UWP简单示例（二）：快速开始你的3D编程

准备

　　IDE：Visual Studio

　　开源库：GitHub.SharpDx

　　入门示例：SharpDX_D3D12HelloWorld

　　为什么选择 SharpDx?

　　SharpDx 库与 UWP 兼容,其他如 SharpGL 不兼容

　　如果你是 C# 开发者，Unity3D 会是更好的选择

　　Direct3D 是底层的 3D 图形库，通过接触它你可以学习到很多底层图形编程知识

　　了解底层知识会使你在接触并使用 Unity3D 等引擎时更加得心应手

第一节 世界

　　世界坐标系是一个特殊的坐标系，它建立了描述其他坐标系所需要的参考框架。

　　世界坐标系

　　从另一方面说，不能用更大的、外部的坐标系来描述世界坐标系

　　关于世界坐标系的典型问题都是关于初始位置和环境的：

• 每个物体的位置和方向
• 摄像机的位置和方向
• 世界中每一点的地形是什么（如山丘、建筑、湖泊等）
• 一个物体从哪里来，到哪里去（NPC 的运动策略）

　　左、右手坐标系

　　所有的 2D 坐标系是等价的，但 3D 坐标系有“手性”之分

　　左、右手坐标系可以互相转换，最简单的方法是只翻转一个轴的符号

　　传统的计算机图形学使用左手坐标系，而线性代数则倾向于使用右手坐标系

　　SharpDx 采用左手坐标系，即 X 轴由右向左，Y 轴由下至上，Z 轴由里至外

　　SharpDx 的世界有多大

　　首先，这个世界是有限且离散的

　　描述三维坐标需要使用 SharpDx 或 System.Numerics 命名空间下的 Vector3 类型

　　Vector3 表示一个三维向量，它的 x，y，z 分量都是float类型（单精度浮点数），我们知道 float 范围是 -3.40E+38 ~ +3.40E+38

　　而原子的直径是 0.1nm 级别，若以它作为基本单位，那么这个世界大约是一个边长 6.80E+25 公里的方盒（约 71877 亿光年）

　　这个世界足够大吗

　　目前认为银河系直径是 10~12 万光年，宇宙可视直径是 920 亿光年

　　单精度浮点数可精确到小数点后 6 位，即当前世界最小分辨率是 10^-6 倍原子大小

　　离散的 float 类型足以描述现实世界吗？

　　向你介绍计算机图形学第一准则：

　　近似原则，如果它看上去是对的它就是对的。

 

Imports SharpDX
''' <summary>
''' 表示一个三维世界
''' </summary>
Public Interface IWorld
    ''' <summary>
    ''' 模型顶点变换矩阵的数组
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property ModelMatrix As Matrix()
    ''' <summary>
    ''' 更新模型顶点变换矩阵
    ''' </summary>
    Sub Update()
End Interface

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using SharpDX;
/// <summary>
/// 表示一个三维世界
/// </summary>
public interface IWorld
{
    /// <summary>
    /// 模型顶点变换矩阵的数组
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Matrix[] ModelMatrix { get; set; }
    /// <summary>
    /// 更新模型顶点变换矩阵
    /// </summary>
    void Update();
}

第二节 物体

　　在编程中，具有宏观形状、体积或质量的抽象对象。

　　位置 Location

　　一个三维向量，它表示当前物体在世界坐标系中的绝对位置

　　比例 Scale

　　一个三维向量，表示当前物体 x，y，z 轴缩放比例

　　旋转 Rotation

　　通常物体角位移有欧拉角和四元数两种表示方式

　　欧拉角：

• 欧拉角有三个分量，偏航角 Yaw、俯仰角 Pitch、横滚角 Roll
• 给定方位的表达方式不唯一
• 两个角度间求插值非常困难
• 万向锁是一个底层问题，至今没有简单的解决方案

