鸿蒙（API 12 Beta6版）【ArkGraphics 3D场景搭建以及管理】方舟3D图形

ArkGraphics 3D （方舟3D图形）基于轻量级的3D引擎以及渲染管线为开发者提供基础3D场景绘制能力，供开发者便捷、高效地构建3D场景并完成渲染。

功能介绍

• 提供加载并解析glTF模型的能力，支持开发者将glTF模型文件置于应用文件沙盒中，通过ArkGraphics 3D提供的异步接口完成模型的加载以及渲染。
• 提供自定义灯光（Light）、相机（Camera）节点以及通用节点（Node）的能力，支撑开发者自定义场景灯光、渲染视角等信息，同时支撑用户动态地调整场景树结构以及节点属性进而调整3D场景。
• 提供创建图片（Image）、材质（Material）、环境（Environment）以及自定义着色器(Shader)的能力，支撑开发者调用ArkGraphics 3D提供的能力创建3D场景中使用的各种资源，支撑开发者自定义着色器，完成自定义3D材质渲染。
• 提供控制3D场景动画状态的能力，支撑开发者控制动画的开始、暂停、结束、播放到指定位置等操作，同时提供动画开始、结束时的回调函数支持开发者进行逻辑控制。
• 提供基础的3D渲染后处理能力，提供接口支撑开发者进行ToneMapping后处理相关控制。

综上，ArkGraphics 3D提供基础的3D场景渲染能力，支撑开发者完成3D场景渲染以及逻辑控制开发工作。

框架原理

如上图 ArkGraphics 3D接口能力由图形后端、引擎层以及接口层三个关键部分共同组成。

• 图形后端：主要指GPU硬件提供的驱动接口类型，业界通用的主要包含OpenGL ES以及Vulkan两类。引擎层通过下发GPU指令调用这些接口，实现场景的渲染。
• 引擎层：依托Ark Graphics Platform渲染引擎部件提供渲染能力，AGP引擎具有易用性、高画质、可扩展等特性。引擎使用先进的ECS（Entity-Component-System）架构设计，进行模块化封装（如材质定义、后处理特效等），为开发者提供了灵活易用的开发套件。
• 接口层：基于引擎的ECS Framework，通过NAPI层对数据进行组织处理，向开发者暴露简单易用的3D渲染接口，支持开发者使用少量代码完成3D场景的开发。

约束限制

使用ArkGraphics 3D模块需要硬件设备支持OpenGL ES 3.2以上或者Vulkan 1.0以上的GPU驱动。

ArkGraphics 3D场景搭建以及管理

一个3D场景通常由光源、相机、模型三个关键部分组成。

• 光源：为整个3D场景提供光照，使得3D场景中的模型变得可见。与真实物理场景一致，没有光源场景将变得一片漆黑，得到的渲染结果也就是全黑色。
• 相机：为3D场景提供一个观察者。3D渲染本质上是从一个角度观察3D场景并投影到一张2D图片上。没有相机就没有3D场景的观察者，也就不会得到渲染结果。
• 模型：3D场景中的模型用于描述对象的形状、结构和外观，一般具有网格、材质、纹理、动画等属性。常见的3D模型格式有OBJ、FBX、glTF等。

模型加载后，可以通过ArkUI的[Component3D]渲染组件呈现给用户，Component3D也可以对3D模型做自定义渲染。开发者也可以使用ArkTS API对相机和光源进行调节，获得合适的观察角度和光照效果。ArkTS API可通过napi调用AGP中由C++实现的相应能力。

模型的加载及呈现

模型的格式多种多样，目前ArkGraphics 3D仅支持glTF模型的加载，glTF是一种对于3D场景描述的格式，就像图片有png格式一样，glTF作为一种开源3D场景格式在业界被广泛采用。

一个glTF模型可以包含光源、相机、模型等3D场景关键要素，如果一个glTF模型中包含相机，使用ArkGraphics 3D提供的接口加载glTF就可以直接完成该相机视角下3D场景的渲染。如果不包含相机，也可以利用ArkGraphics 3D创建一个相机完成渲染。由于3D模型往往数据量很大，通常采用异步方式进行加载，加载成功后将返回一个scene对象，通过该对象可对整个3D场景进行编辑。

glTF模型可用Scene提供的[load]接口加载，示例代码如下：

import { Image, Shader, MaterialType, Material, ShaderMaterial, Animation, Environment, Container, SceneNodeParameters,
  LightType, Light, Camera, SceneResourceParameters, SceneResourceFactory, Scene, Node } from '@kit.ArkGraphics3D';

function loadModel() : void {
  // 加载模型
  let scene: Promise<Scene> = Scene.load($rawfile("gltf/DamagedHelmet/glTF/DamagedHelmet.gltf"));
  scene.then(async (result: Scene) => {});
}

模型加载成功后，可通过SceneResourceFactory实例创建相机、光源等，再对相机和光源的参数做调节，调整观察角度和光照效果。最后，将Scene实例和ModelType作为SceneOptions传给Component3D组件显示到屏幕。

