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针对 Java 移动设备的 3D 图形，第 1 部分: M3G 的快速模式
摘要: 针对 Java 移动设备的 3D 图形，第 1 部分: M3G 的快速模式
2005 年 11 月 28 日
本文是此系列两部分中的第 1 部分，介绍了 Mobile 3D Graphics API (JSR 184) 的有关内容。作者将带领您进入 Java 移动设备的 3D 编程世界，并展示了处理光线、摄像机和材质的方法。
在移动设备上玩游戏是一项有趣的消遣。迄今为止，硬件性能已足以满足经典游戏概念的需求，这些游戏确实令人着迷，但图像非常简单。今天，人们开发出大量二维平面动作游戏，其图像更为丰富，弥补了俄罗斯方块和吃豆游戏的单调感。下一步就是迈进 3D 图像的世界。Sony PlayStation Portable 将移动设备能够实现的图像能力展现在世人面前。虽然普通的移动电话在技术上远不及这种特制的游戏机，但由此可以看出整个市场的发展方向。Mobile 3D Graphics API（简称为 M3G）是在 JSR 184（Java 规范请求，Java Specification Request）中定义的，JSR 184 是一项工业成就，用于为支持 Java 程序设计的移动设备提供标准 3D API。
M3G API 大致可分为两部分：快速模式和保留模式。在快速模式下，您渲染的是单独的 3D 对象；而在保留模式下，您需要定义并显示整个 3D 对象世界，包括其外观信息在内。可以将快速模式视为低级的 3D 功能实现方式，保留模式显示 3D 图像的方式更为抽象，令人感觉也更要舒服一些。本文将对快速模式 API 进行介绍。而本系列的第 2 部分将介绍保留模式的使用方法。
M3G 以外的技术
M3G 不是孤独的。HI Corporation 开发的 Mascot Capsule API 在日本国内非常流行，日本三大运营商均以不同形式选用了这项技术，在其他国家也广受欢迎。例如，Sony Ericsson 为手机增加了 M3G 和 HI Corporation 的特定 API。根据应用程序开发人员在 Sony Ericsson 网站上发布的报告，Mascot Capsule 是一种稳定且快速的 3D环境。
JSR 239 也就是 Java Bindings for OpenGL ES，它面向的设备与 M3G 相同。OpenGL ES 是人们熟知的 OpenGL 3D 库的子集，事实上已成为约束设备上本地 3D 实现的标准。JSR 239 定义了一个几乎与 OpenGL ES 的 C 接口相同的 Java API，使现有 OpenGL 内容的移植更为容易。到 2005 年 9 月为止，JSR 239 还依然处于早期的蓝图设计状态。关于它是否会给手机带来深刻的影响，我只能靠推测。尽管 OpenGL ES 与其 API 不兼容，但却对 M3G 的定义产生了一定影响：JSR 184 专家组确保了 MSG 在 OpenGL ES 之上的有效实现。如果您了解 OpenGL，那么就会在 M3G 中看到许多似曾相识的属性。
尽管还有其他可选技术，但 M3G 获得了所有主要电话制造商和运营商的支持。之前我提到过，游戏是最大的吸引力所在，但 M3G 是一种通用 API，您可以将其用于创建各种 3D 内容。未来的几年中，手机将广泛采用 3D API。
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您的第一个 3D 对象
在第一个示例中，我们将创建一个如图 1 所示的立方体。
图 1. 示例立方体： a) 有顶点索引的正面图，b) 切割面的侧面视图（正面，侧面）
这个立方体存在于 M3G 定义的右手坐标系中。举起右手、伸出拇指、食指和中指，保持其中任一手指与其他两指均成直角，那么拇指就表示 x 轴、食指表示 y 轴，中指表示 z 轴。试着将拇指和食指摆成图 1a 中的样子，那么您的中指必然指向自己。我在这里使用了 8 个顶点（立方体的顶点）并使立方体的中心与坐标系的原点相重合。
从图 1 中可以看到，拍摄 3D 场景的摄像机朝向 z 轴的负轴方向，正对立方体。摄像机的位置和属性定义了随后将在屏幕上显示的东西。图 1b 展示了同一场景的侧面视图，这样您就可以更容易地看清摄像机究竟能看到 3D 世界中的哪些地方。限制因素之一就是观察角度，这与使用照相机的情况类似：长焦镜头的视野比广角镜头的观察角度要窄得多。因此观察角度决定了您的视野。与真实世界中的情况不同，3D 计算给我们增加了两个视图边界：近切割面和远切割面。观察角度和切割面共同定义了视域。视域中的一切都是可见的，而超出视域范围的一切均不可见。
在清单 1 中，您可以看到 VerticesSample 类，实现了上面提到的所有内容。
清单 1. 显示立方体的示例，第 1 部分：类成员
package m3gsamples1;
import javax.microedition.lcdui.*;
import javax.microedition.m3g.*;
/**
* Sample displaying a cube defined by eight vertices, which are connected
* by triangles.