　　四元数：

• 四元数( Quaternion )有四个分量，它是一个超复数
• 四元数能够平滑插值，但它比欧拉角多占用 33.3% 的存储空间
• 多个四元数表示一系列旋转变换时，将它们相乘（而非直接相加）
• 四元数“减法”，一个变换 Q₁ 到另一个变换 Q₂ 的差 △Q 等于 Q₁ 的逆乘以 Q₂ (而非直接相减)
• 通过标准化四元数确保它为单位大小，否则它将不合法

 

Imports SharpDX
''' <summary>
''' 表示一个可包含若干子对象的刚体
''' </summary>
Public Interface IRigidBody
    ''' <summary>
    ''' 子物体
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Children As List(Of IRigidBody)
    ''' <summary>
    ''' 父物体
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Parent As IRigidBody
    ''' <summary>
    ''' 位置
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Location As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 缩放
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Scale As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 旋转
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Qua As Quaternion
    ''' <summary>
    ''' 可见性
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Visible As Boolean
    Sub Update()
End Interface

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using SharpDX;
/// <summary>
/// 表示一个可包含若干子对象的刚体
/// </summary>
public interface IRigidBody
{
    /// <summary>
    /// 子物体
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    List<IRigidBody> Children { get; set; }
    /// <summary>
    /// 父物体
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    IRigidBody Parent { get; set; }
    /// <summary>
    /// 位置
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Vector3 Location { get; set; }
    /// <summary>
    /// 缩放
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Vector3 Scale { get; set; }
    /// <summary>
    /// 旋转
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Quaternion Qua { get; set; }
    /// <summary>
    /// 可见性
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    bool Visible { get; set; }
    void Update();
}

第三节 矩阵与线性变换

　　线性变换总是把线性子空间变为线性子空间，但是维数可能降低。矩阵的本质就是描述线性变换。

　　模型与世界空间

　　物体最开始由物体空间来描述。其中常见的信息包括顶点位置和表面法向量

　　可将坐标从物体空间转换到世界空间中，此过程称作模型变换

　　通常，光照计算使用世界空间，其实光照计算只需确保几何体和光线在同一空间

　　摄像机空间

　　通过视变换，顶点从世界空间变换到摄像机空间，此空间也称作眼睛空间

　　裁剪与屏幕空间

　　裁剪空间又名标准视体空间，它是为透视投影做准备

　　一旦用视锥完成了几何体裁剪，即可向屏幕空间投影

　　ModelMatrix = World * View * Projection

　　World = ScaleMatrix * RotationMatrix * TranslateMatrix:

• 缩放矩阵 ScaleMatrix = Matrix.Scaling(Object.Scale)
• 旋转矩阵 RotationMatrix = Matrix.RotationQuaternion(Object.Quaternion)
• 平移矩阵 TranslateMatrix = Matrix.Translation(Object.Location)
• 默认旋转中心是原点，所以这三者相乘的顺序不能变

　　View = Matrix.LookAtLH(eye,target,up)：

• 眼睛位置 eye = New Vector3(0,0,100)，表示当前摄像机位于Z轴100值处
• 视点位置 target = New Vector3(0,0,0)，表示当前摄像机看向3D空间的原点
• 向上向量 up = Vector.UnitY，当前摄像机的向上方向
• LH表示左手坐标系，Matrix.LookAtRH 是用于右手坐标系

　　Projection = Matrix.PerspectiveFovLH(fov, aspect, znear, zfar)：

• 视椎体水平角 fov = Math.PI/ 3.0F，即水平可视角范围，通常为60度
• 视锥体宽高比 aspect = ScreenWidth / ScreenHeight，通常和屏幕宽高比一致
• 近裁面深度值 znear = 1，即最近可视范围，用户可自由设置
• 远裁面深度值 zfar = 10000，即最远可视范围，用户可自由设置
• 实际上这是裁剪变换矩阵，投影到屏幕是由 API 完成的

 

Imports SharpDX
''' <summary>
''' 表示用于视变换的摄像机
''' </summary>
Public Interface ICamera
    ''' <summary>
    ''' 获取或设置摄像机位置
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Eye As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 获取或设置目标视点位置
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Target As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 获取或设置摄像机向上方向
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    Property Up As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 获取当前视变换矩阵
    ''' </summary>
    ''' <returns></returns>
    ReadOnly Property View As Matrix
End Interface

