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1 La 3D sous XNA Campus-Booster ID : **XXXXX www.supinfo.com Copyright © SUPINFO. All rights reserved La 3D sous XNA

2 Objectifs de ce module Découvir la 3D. Que faut il connaître pour faire de la 3D ? Afficher votre objet en 3D. Afficher un simple triangle puis un modèle en 3D. Comprendre et utiliser les transformations. Modifier la position, l’orientation et la taille d’objets 3D. En suivant ce module vous allez : La 3D sous XNA

3 Plan du module Introduction à la 3D. coordonnées, caméra, vertex… Affichage d’un triangle. Comment afficher un simple triangle ? Transformations. Modifications de l’état de nos objets 3D. Affichage d’un modèle 3D. Utilisation de modèles 3D. Billboarding. De la 2D en 3D. Lumière. Gestion de l’éclairage Optimisations. Optimiser l’affichage. Voici les parties que nous allons aborder : La 3D sous XNA

4 Introduction à la 3D coordonnées, caméra, vertex… La 3D sous XNA

5 Plan de la partie Le système de coordonnées. La Caméra. Le vertex. Voici les chapitres que nous allons aborder : Introduction à la 3D

6 Le monde de jeu se situe dans un repère 3D orthonormé. Chaque objet sera positionné dans le monde suivant ses coordonnées X, Y et Z. Il s’agit d’un repère « main droite » Introduction à la 3D Système de coordonnées

7 La caméra est caractérisée par : Une position X,Y,Z Un champ de vision : Cette méthode permet d’obtenir la projection matrix Une direction : Cette méthode permet d’obtenir la view Matrix Afin d’observer le monde la caméra est nécessaire Introduction à la 3D Camera Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView (float fieldOfView,float aspectRatio,float nearPlaneDistance,float farPlaneDistance) Matrix.CreateLookAt(Vector3 cameraPosition, ref Vector3 cameraTarget,ref Vector3 cameraUpVector);

8 Un vertex est un point auquel on associe différentes propriétés comme : Une couleur Des coordonnées de texture Une normale Une tangente Etc… Au pluriel : Vertices Un vertex = un point, un sommet Introduction à la 3D Vertex

9 Affichage d’un triangle Comment afficher un simple triangle ? La 3D sous XNA

10 Plan de la partie Pourquoi un triangle ? Création du VertexBuffer Affichage du VertexBuffer Effets BackFace culling Application d’une texture Affichez votre premier triangle pas à pas Voici les chapitres que nous allons aborder : Affichage d’un triangle

11 Tout objet 3D est composé essentiellement de triangles : Affichage d’un triangle Pourquoi un triangle ? Il est donc essentiel de savoir dessiner un triangle

12 Créer un tableau de vertices : VertexBuffer = zone mémoire pour vertices Affichage d’un triangle Création du VertexBuffer VertexPositionColor[] vertices = new VertexPositionColor[3]; Affectation des positions : vertices[0] = new VertexPositionColor(new Vector3(-0.5f, 0.5f, 0), new Color(10, 120, 200, 255)); vertices[1] = new VertexPositionColor(new Vector3(-0.5f, 0, 0), new Color(10, 120, 200, 255)); vertices[2] = new VertexPositionColor(new Vector3(0, 0, 0), new Color(10, 120, 200, 255)); Assignation au VertexBuffer : vertexBuffer = new VertexBuffer(this.graphics.GraphicsDevice, VertexPositionColor.SizeInBytes * 3, ResourceUsage.WriteOnly); vertexBuffer.SetData(vertices);

13 Spécifier le type de Vertex utilisé: Etapes de l’affichage : Affichage d’un triangle Affichage du VertexBuffer graphics.GraphicsDevice.VertexDeclaration = new VertexDeclaration( graphics.GraphicsDevice, VertexPositionColor.VertexElements); Spécifier le VertexBuffer à afficher : graphics.GraphicsDevice.Vertices[0].SetSource(vertexBuffer, 0, VertexPositionColor.SizeInBytes); Afficher le vertexbuffer: graphics.GraphicsDevice.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 1);