*
* @author Claus Hoefele
*/
public class VerticesSample extends Canvas implements Sample
{
/** The cube's vertex positions (x, y, z). */
private static final byte[] VERTEX_POSITIONS = {
-1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1,
-1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1
};
/** Indices that define how to connect the vertices to build
* triangles. */
private static int[] TRIANGLE_INDICES = {
0, 1, 2, 3, 7, 1, 5, 4, 7, 6, 2, 4, 0, 1
};
/** The cube's vertex data. */
private VertexBuffer _cubeVertexData;
/** The cube's triangles defined as triangle strips. */
private TriangleStripArray _cubeTriangles;
/** Graphics singleton used for rendering. */
private Graphics3D _graphics3d;
VerticesSample 继承自 Canvas，应该能够直接绘制到屏幕。并且还实现了 Sample，定义它的目的是协助组织本文中的其他源代码示例。VERTEX_POSITIONS 以同样的顺序定义了与图 1a 相同的 8 个顶点。例如，顶点 0 定义为坐标（-1, -1, 1）。由于我将立方体的中心点放在坐标系原点位置处，因此立方体的各边长应为 2 个单位。随后，摄像机的位置和视角可定义一个单位在屏幕上所占的像素数。
仅有顶点位置还不够，您还必须描述出想要建立的几何图形。只能像逐点描图法那样，将顶点用直线连接起来，最终得到所需图形。但 M3G 也带来了一个约束：必须用三角形建立几何图形。任何多边形都可定义为一组三角形的集合，因此三角形在 3D 实现中应用十分广泛。三角形是基本的绘图操作，在此基础上可建立更为抽象的操作。
不幸的是，如果只能使用三角形描述立方体，就需要 6 条边 * 2 个三角形 * 3 个顶点 = 36 个顶点。这么多重复的顶点显然浪费了大量内存。为节约内存，首先应将顶点与其三角形定义分隔开来。TRIANGLE_INDICES 使用 VERTEX_POSITIONS 数组索引定义几何图形，使顶点可重用。然后用三角形带取代三角形，从而减少索引数量。通过使用三角形带，新的三角形可重用最后两个索引。举例来说，三角形带（0，1，2，3）可转换为两个三角形（0，1，2）及（1，2，3）。图 1a 的各角均已标注相应索引数，如果您在图 1a 的 TRIANGLE_INDICES 中遵循这一规则处理，就会发现两个面之间意外地多出了一些三角形。这只是一种用于避免定义某些三角形带的模式。我曾用一个有 14 个立方体索引的三角形带处理过 8 个顶点的情况。
使用其余的类成员即可绘制出立方体。清单 2 展示了其初始化方法。
清单 2. 显示立方体的示例，第 2 部分：初始化
/**
* Called when this sample is displayed.
*/
public void showNotify()
{
init();
}
/**
* Initializes the sample.
*/
protected void init()
{
// Get the singleton for 3D rendering.
_graphics3d = Graphics3D.getInstance();
// Create vertex data.
_cubeVertexData = new VertexBuffer();
VertexArray vertexPositions =
new VertexArray(VERTEX_POSITIONS.length/3, 3, 1);
vertexPositions.set(0, VERTEX_POSITIONS.length/3, VERTEX_POSITIONS);
_cubeVertexData.setPositions(vertexPositions, 1.0f, null);
// Create the triangles that define the cube; the indices point to
// vertices in VERTEX_POSITIONS.