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using SharpDX;
/// <summary>
/// 表示用于视变换的摄像机
/// </summary>
public interface ICamera
{
    /// <summary>
    /// 获取或设置摄像机位置
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Vector3 Eye { get; set; }
    /// <summary>
    /// 获取或设置目标视点位置
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Vector3 Target { get; set; }
    /// <summary>
    /// 获取或设置摄像机向上方向
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Vector3 Up { get; set; }
    /// <summary>
    /// 获取当前视变换矩阵
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    Matrix View { get; }
}

第四节 三角网格

　　多边形网格用来模拟复杂物体的表面，任意多边形网格都能转成三角网格。

　　表示网格

　　多边形和三角网格在图形学和建模中广泛使用，最直接表示方法是用三角形数组

　　三角网格需要存储三类信息：

• 顶点 每个三角形都有三个顶点，各顶点都有可能和其他三角形共享
• 边    连接两个顶点的边，每个三角形有三条边
• 面    每个三角形对应一个面，我们可以用顶点或者边列表表示面

　　索引三角网格

　　在索引三角网格中，我们维护两个列表：顶点表和三角形表

　　每个顶点包含一个 3D 位置，也可能有如纹理映射坐标、表面法向量、光照值等复杂数据

　　每个三角形由顶点列表的三个索引组成

　　顶点列出的顺序非常重要，它决定面是“正面”还是“反面”

　　另外，表面法向量、纹理映射保存在三角形一级

　　索引三角形列表中的邻接信息是隐含的，边信息不会被直接存储

　　我们可以通过搜索三角形表找出公共边

　　创建一个立方体

　　一个立方体有 6 个矩形面，每个面有 4 个顶点

　　一个矩形面由两个三角形组成

　　可见我们共需要 24 个顶点，12 个三角形

　　假若不分开描述各面，8 个顶点就足够描述一个六面体，但仍需要 12 个三角形

 

    ''' <summary>
    ''' 表示一个顶点
    ''' </summary>
    Public Structure Vertex
        Public Position As Vector3
        Public Color As Vector4
        Public Sub New(position As Vector3, color As Vector4)
            Me.Position = position
            Me.Color = color
        End Sub
    End Structure

    ''' <summary>
    ''' 返回一个指定长宽高的正六面体的顶点数组
    ''' </summary>
    Public Shared Function CreateCube(w As Single, h As Single, d As Single) As Vertex()
        w = w / 2
        h = h / 2
        d = d / 2
        Dim vertices As Vertex() = New Vertex() {
            New Vertex(New Vector3(-w, h, d), New Vector4(0, 1, 0, 1)), New Vertex(New Vector3(w, h, d), New Vector4(0, 1, 0, 1)),
            New Vertex(New Vector3(w, h, -d), New Vector4(0, 1, 0, 1)), New Vertex(New Vector3(-w, h, -d), New Vector4(0, 1, 0, 1)),
            New Vertex(New Vector3(-w, -h, d), New Vector4(1, 0, 1, 1)), New Vertex(New Vector3(w, -h, d), New Vector4(1, 0, 1, 1)),
            New Vertex(New Vector3(w, -h, -d), New Vector4(1, 0, 1, 1)), New Vertex(New Vector3(-w, -h, -d), New Vector4(1, 0, 1, 1)),
            New Vertex(New Vector3(-w, -h, d), New Vector4(1, 0, 0, 1)), New Vertex(New Vector3(-w, h, d), New Vector4(1, 0, 0, 1)),
            New Vertex(New Vector3(-w, h, -d), New Vector4(1, 0, 0, 1)), New Vertex(New Vector3(-w, -h, -d), New Vector4(1, 0, 0, 1)),
            New Vertex(New Vector3(w, -h, d), New Vector4(1, 1, 0, 1)), New Vertex(New Vector3(w, h, d), New Vector4(1, 1, 0, 1)),
            New Vertex(New Vector3(w, h, -d), New Vector4(1, 1, 0, 1)), New Vertex(New Vector3(w, -h, -d), New Vector4(1, 1, 0, 1)),
            New Vertex(New Vector3(-w, h, d), New Vector4(0, 1, 1, 1)), New Vertex(New Vector3(w, h, d), New Vector4(0, 1, 1, 1)),
            New Vertex(New Vector3(w, -h, d), New Vector4(0, 1, 1, 1)), New Vertex(New Vector3(-w, -h, d), New Vector4(0, 1, 1, 1)),
            New Vertex(New Vector3(-w, h, -d), New Vector4(0, 0, 1, 1)), New Vertex(New Vector3(w, h, -d), New Vector4(0, 0, 1, 1)),
            New Vertex(New Vector3(w, -h, -d), New Vector4(0, 0, 1, 1)), New Vertex(New Vector3(-w, -h, -d), New Vector4(0, 0, 1, 1))}
        Return vertices
    End Function

