用Python和Pygame写游戏-从入门到精通（19）

3D世界

让我们现在开始写一个3D的程序，巩固一下这几次学习的东西。因为我们还没有好好深入如何画3D物体，暂时就先用最简单的投影（上次讨论过的第二种）方法来画吧。这个程序画一个空间里的立方体，只不过各个部分并不会随着距离而产生大小上的变化。

您可以看到，很多的小球构成了立方体的各个边，通过按住方向键，可以水平或垂直方向的更改“摄像头”的位置，Q和A键会把摄像头拉近或拉远，而W和S会改变视距，绿色的三角是视距和视角的示意图。fov角大的话，立方体就显得比较短，反之就显得比较长。

代码稍微有点长，下面有解释，静下心来慢慢阅读。

import pygame
from pygame.locals import *
from gameobjects.vector3 import Vector3

from math import *
from random import randint

SCREEN_SIZE =  (640, 480)
CUBE_SIZE = 300

def calculate_viewing_distance(fov, screen_width):
    d = (screen_width/2.0) / tan(fov/2.0)
    return d

def run():
    pygame.init()
    screen = pygame.display.set_mode(SCREEN_SIZE, 0)

    default_font = pygame.font.get_default_font()
    font = pygame.font.SysFont(default_font, 24)

    ball = pygame.image.load("ball.png").convert_alpha()

    # 3D points
    points = []

    fov = 90. # Field of view
    viewing_distance = calculate_viewing_distance(radians(fov), SCREEN_SIZE[0])

    # 边沿的一系列点
    for x in xrange(0, CUBE_SIZE+1, 20):
        edge_x = x == 0 or x == CUBE_SIZE

        for y in xrange(0, CUBE_SIZE+1, 20):
            edge_y = y == 0 or y == CUBE_SIZE

            for z in xrange(0, CUBE_SIZE+1, 20):
                edge_z = z == 0 or z == CUBE_SIZE

                if sum((edge_x, edge_y, edge_z)) >= 2:

                    point_x = float(x) - CUBE_SIZE/2
                    point_y = float(y) - CUBE_SIZE/2
                    point_z = float(z) - CUBE_SIZE/2

                    points.append(Vector3(point_x, point_y, point_z))

    # 以z序存储，类似于css中的z-index
    def point_z(point):
        return point.z
    points.sort(key=point_z, reverse=True)

    center_x, center_y = SCREEN_SIZE
    center_x /= 2
    center_y /= 2

    ball_w, ball_h = ball.get_size()
    ball_center_x = ball_w / 2
    ball_center_y = ball_h / 2

    camera_position = Vector3(0.0, 0.0, -700.)
    camera_speed = Vector3(300.0, 300.0, 300.0)

    clock = pygame.time.Clock()

    while True:        

        for event in pygame.event.get():
            if event.type == QUIT:
                return            

        screen.fill((0, 0, 0))

        pressed_keys = pygame.key.get_pressed()

        time_passed = clock.tick()
        time_passed_seconds = time_passed / 1000.

        direction = Vector3()
        if pressed_keys[K_LEFT]:
            direction.x = -1.0
        elif pressed_keys[K_RIGHT]:
            direction.x = +1.0

        if pressed_keys[K_UP]:
            direction.y = +1.0
        elif pressed_keys[K_DOWN]:
            direction.y = -1.0

        if pressed_keys[K_q]:
            direction.z = +1.0
        elif pressed_keys[K_a]:
            direction.z = -1.0

        if pressed_keys[K_w]:
            fov = min(179., fov+1.)
            w = SCREEN_SIZE[0]
            viewing_distance = calculate_viewing_distance(radians(fov), w)
        elif pressed_keys[K_s]:
            fov = max(1., fov-1.)
            w = SCREEN_SIZE[0]
            viewing_distance = calculate_viewing_distance(radians(fov), w)

        camera_position += direction * camera_speed * time_passed_seconds       

        # 绘制点
        for point in points:

            x, y, z = point - camera_position

            if z > 0:
                x =  x * viewing_distance / z
                y = -y * viewing_distance / z
                x += center_x
                y += center_y
                screen.blit(ball, (x-ball_center_x, y-ball_center_y))

        # 绘制表
        diagram_width = SCREEN_SIZE[0] / 4
        col = (50, 255, 50)
        diagram_points = []
        diagram_points.append( (diagram_width/2, 100+viewing_distance/4) )
        diagram_points.append( (0, 100) )
        diagram_points.append( (diagram_width, 100) )
        diagram_points.append( (diagram_width/2, 100+viewing_distance/4) )
        diagram_points.append( (diagram_width/2, 100) )
        pygame.draw.lines(screen, col, False, diagram_points, 2)        