14 Un effet permet de spécifier à la carte graphique comment afficher les triangles en appliquant des modifications d’affichage telles que : Eclairer l’objet Modifier la couleur des pixels Appliquer un effet de Bump mapping Etc… Un effet est normalement issu d’un fichier.fx programmé en HLSL Le framework XNA met à disposition un effet simple qui ne nécessite pas de fichier.fx : le BasicEffect Tout affichage en XNA doit utiliser un effet Affichage d’un triangle Effets

15 Initialisation : Propriétés de l’effet : Affichage du triangle à l’aide de l’effet : BasicEffect Affichage d’un triangle Effets effect = new BasicEffect(graphics.GraphicsDevice, null); effect.VertexColorEnabled = true; effect.Begin(); foreach (EffectPass pass in effect.CurrentTechnique.Passes) { pass.Begin(); effect.View = mViewMatrix; effect.Projection = mProjectionMatrix; graphics.GraphicsDevice.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 1); pass.End(); } effect.End();

16 Affichage d’un triangle Back Face culling Il faut spécifier les points dans le sens trigonométrique par rapport à la caméra sinon le triangle ne sera pas visible. Par défaut une seule face du triangle est dessinée pour des raisons de performance Ce comportement peut être modifié en changeant le culling mode : graphics.GraphicsDevice.RenderState.CullMode = CullMode.None;

17 Une texture ? Affichage d’un triangle Texturer un triangle Une texture est tout simplement une image appliquée à un triangle. XNA gère par défaut les formats PNG, TGA, JPEG, DDS et BMP. Il n’y a pas de différence de performance suivant le format utilisé : la texture est convertie en format interne à Direct3D et sa taille adaptée à une puissance de 2 Cependant plus la résolution de la texture est élevée plus son affichage sera gourmand en temps.

18 Affectation de la texture : Affichage d’un triangle Texturer un triangle Afin de texturer un triangle il suffit de donner les coordonnées de la texture au vertex Mise en place de la texture : Utilisation de VertexPositionTexture comme type de vertex Chargement de la texture : Assignation de la texture à l’effet : mTexture = content.Load ( "Glass" ); basicEffect.TextureEnabled = true; basicEffect.Texture = texture;

19 Créez votre projet et ouvrez le fichier Game1.cs Ajoutez les champs suivants à votre classe : Dans la méthode Initialize, initialisez la caméra : Création du projet et initialisation de la caméra Affichage d’un triangle Pas à pas Matrix viewMatrix; Matrix projection; VertexBuffer vertexBuffer; BasicEffect effect; viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(new Vector3(0, 0, 1), new Vector3(0, 0, 0), Vector3.Up); projectionMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.PiOver2, (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width / (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height, 1.0f, 100.0f);

20 Dans la méthode LoadGraphicsContent déclarez vos vertices et assignez les au vertexBuffer : A la suite, initialisez votre effet : Vertices et effet Affichage d’un triangle Pas à pas VertexPositionColor[] vertices = new VertexPositionColor[3]; vertices[0] = new VertexPositionColor(new Vector3(0,0,0),Color.Blue); vertices[1] = new VertexPositionColor(new Vector3(0.5f,0.5f,0),Color.Red); vertices[2] = new VertexPositionColor(new Vector3(0.5f,0,0),Color.Green); vertexBuffer = new VertexBuffer(graphics, VertexPositionColor.SizeInBytes * 3, ResourceUsage.WriteOnly); vertexBuffer.SetData (vertices); effect = new BasicEffect(graphics, null); effect.VertexColorEnabled = true;

21 Dans la méthode Draw affichez votre triangle : Affichage Affichage d’un triangle Pas à pas graphics.GraphicsDevice.VertexDeclaration = new VertexDeclaration(graphics.GraphicsDevice, VertexPositionColor.VertexElements); graphics.GraphicsDevice.Vertices[0].SetSource(vertexBuffer, 0, VertexPositionColor.SizeInBytes); effect.Begin(); foreach (EffectPass pass in effect.CurrentTechnique.Passes) { pass.Begin(); effect.View = viewMatrix; effect.Projection = projectionMatrix; graphics.GraphicsDevice.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 1); pass.End(); } effect.End();

