Scratch中究竟如何实现3D

近日看到吧中对于Scratch中实现3D的方式有很多人在做研究,对此我发表一下我在研究3D时的一些成果,以供大家拓展思路。

基本思路

首先必须明确,3D这种东西不论那个平台的实现(已有的3D引擎不算,我指自己编写一个新的3D引擎)都是需要一定的数学基础的。如果你没有过多的去研究数学的话,我建议初二(含初二)以下的吧友不要闯3D领域,你会觉得无从下手。对于3D的研究最适合高中的吧友们,这时候不仅可以增长编程水平,而且对你的高中数学的学习也有极大的帮助。
对于3D的实现,最重要的是思路,公式及图像的形成原理大家都懂,我就不普及这种基础知识了。实现的思路有很多,这篇文章我会给你们提供我实现3D时使用的思路,并不会教你们那里怎么做哪里怎么做(这样我不如直接放源码出来),只是给你们一个可行的探索方向。
接着我们来看下一个3D实现的基础思路,我的这个思路很像计算机成像的思路。

用户脚本-->运算-->成像

是不是很类似于计算机成像?

二进制欲显示图像-->GPU处理-->显示器发光

没错,就是这样的。也就是这是我们3D成像主攻的3大块:用户脚本、运算、成像。我看过我们吧友的一些3D实现方法,他们都犯了一个大错:将这3大块揉和在了一起。这是大错特错的,这三大块应该是可以分别从你的脚本中独立出来的(也就是3个角色)。 这样有利于对脚本的维护,学过高级语言的吧友们就知道了,这样“块”状的脚本是特别利于开发的。
对于这3大块的开发顺序应该是先开发运算、再成像、最后用户脚本。为何这么说,拿计算机成像来看,目前的显示器只支持GPU输出的图像,所以你得先研发GPU,然后GPU研发完了显示器就顺理成章了,接着在于CPU配对接受二进制,不然的话先给你二进制显示不出来有何意义?对于3D实现同理。如果你直接开发成像你会发现你在不知不觉中也开发了运算,然而这样开发出来的运算是和成像揉在一起的,违反了我们的开发原则。

第一阶段

我们开发的第一阶段运算是最难啃的,这个阶段的开发犹如混水摸鱼。你并不知道你的运算结果是什么,你看不到图像,只知道运算而得到的数字。这要求对各类函数的确切掌握。那我们如何快速进阶呢?这个就很像矢量图了,大家可以在此处参考矢量图的实现。那我们要得到些什么数字?首先对于3D我们肯定得抛弃Scratch原有的二维坐标系统(xy),要自行再开发一个三位坐标系统(xyz),这个系统里要有长度单位、以及三维基本的三个轴。你3D里的每一个实体,都需要一个确切的坐标以及长宽高。这是第一步。第二步,你要确定一个视界与被观察实体的相对位置及相对距离,注意实体的坐标是固定的,但是视界不是固定的,所以我们需要一个实时相对位置与相对距离算法,通过这个算法得知一些数据(至于是什么数据,就看你数学学怎么样了)以测算角度来成像。
例如p1(作图抽象,请自行想象)里的正方体是实体,长方体是你的可视范围,那么红线延长出去的就是视界。
接下来就要介入成像了。
p1.png
P1

第二阶段

在成像方面,我比较推崇位图式与矢量式结合的思路。矢量式描绘实体边框,位图式给一个面填色。矢量方面并不难,你只要运算出了关键数据,一根线(刚开始不要介入曲线)的长度、大小、位置、角度自然都是可以通过公式测算的出来的。假设p2(作图抽象,请自行想象)是我们看到的图像,那么我们需要确定图上几个关键性的红点把他们连起来,如何确定这些红点可以参考红线(我称之基准线),确定这些在成像时没有基准线就是运算要做的,这些基准线必须从视界的一个角出发其终点就是我们要的关键点。成像难在位图式(建议大家不要马上研究位图式这一块),你需要研究在Scratch里实现MS-Paint里油漆桶的方式,研究出了这个,也就没什么难的了。但是实现个看似简单的油漆桶并不简单。
p2.png
P2

第三阶段

啃完了两块大难关,接着用户脚本的研究自然就特别简单了。我们只要自定义函数后提交到运算创建实体,然后给成像模块提供运算结果成像就完成了。

后言

3D的实现方法听起来是简单的,但这也经过了我1年的探索而得。我也在Scratch官网发布了我最终的成果:一个完整的3D引擎。当时收到全社区的推崇并登上了首页,我并不打算给你们作品链接,因为中国人(我刚开始编程也是这样的)特别喜欢复制粘贴,然而这并不利于编程的学习,我并不想害了你们。我研究3D的时候连思路都没人给我。
接下来祝大家研究有成,大家再不知道什么时候发的下篇文章见。

最后修改:2019 年 08 月 14 日 11 : 02 AM
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