模型显示的示例代码如下：

import { Image, Shader, MaterialType, Material, ShaderMaterial, Animation, Environment, Container, SceneNodeParameters,
  LightType, Light, Camera, SceneResourceParameters, SceneResourceFactory, Scene, Node } from '@kit.ArkGraphics3D';

@Entry
@Component
struct Model {
  scene: Scene | null = null;
  @State sceneOpt: SceneOptions | null = null;
  cam: Camera | null = null;

  onPageShow(): void {
    this.Init();
  }

  Init(): void {
    if (this.scene == null) {
      // 加载模型，将gltf文件放置到相关路径，加载时以实际路径为准
      Scene.load($rawfile('gltf/DamagedHelmet/glTF/DamagedHelmet.gltf'))
      .then(async (result: Scene) => {
        this.scene = result;
        let rf:SceneResourceFactory = this.scene.getResourceFactory();
        // 创建相机
        this.cam = await rf.createCamera({ "name": "Camera" });
        // 设置合适的相机参数
        this.cam.enabled = true;
        this.cam.position.z = 5;
        this.sceneOpt = { scene: this.scene, modelType: ModelType.SURFACE } as SceneOptions;
      })
      .catch((reason: string) => {
        console.log(reason);
      });
    }
  }

  build() {
    Row() {
      Column() {
        if (this.sceneOpt) {
          // 通过Component3D呈现3D场景
          Component3D(this.sceneOpt)
        } else {
          Text("loading ...")
        }
      }.width('100%')
    }.height('60%')
  }
}

相机的创建及管理

相机作为3D场景中的重要部分，决定了整个3D场景向2D图片的投影过程，相机的近远平面、Fov角等关键参数也会对整个3D渲染产生重要的影响。开发者可以通过对于相机参数的设置。控制这个渲染过程，得到开发者想要的渲染效果。

相机相关控制的示例代码如下：

import { Image, Shader, MaterialType, Material, ShaderMaterial, Animation, Environment, Container, SceneNodeParameters,
  LightType, Light, Camera, SceneResourceParameters, SceneResourceFactory, Scene, Node } from '@kit.ArkGraphics3D';

function createCameraPromise() : Promise<Camera> {
  return new Promise(() => {
    let scene: Promise<Scene> = Scene.load($rawfile("gltf/CubeWithFloor/glTF/AnimatedCube.gltf"));
    scene.then(async (result: Scene) => {
      let sceneFactory: SceneResourceFactory = result.getResourceFactory();
      let sceneCameraParameter: SceneNodeParameters = { name: "camera1" };
      // 创建相机
      let camera: Promise<Camera> = sceneFactory.createCamera(sceneCameraParameter);
      camera.then(async (cameraEntity: Camera) => {
        // 使能相机节点
        cameraEntity.enabled = true;

        // 设置相机的位置
        cameraEntity.position.z = 5;

        // 设置相机Fov参数
        cameraEntity.fov = 60 * Math.PI / 180;

        // 可以参照此方式设置相机很多其他的参数
        // ...
      });
      return camera;
    });
  });
}

光源的创建及管理

3D场景的光源是对于物理世界中光源的一种数据建模，模拟物理世界的光源对于3D场景中的物体产生影响。

光源具有很多的类型，比如平行光、锥形光。平行光即是用来模拟生活中的太阳光照，发出的光线处处平行且强度均匀。锥形光则像是我们使用的手电筒，以一个点向一个扇形区域发射光线，且发出的光线会随着距离而衰减。光源的颜色也会对场景中的物体最终的着色产生影响，光源颜色与物体颜色相互作用的计算与真实物理世界保持一致。ArkGraphics 3D提供了创建光源，修改光源各种参数的能力，支撑开发者通过对于光源属性的设置对于3D场景进行调整，得到期望的渲染效果。

光源相关控制的示例代码如下：

import { Image, Shader, MaterialType, Material, ShaderMaterial, Animation, Environment, Container, SceneNodeParameters,
  LightType, Light, Camera, SceneResourceParameters, SceneResourceFactory, Scene, Node } from '@kit.ArkGraphics3D';

function createLightPromise() : Promise<Light> {
  return new Promise(() => {
    let scene: Promise<Scene> = Scene.load($rawfile("gltf/CubeWithFloor/glTF/AnimatedCube.gltf"));
    scene.then(async (result: Scene) => {
      let sceneFactory: SceneResourceFactory = result.getResourceFactory();
      let sceneLightParameter: SceneNodeParameters = { name: "light" };
      // 创建平行光
      let light: Promise<Light> = sceneFactory.createLight(sceneLightParameter, LightType.DIRECTIONAL);
      light.then(async (lightEntity: Light) => {
        // 设置平行光的颜色属性
        lightEntity.color = { r: 0.8, g: 0.1, b: 0.2, a: 1.0 };

        // 可以参照此方式设置光源很多其他的参数
        // ...
      });
      return light;
    });
  });
}

最后呢

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