22 Résultat : Affichage d’un triangle Pas à pas

23 Transformations Modifications de l’état de nos objets 3D La 3D sous XNA

24 Plan de la partie Matrices Rotation Homothétie Translation Voici les chapitres que nous allons aborder : Transformations

25 Pourquoi utiliser des matrices ? Transformations Matrices Les objets ne sont pas affichés « tel quel » ils peuvent être : Orientés Agrandis / Réduis Déplacés Ces transformations sont effectuées à l’aide de matrices

26 Qu’est-ce qu’une matrice ? Transformations Matrices Une matrice est un outil représenté par un tableau à 2 dimensions permettant d’effectuer les transformations Il suffira de multiplier les coordonnées d’un point par une matrice de translation pour le faire déplacer. Les matrices peuvent être associées (une matrice peut à la fois effectuer une rotation, une translation et un redimensionnement)

27 Transformations Matrices La multiplication des matrices n’est pas une opération commutative : effectuer une rotation suivie d’une translation ne donne pas le même résultat qu’effectuer une translation puis une rotation.

28 Les méthodes de la classe matrice permettent : Transformations Rotation D’obtenir une rotation à partir d’un axe du repère : D’obtenir une rotation à partir d’un axe quelconque D’obtenir une rotation à partir d’un angle de Yaw/Pitch/Roll : Matrix.CreateRotationX(float radians) Matrix.CreateFromAxisAngle(Vector3 axis, float angle)

29 Pour effectuer un redimensionnement : Transformations Homothétie Utilisation de la méthode CreateScale : Possibilité d’un redimensionnement non homogène grâce aux surcharges Matrix.CreateScale(float scale) Matrix.CreateScale(float xScale,float yScale, float zScale)

30 Pour déplacer un objet : Transformations Translation Utilisation de la méthode CreateTranslation : Contenu de la Matrice de translation (1,2,3) Matrix.CreateTranslation(float xPosition, float yPosition, float zPosition ) 1000 0100 0010 1231

31 Effectuer une translation sur un objet : Effectuer un redimensionnement et une rotation : La matrice world définit la transformation qui sera effectuée sur l’objet. Effectuer une rotation sur le triangle dessiné précédemment, placez ce code après l’affectation de la view et de la projection Matrix: Transformations Exemples effect.World = Matrix.CreateTranslation( 1, 0, 0); effect.World = Matrix.CreateScale(2) * Matrix.CreateRotationX(MathHelper.PiOver4); effect.World = Matrix.CreateRotationX(-MathHelper.PiOver4);

32 Affichage d’un model 3D Utilisation de modèles 3D La 3D sous XNA

33 Plan de la partie Qu’est-ce qu’un modèle 3D ? Affichage d’un modèle 3D. Voici les chapitres que nous allons aborder : Affichage d’un model 3D

34 Un modèle 3D c’est simplement un ensemble de vertices stockés dans un fichier sous un format prédéfinit. La création d’un modèle triangle par triangle est fastidieuse c’est pourquoi des logiciels de modélisation existent. Ils permettent d’exporter dans les formats.X et.FBX que XNA peut lire par défaut. Affichage d’un model 3D Qu’est-ce qu’un modèle 3D ?

35 Affichage d’un model 3D Affichage d’un modèle 3D Chargement du modèle : Affichage d’un modèle : Model model = content.Load ( "media\\ship" ) foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes) { foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects) { effect.View = mViewMatrix; effect.Projection = mProjectionMatrix; effect.EnableDefaultLighting(); } mesh.Draw(); }

36 Billboarding De la 2D en 3D La 3D sous XNA

37 Plan de la partie Pourquoi ? Comment ? Voici les chapitres que nous allons aborder : Billboarding

38 Pourquoi ? Il est parfois nécessaire d’afficher un objet 2D dans une scène 3D sans que le joueur s’en aperçoive il faut donc orienter un carré vers la camera : il s’agit de billboarding. Effets spéciauxPour des raisons de performance

