之前内容提取的，那么显卡必须停止绘制直到较慢的复制过程结束。
• SetDataOptions. Discard：使用这个选项表示你不再需要VertexBuffer的之前的内容。这时数据存储在显存的一个新的位置。在写入过程发生时，显卡还能继续使用老的数据。一旦写入过程完成，显卡可以使用新的数据绘制而抛弃老数据。简而言之，显卡无需等待，但你必须重写所有数据。(在Xbox平台上无法使用这个选项，你只能调用DrawUserIndexedPrimitive绘制频繁更新的顶点。)
• SetDataOptions . NoOverwrite：这个选项很强大但比较危险。你必须保证正在覆盖的VertexBuffer部分没有被渲染过程使用。这样，你可以覆盖VertexBuffer 的特定部位，此时显卡无需等待复制过程结束，因为你正在覆盖的部分不参与绘制过程。这比使用Discard选项快，因为你无需保留在内存中保留一块新的部分。

下面，讨论通过顶点绘制的一些其他的话题。
开启Backface Culling(背面剔除)
      你定义三角形顶点的方式告知XNA你想让哪一面朝向相机。当绘制一个实心对象时，人们可以清楚地说出三角形的哪个面在物体的内部还是外部。要绘制必须的三角形，你可以要求XNA只绘制朝向相机的那个面，其他三角形在物体的内部被前面隐藏！但是对计算机来说事情不是那么简单。对你定义的每个三角形，你需要说明三角形是在外面还是里面，这可以通过沿逆时针方向或顺时针方向定义三角形的顶点做到这点。当定义顶点时，你需要考虑相机的位置。要绘制三角形，顶点的顺序必须以相机看来按顺时针方向递增。你可以想象一条从相机出发指向三角形中心的射线，如图下所示。如果顶点的顺序(从相机看过来!)是绕着这个中心点顺时针旋转的（左图），XNA就认为这个三角形是面向相机的，这样，三角形才会被绘制。

      下图的左图显示了一根从相机出发的射线并与两个三角形相交，圆点表示射线和前面的三角形的交点。当你沿着前面的三角形的顶点增加的顺序(从0到1到2)前进时，会发现绕着圆点做顺时针旋转，这时XNA会绘制这个三角形。现在看一下射线与后面的三角形的交点，当你沿着顶点增加的顺序(从6到7到8)前进时，会绕逆时针旋转，这时XNA会将这个三角形剔除，这样处理很好，因为这个三角形位于立方体的后方，被前表面隐藏了。图5-12的右图显示了同样的立方体，但旋转了180度，这样前表面和后表面就互换了位置，相机仍位于页面的同一侧。现在如果顺着顶点6到7到8，将绕视线做顺时针旋转，这次，显卡会绘制这个三角形并剔除另一个！这正是我们想要的结果。通过这种方式，显卡知道应该剔除哪些三角形，剔除那些不朝向相机的三角形可以极大地提高程序的性能，这也是默认激活的。

      虽然当绘制由实心表面组成的对象时使用剔除可以带来极大地好处，但有时你也需要将提出关闭。例如，你想创建一个只由两个三角形组成的长方形墙，从外部看效果不错，但当你进入到建筑物内部，这面墙会被剔除，导致你可以看穿这堵墙！简单的方法是使用下列代码将剔除关闭：

device.RenderState.CullMode = CullMode.None; 

计算顶点缓冲中所有顶点的法线。
      当绘制自定义的结构时，你会发现光照不正确。这是因为你没有指定正确的法线向量，显卡要求每个顶点都有法线信息，这样它才可以决定每个三角形获得多少光照。如果每个顶点只被一个三角形使用，你只需找到三角形的法线向量(换句话说，这个向量垂直于三角形)并将这个向量作为三个顶点的法线向量。但是在一个结构中，所有顶点被几个三角形共享。要获取平滑的效果，每个顶点需要存储周围三角形所有法线的平均值。
      一般情况通过叉乘计算三角形的法线，步骤如下：

• 对于结构中的每个三角形，计算法线向量。
• 将这个向量添加到三角形的三个顶点的法线中。对所有三角形进行这个操作后，执行以下操作：
• 归一化结构中的每个顶点的法线向量。