_cubeTriangles = new TriangleStripArray(TRIANGLE_INDICES,
new int[] {TRIANGLE_INDICES.length});
// Create a camera with perspective projection.
Camera camera = new Camera();
float aspect = (float) getWidth() / (float) getHeight();
camera.setPerspective(30.0f, aspect, 1.0f, 1000.0f);
Transform cameraTransform = new Transform();
cameraTransform.postTranslate(0.0f, 0.0f, 10.0f);
_graphics3d.setCamera(camera, cameraTransform);
}
init() 中的第一个步骤就是使用户获取图形上下文（GC），以便绘制 3D 图形。Graphics3D 是一个单元素，_graphics3d 中保存了一个引用，以备将来使用。接下来，创建一个 VertexBuffer 以保存顶点数据。在后文中可以看到，可以为一个顶点指派多种类型的信息，所有顶点都包含于 VertexBuffer 之中，在设置使用 _cubeVertexData.setPositions() 的 VertexArray 中，您惟一需要获取的信息就是顶点位置。VertexArray 构造函数中保存了顶点数量（8 个）、各顶点的组件数（x, y, z）以及各组件的大小（1 字节）。由于这个立方体非常小，1 个字节足以容纳一个坐标。如果需要创建大型的对象，那么还可以创建使用 Short 值（2 个字节）的 VertexArray。但不能使用实数，只能使用整数。接下来，使用 TRIANGLE_INDICES 中的索引对 TriangleStripArray 进行初始化操作。
初始化代码的最后一部分就是摄像机设置。在 setPersective() 中，可设置观察角度、纵横比和剪贴板。注意纵横比和剪贴板的值应为浮点值。M3G 需要 Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）提供浮点值支持，这是在 CLDC 1.1 以后的版本中增加的功能。经过观察后，将摄像机从立方体处移开，以查看对象的全视图。可通过平移实现这一操作，转换 部分将就这一主题进行详细讨论。现在，您只要相信，带有第三个正数参数的 postTranslate() 可使摄像机沿 z 轴移动。
初始化后，您就可以将场景渲染到屏幕上。清单 3 实现了此功能。
清单 3. 显示立方体的示例，第 3 部分：绘图
/**
* Renders the sample on the screen.
*
* @param graphics the graphics object to draw on.
*/
protected void paint(Graphics graphics)
{
_graphics3d.bindTarget(graphics);
_graphics3d.clear(null);
_graphics3d.render(_cubeVertexData, _cubeTriangles,
new Appearance(), null);
_graphics3d.releaseTarget();
}
关于示例代码
如果想尝试建立并运行本文中的示例，可以在 “下载” 部分中下载完整的源代码。我使用了 Sun 的 Java Wireless Toolkit 2.2，并将我的项目配置为使用 MIDP 1.0、CLDC 1.1 —— 当然，还有 M3G。我将各部分的示例均作为单独类加以实现。另外还实现了一个简单的界面，您可以在这里选择及执行各个示例。wi-m3gsamples1.zip 压缩包中包含 readme.txt 文件，其中的信息更为详细。
在 paint() 中，bindTarget() 将 Canvas 的图形上下文指派给 Graphics3D。从而开始渲染 3D 对象，到调用 releaseTarget() 时终止渲染。调用 clear() 清除背景后，即可通过 init() 中创建的顶点数据和三角形绘制对象。许多 Graphics3D 的方法都会抛出不可控异常，但绝大多数错误都是不可恢复的，所以我决定不在代码中使用 try/catch 块。可在 VerticesSample.java 处找到本文的全部源代码。
我编写了一个简单的 MIDlet，用于显示示例。可从 下载 中获得 MIDlet 及本文全部源代码。示例运行结果如图 2 所示。
图 2. 示例立方体
很难看出这个屏幕上的矩形就是立方体，这是因为我将摄像机放置在其正对面，这就像站在一堵白墙前面一样。为什么是白色呢？我还没有指派任何颜色，而默认颜色就是白色。下一节将在颜色方面对程序进行完善。