39 Création d’un billboard : Billboarding Comment ? Afin d’afficher un billboard il suffit d’utiliser la matrice adéquate sur un carré : Matrix.CreateBillboard(Vector3 objectPosition, Vector3 cameraPosition, Vector3 cameraUpVector, Vector3? cameraForwardVector);

40 Lumière Eclairez vos jeux La 3D sous XNA

41 Plan de la partie Fonctionnement Mise en pratique Voici les chapitres que nous allons aborder : Affichage d’un model 3D

42 Fonctionnement Lumière Eclairage des surfaces XNA peut gérer l’éclairage des surfaces automatiquement Comment XNA sait-il qu’une surface doit être plus éclairée qu’une autre ? Il est donc nécessaire pour chaque vertex de spécifier sa normale On remarque que plus une surface est face au soleil plus elle est éclairée

43 Spécifier les normales Lumière Eclairage des surfaces Afin de spécifier les normales il faut utiliser un type de vertex contenant les normales comme VertexPositionNormalTexture par exemple : VertexPositionNormalTexture v = new VertexPositionNormalTexture(Position, Normal, textureCoordinate);

44 Mise en place de l’effet de lumière Lumière Eclairage des surfaces Lors de l’affichage de l’objet avec un BasicEffect il suffit d’utiliser les méthodes et propriétés adéquates. effect.LightingEnabled = true; effect.DirectionalLight0.Enabled = true; effect.DirectionalLight0.Direction = LightDirection; effect.DirectionalLight0.DiffuseColor = new Vector3(Red, Green, Blue); effect.DirectionalLight0.SpecularColor = new Vector3(Red, Green, Blue); effect.SpecularPower = 10;

45 Optimisations de l’affichage Soulagez votre GPU… La 3D sous XNA

46 Plan de la partie Indices LOD Frustum culling QuadTree Mipmapping Voici les chapitres que nous allons aborder : La 3D avancée sous XNA

47 Un vertex contient de nombreuses informations(position, coordonnées texture, normal, etc…) Plus le nombre de vertices envoyés à la carte graphique est important, plus l’envoie à celle-ci prends de temps et moins l’affichage sera rapide. Un carré est composé de 2 triangles soit 6 vertices : or il n’y a que 4 vertices différents. Les indices vont nous permettre de n’utiliser que le nombre de vertices strictement nécessaire. Ou comment réutiliser un même vertex… Optimisation de l’affichage Indices

48 Création de l’indexbuffer : Les triangles ne seront plus formés dans le vertexbuffer : celui-ci ne contient que des vertices différents à la suite. Formation des triangles grâce aux indices : Affectation de l’indexBuffer : Implémentation Optimisation de l’affichage Indices indexBuffer = new IndexBuffer(graphics.GraphicsDevice, typeof(short), NumberOfIndices, ResourceUsage.WriteOnly, ResourceManagementMode.Automatic); short[] indices = new short[TrianglesNumber * 3] { 0, 1, 2, 1, 3, 2 … }; indexBuffer SetData (indices); graphicDevice.Indices = indexBuffer;

49 Les points représentent les vertices crées : Exemple Optimisation de l’affichage Indices Avec les indices il faut former les triangles : VertexPositionColor[] vertices = new VertexPositionColor[4]; vertices[0] = new VertexPositionColor(new Vector3(-0.5f, 0.5f, 0f), Color.Black); vertices[1] = new VertexPositionColor(new Vector3( 0.5f, 0.5f, 0f), Color.Black); vertices[2] = new VertexPositionColor(new Vector3( 0.5f,-0.5f, 0f), Color.Black); vertices[3] = new VertexPositionColor(new Vector3(-0.5f,-0.5f, 0f), Color.Black); vertexBuffer.SetData (vertices);

50 Les points représentent les vertices crées : Exemple Optimisation de l’affichage Indices Avec les indices il faut former les triangles : Indices du premier triangles : 0, 1, 3 short[] indices = new short[] { 0, 1, 2,

51 Les points représentent les vertices crées : Exemple Optimisation de l’affichage Indices Avec les indices il faut former les triangles : Indices du premier triangles : 0, 1, 3 Indices du second triangle : 1, 2, 3 short[] indices = new short[] { 0, 1, 2, 1, 2, 3 }; indexBuffer.SetData (indices);