        # 绘制文字
        white = (255, 255, 255)
        cam_text = font.render("camera = "+str(camera_position), True, white)
        screen.blit(cam_text, (5, 5))
        fov_text = font.render("field of view = %i"%int(fov), True, white)
        screen.blit(fov_text, (5, 35))
        txt = "viewing distance = %.3f"%viewing_distance
        d_text = font.render(txt, True, white)
        screen.blit(d_text, (5, 65))

        pygame.display.update()

if __name__ == "__main__":
    run()

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import pygame

from pygame.locals import *

from gameobjects.vector3 import Vector3

from math import *

from random import randint

SCREEN_SIZE = (640, 480)

CUBE_SIZE = 300

def calculate_viewing_distance(fov, screen_width):

d = (screen_width/2.0) / tan(fov/2.0)

return d

def run():

pygame.init()

screen = pygame.display.set_mode(SCREEN_SIZE, 0)

default_font = pygame.font.get_default_font()

font = pygame.font.SysFont(default_font, 24)

ball = pygame.image.load("ball.png").convert_alpha()

# 3D points

points = []

fov = 90. # Field of view

viewing_distance = calculate_viewing_distance(radians(fov), SCREEN_SIZE[0])

# 边沿的一系列点

for x in xrange(0, CUBE_SIZE+1, 20):

edge_x = x == 0 or x == CUBE_SIZE

for y in xrange(0, CUBE_SIZE+1, 20):

edge_y = y == 0 or y == CUBE_SIZE

for z in xrange(0, CUBE_SIZE+1, 20):

edge_z = z == 0 or z == CUBE_SIZE

if sum((edge_x, edge_y, edge_z)) >= 2:

point_x = float(x) - CUBE_SIZE/2

point_y = float(y) - CUBE_SIZE/2

point_z = float(z) - CUBE_SIZE/2

points.append(Vector3(point_x, point_y, point_z))

# 以z序存储，类似于css中的z-index

def point_z(point):

return point.z

points.sort(key=point_z, reverse=True)

center_x, center_y = SCREEN_SIZE

center_x /= 2

center_y /= 2

ball_w, ball_h = ball.get_size()

ball_center_x = ball_w / 2

ball_center_y = ball_h / 2

camera_position = Vector3(0.0, 0.0, -700.)

camera_speed = Vector3(300.0, 300.0, 300.0)

clock = pygame.time.Clock()

while True:

for event in pygame.event.get():

if event.type == QUIT:

return

screen.fill((0, 0, 0))

pressed_keys = pygame.key.get_pressed()

time_passed = clock.tick()

time_passed_seconds = time_passed / 1000.

direction = Vector3()

if pressed_keys[K_LEFT]:

direction.x = -1.0

elif pressed_keys[K_RIGHT]:

direction.x = +1.0

if pressed_keys[K_UP]:

direction.y = +1.0

elif pressed_keys[K_DOWN]:

direction.y = -1.0

if pressed_keys[K_q]:

direction.z = +1.0

elif pressed_keys[K_a]:

direction.z = -1.0

if pressed_keys[K_w]:

fov = min(179., fov+1.)

w = SCREEN_SIZE[0]

viewing_distance = calculate_viewing_distance(radians(fov), w)

elif pressed_keys[K_s]:

fov = max(1., fov-1.)

w = SCREEN_SIZE[0]

viewing_distance = calculate_viewing_distance(radians(fov), w)

camera_position += direction * camera_speed * time_passed_seconds

# 绘制点

for point in points:

x, y, z = point - camera_position

if z > 0:

x = x * viewing_distance / z

y = -y * viewing_distance / z

x += center_x

y += center_y

screen.blit(ball, (x-ball_center_x, y-ball_center_y))

# 绘制表

diagram_width = SCREEN_SIZE[0] / 4

col = (50, 255, 50)

diagram_points = []

diagram_points.append( (diagram_width/2, 100+viewing_distance/4) )

diagram_points.append( (0, 100) )

diagram_points.append( (diagram_width, 100) )

diagram_points.append( (diagram_width/2, 100+viewing_distance/4) )

diagram_points.append( (diagram_width/2, 100) )

pygame.draw.lines(screen, col, False, diagram_points, 2)

