WPF 3D图形编程核心技术解析

一、三维坐标系系统

WPF采用右手坐标系系统，空间定位遵循：
$$X轴\to 右Y轴\to 上Z轴\to 观察方向$$
三维坐标值表示为$(x,y,z)$，旋转角度使用欧拉角体系。当进行三维变换时，遵循矩阵组合规律：
$$M_{transform}=M_{translation}\times M_{rotation}\times M_{scale}$$

二、视口与摄像机

如果使用3D内容，就需要有容器来包含3D内容。这个容器是Viewport3D类，该类位
于System.Windows.Controls名称空间。Viewport3D类继承自FrameworkElement类，所以它可
以放到能够放置正常元素的任何地方。例如，可以使用它作为窗口或页面的内容，也可以将它
放到更复杂的布局中。
Viewport3D类只应用于复杂的3D编程。它常用的两个属性——Camera和Children

• Camera属性 定义了3D场景的观察者（相机）
• Children属性包含了希望放在场景中的所有3D对象。

当然，照亮3D场景的光源本身也是视口中的一个对象。

1. Viewport3D容器结构代码

 <Viewport3D x:Name="viewport3D"><!--相机--><Viewport3D.Camera><PerspectiveCamera Position="100,100,100" LookDirection="-100,-100,-100" UpDirection="0,0,1" FieldOfView="10"><PerspectiveCamera.Transform><RotateTransform3D CenterX="0" CenterY="0" CenterZ="0"><RotateTransform3D.Rotation><!--视野可以绕物体中心轴旋转--><AxisAngleRotation3D Axis="0 0 1" Angle="180"/></RotateTransform3D.Rotation></RotateTransform3D></PerspectiveCamera.Transform></PerspectiveCamera></Viewport3D.Camera><!--光源 离散的白色光源--><ModelVisual3D><ModelVisual3D.Content><Model3DGroup><AmbientLight Color="#999" /><!--点光源-光影层次感--><PointLight Color="#DDD" Position="100,0,100"/></Model3DGroup></ModelVisual3D.Content></ModelVisual3D><!--模型--><ModelVisual3D><ModelVisual3D.Content><Model3DGroup><GeometryModel3D><GeometryModel3D.Material><DiffuseMaterial Brush="Orange"/></GeometryModel3D.Material><GeometryModel3D.BackMaterial><DiffuseMaterial Brush="Orange"/></GeometryModel3D.BackMaterial><GeometryModel3D.Geometry><MeshGeometry3D Positions="2.5,0,0.5 -2.5,0,0.5 2.5,2,0.5 -2.5,2,0.52.5,0,0 -2.5,0,0 2.5,2,0 -2.5,2,0"TriangleIndices="0,2,1 1,2,3"/></GeometryModel3D.Geometry></GeometryModel3D></Model3DGroup></ModelVisual3D.Content></ModelVisual3D></Viewport3D>

运行效果

注意：
在Viewport3D类的继承属性中，有一个属性特别重要：ClipToBounds。如果将该属性设置
为true(默认值)，超出视口边界的内容将被剪裁掉。如果设置为false，内容会显示在相邻元素
的上面。这种行为和Canvas控件的ClipToBounds属性的行为相同。然而，当使用Viewport3D
类时有如下重要的区别：性能。如果将Viewport3D.ClipToBounds属性设置为false，当渲染复
杂的、频繁更新的3D场景时，可显著提高性能。

2. 摄像机类型对比

• PerspectiveCamera（透视投影）

<PerspectiveCamera Position="0,0,5" LookDirection="0,0,-1" UpDirection="0,1,0"FieldOfView="60"/>

• OrthographicCamera（正交投影）

<OrthographicCameraPosition="0,0,5"LookDirection="0,0,-1"Width="10"/>

三、光照体系

光照类型	特点	适用场景
AmbientLight	均匀环境光	基础照明
DirectionalLight	平行光源（类似太阳光）	主体照明
PointLight	点光源（球状衰减）	局部照明
SpotLight	聚光灯（锥形照射）	特殊效果

<ModelVisual3D><ModelVisual3D.Content><DirectionalLight Color="White" Direction="-1,-1,-1"/></ModelVisual3D.Content>
</ModelVisual3D>

四、几何模型构建

1. MeshGeometry3D核心属性

var geometry = new MeshGeometry3D {Positions = new Point3DCollection {new Point3D(-1,1,1),  // 顶点坐标集合new Point3D(1,1,1),// ...其他顶点},TriangleIndices = new Int32Collection {0,1,2,  // 三角形索引2,3,0,// ...其他面},TextureCoordinates = new PointCollection {new Point(0,0),  // 纹理坐标new Point(1,0),// ...其他贴图坐标}
};

2. 材质与着色器

<GeometryModel3D.Material><MaterialGroup><DiffuseMaterial Brush="Blue"/><SpecularMaterial Brush="White" SpecularPower="20"/></MaterialGroup>
</GeometryModel3D.Material>

五、WPF3D中常见的几个类

类名	说明
Viewport3D	定义了用于渲染3D对象的表面。它作为容器包含所有3D绘图的可见元素，是创建3D场景的基础组件。
ModelVisual3D	包含在Viewport3D中，负责展示3D模型的所有可见部分。支持对整个模型应用变换操作（如旋转、缩放和移动），以便调整模型在3D空间中的位置和方向。
GeometryModel3D	是ModelVisual3D的一个具体实现，用于定义3D模型的具体外观。它不仅包含几何形状（通过MeshGeometry3D定义），还包含了材质信息，以确定模型的颜色和纹理等视觉属性。
Geometry3D	抽象基类，提供了定义几何形状的基本框架。它的具体实现MeshGeometry3D允许用户通过指定三角形的位置来构建复杂的3D模型。
Material	抽象基类，用于定义应用于MeshGeometry3D上的材质属性，影响3D模型的外观。包括EmissiveMaterial（自发光）、DiffuseMaterial（漫反射光）、SpecularMaterial（镜面反射光）等，以及可以通过MaterialGroup将多种材质组合使用。
Light	抽象基类，提供基础照明功能。其子类包括AmbientLight（环境光，无方向性）、DirectionalLight（定向光源，模拟太阳光）、PointLight（点光源，从一个点向四周均匀发光）和SpotLight（聚光灯，发出锥形光线）。这些光源共同作用，为3D场景提供逼真的光照效果。
Camera	抽象基类，用于控制3D场景如何投影到2D显示表面上。PerspectiveCamera模拟人眼视角，远处物体显得更小；OrthographicCamera不考虑距离因素，适用于技术制图；而MatrixCamera则允许更灵活地设置视图转换矩阵。
Transform3D	抽象基类，提供对3D对象进行变换的能力。包括TranslateTransform3D（位移变换）、ScaleTransform3D（缩放变换）、RotateTransform3D（旋转变换）、MatrixTransform3D（基于矩阵的变换）和Transform3DGroup（组合多个变换）。

通过合理运用坐标系系统、摄像机配置、光照方案和材质组合，开发者可以构建出具有专业级表现力的三维交互界面。建议通过实际调试不同参数组合来深入理解各元素的视觉影响。