52 Moins il y a de vertices affichées à l’écran mieux le GPU se porte Plus un objet est éloigné moins l’on voit ses détails Il est donc possible d’afficher un objet moins détaillé lorsque celui-ci est éloigné et afficher l’original lorsque la caméra est assez proche Cette technique s’appelle Level Of Detail Level Of Detail Optimisation de l’affichage LOD

53 Si vous appelez la méthode Draw et que l’objet n’est pas visible vous ferez tout de même appel à votre GPU et donc consommerez des ressources. Il faut donc n’afficher que ce qui est dans le champ de vision de la caméra Afficher uniquement ce qui est visible Optimisation de l’affichage Frustum culling  Il suffit de tester si notre objet se trouve entre ces 6 plans

54 Creation d’une sphère englobant l’objet Creation de la sphère englobante de l’objet à partir du model : Implémentation sous XNA Optimisation de l’affichage Frustum culling BoundingSphere boundingSphere = new BoundingSphere(); boundingSphere.Radius = radius; BoundingSphere.Center = new Vector3(x,y,z); BoundingSphere boundingSphere = new BoundingSphere(); foreach (ModelMesh mesh in mShipModel.Meshes) { BoundingSphere sphere = mesh.BoundingSphere; BoundingSphere.CreateMerged(ref boundingSphere, ref sphere, out boundingSphere); } boundingSphere.Center *= scale; boundingSphere.Radius *= scale;

55 Creation du Frustum de la caméra : Teste si la sphère englobante est dans le frustum : ContainmentType est une énumération : Implémentation sous XNA Optimisation de l’affichage Frustum culling BoundingFrustum frustum = new BoundingFrustum(viewMatrix * projectionMatrix); ContainmentType containment = frustum.Contains(boundingSphere );

56 Schéma Optimisation de l’affichage QuadTree N = 2

57 Une fois le découpage effectué il suffit de tester si le carré se trouve dans le frustum culling. Si celui-ci se trouve complètement dans le frustum culling tous les éléments contenus dans le carré peuvent être dessinés Si celui-ci ne se trouve pas dans le frustum culling aucun élément contenu dans le carré ne sera affiché. Si celui-ci est en parti en dehors et dedans il faudra alors effectuer récursivement le même teste avec les 4 carrés contenus dans ce carré. Découpage en zone Optimisation de l’affichage QuadTree

58 Plus la texture affichée est grande plus le GPU sera sollicité Il est inutile d’afficher une texture plus grande que son affichage à l’écran : la conversion vers une texture plus petite sera couteuse en GPU et l’affichage approximatif. Afin de résoudre de problème il est possible d’utiliser la technique du mipmapping Pourquoi ? Optimisation de l’affichage Mipmapping

59 Exemple sans mipmapping Optimisation de l’affichage Mipmapping

60 Exemple avec mipmapping Optimisation de l’affichage Mipmapping

61 Afin d’utiliser le mipmapping il suffit de créer plusieurs fois la même texture à des tailles différentes : l’on divise à chaque fois la taille par 2. XNA se chargera d’afficher la texture adaptée Comment ? Optimisation de l’affichage Mipmapping

62 Les images.dds peuvent contenir les différents niveaux de mipmapping. Comment ? Optimisation de l’affichage Mipmapping  Afin de les générer il est possible d’utiliser le DirectX Texture Tool issu du SDK.

63 Transformations Afficher un triangle Introduction à la 3D Les Matrices Résumé du module Optimisations La 2D sous XNA

64 Pour aller plus loin… Publications Sites web http://www.labo-dotnet.com/ Si vous voulez approfondir vos connaissances: http://www.xna.com/ La 3D sous XNA http://creators.xna.com/ XNA Game Studio Express: Developing Games for Windows and the Xbox 360 par Joseph B Hall Professional XNA Game Programming: For Xbox 360 and Windows par Benjamin Nitschke

65 Félicitations Vous avez suivi avec succès le module de cours n°02 La 3D sous XNA