# 绘制文字

white = (255, 255, 255)

cam_text = font.render("camera = "+str(camera_position), True, white)

screen.blit(cam_text, (5, 5))

fov_text = font.render("field of view = %i"%int(fov), True, white)

screen.blit(fov_text, (5, 35))

txt = "viewing distance = %.3f"%viewing_distance

d_text = font.render(txt, True, white)

screen.blit(d_text, (5, 65))

pygame.display.update()

if __name__ == "__main__":

run()

上面的例子使用Vector3来管理向量数据，点的存储是按照z坐标来的，这样在blit的时候，离摄像机近的后画，就可以覆盖远的，否则看起来就太奇怪了……

在主循环的代码中，会根据按键摄像头会更改位置——当然这是用户的感觉，实际上代码做的是更改了点的位置。而3D的移动和2D是非常像的，只不过多了一个z来判断覆盖远近（也就是绘制顺序），一样的基于时间移动，一样的向量运算，只是由Vector2变为了Vector3。

然后代码需要绘制全部的点。首先，点的位置需要根据camera_position变量校正，如果结果的z比0还大，说明点在摄像头之前，需要画的，否则就是不需要画。y需要校准一下方向，最后把x、y定位在中间（小球还是有一点点尺寸的）。

留下的代码是给出信息的，都是我们学习过的东西了。

如果想好好学习，把立方体换成其他的图像吧！改一下更能加深印象。

3D第一部分总结

3D是迄今为止游戏发展中最大的里程碑（下一个会是什么呢？虚拟体验？），我们这几次学习的，是3D的基础，你可以看到，仅有2D绘图经验也能很方便的过渡过来。仅仅是Vector2→Vector3，担任3D向量还是有一些特有的操作的，需要慢慢学习，但是基本的思想不会变。

但是，请继续思考~ 难道所有的3D游戏就是一系列的3D坐标再手动转换为2D画上去就好了？很可惜或者说很幸运不是的，我们有3D引擎来做这些事情，对Pygame来说，原生的3D处理时不存在的，那么如何真正绘制3D画面？有一个非常广泛的选择——OpenGL，不了解的请自行Wiki，不过OpenGL并不是Pygame的一部分，而且3D实际做下去实在很繁杂，这个系列就暂时不深入讲解了。

尽管有3D引擎帮我们做投影等事情，我们这几次学的东西绝对不是白费，对基础的一定了解可以更好的写入3D游戏，对画面的掌握也会更好。如果有需要，这个系列的主线完成后，会根据大家的要求追加讲解OpenGL的内容。

接下来开始讲解Pygame中的声音，基本游戏制作的全部知识我们都快学习完了：）

>> 用Python和Pygame写游戏-从入门到精通（20）

11 thoughts on “用Python和Pygame写游戏-从入门到精通（19）”

tangly 2011/08/14

可以给力讲讲openGL啊，想问下opengl和dx那个好入门些啊楼主比较认真啊精神值得赞扬

Reply ↓
Ken 2011/09/30

有时间拉一个合适的3D引擎进来写写吧

Reply ↓
wing 2012/03/20

这一次忘了ball.png了,看来我得自己去找一个^_^

Reply ↓
wing 2012/03/20

想了很久没想通viewing_distance是怎么回事……感觉跟camera的z值不是一回事吗?好像钻牛角尖里了

Reply ↓
xumaomao 2013/01/04

@wing:个人认为viewing_distance跟camera_z不是一回事。viewing_distance是眼睛到屏幕的距离，而camera_z是眼睛到离眼睛最近的小球的距离（这个距离只是z方向的距离不是用勾股定理算的直线距离）。可以把屏幕想象成一块透明玻璃，你在透过这块玻璃看前方的一个方块。

Reply ↓
李兴球 2014/10/08

确实是3D的基础课，对以后学3D引擎大有帮助的。那FOV不仅有左右，还有上下的，是个圆锥。楼主肯定知道，没有讲罢了。

Reply ↓
Pingback: 用Python和Pygame写游戏-从入门到精通（19）-演道网
廖洪粤 2017/08/23

作者能否提供ball.png图片？

Reply ↓
Andy 2017/09/03

python3下运行总有问题…
….line 92, in _get_z
return self._v[2]
TypeError: ‘map’ object is not subscriptable
libpng warning: iCCP: known incorrect sRGB profile

Reply ↓
1. wyf 2017/09/28
  
  请问解决了吗?我也遇到这个问题了
  
  Reply ↓
  1. wyf 2017/09/28
    
    吧vector3.py中
    self._v = map(float, args[:3])改为
    self._v = list(map(float, args[:3]))
    self._v = map(float, args[0][:3])改为
    self._v = list(map(float, args[0][:3]))就可以了
    
    Reply ↓

3D世界

3D第一部分总结

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