using SharpDx;
/// <summary>
/// 表示一个存储3D位置与颜色信息的顶点
/// </summary>
public struct Vertex
{
    public Vector3 Position;
    public Vector4 Color;
    public Vertex(Vector3 position, Vector4 color)
    {
        this.Position = position;
        this.Color = color;
    }
}

/// <summary>
/// 返回一个指定长宽高的正六面体的顶点数组
/// </summary>
public static Vertex[] CreateCube(float w, float h, float d)
{
    w = w / 2;
    h = h / 2;
    d = d / 2;
    Vertex[] vertices = new Vertex[] {
        new Vertex(new Vector3(-w, h, d), new Vector4(0, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, h, d), new Vector4(0, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, h, -d), new Vector4(0, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, h, -d), new Vector4(0, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, -h, d), new Vector4(1, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, -h, d), new Vector4(1, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, -h, -d), new Vector4(1, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, -h, -d), new Vector4(1, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, -h, d), new Vector4(1, 0, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, h, d), new Vector4(1, 0, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, h, -d), new Vector4(1, 0, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, -h, -d), new Vector4(1, 0, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, -h, d), new Vector4(1, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, h, d), new Vector4(1, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, h, -d), new Vector4(1, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, -h, -d), new Vector4(1, 1, 0, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, h, d), new Vector4(0, 1, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, h, d), new Vector4(0, 1, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, -h, d), new Vector4(0, 1, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, -h, d), new Vector4(0, 1, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, h, -d), new Vector4(0, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, h, -d), new Vector4(0, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(w, -h, -d), new Vector4(0, 0, 1, 1)),
        new Vertex(new Vector3(-w, -h, -d), new Vector4(0, 0, 1, 1))
    };
    return vertices;
}

第五节 方块人物

　　可直接用一个骨骼模型描述生物外形，至少 Minecraft 是这样的。

　　骨骼关系

　　一个骨骼节点有若干子骨骼，但只能有一个父骨骼

　　易见，我们可以用一个树形结构来描述骨骼系统

　　父子骨骼间存在一种“联动”关系，比如我们移动右手手臂，右手也会跟随移动

　　为体现这种“联动”，在编程中需要将作用于某个骨骼的的变换也同等作用于它的子骨骼

　　人体骨骼方块

　　上部（10块）：头部、颈部、左右肩、左右上臂，左右下臂，左右手

　　中部（2 块）：胸部、腰部

　　下部（8 块）：左右骻、左右大腿，左右小腿和左右脚

　　通常，腰部是根节点的较好选择

 

Imports SharpDX
''' <summary>
''' 表示骨骼结点
''' </summary>
Public Class Bone
    Inherits RigidBodyBase
    Public Overrides Property Qua As Quaternion
        Set(value As Quaternion)
            If IsNewQua Then
                IsNewQua = False
                sQua = value
                sQua.Invert()
                sQua.Normalize()
            End If
            mQua = value
        End Set
        Get
            Return Quaternion.Normalize(sQua * mQua)
        End Get
    End Property
    ''' <summary>
    ''' 绝对坐标
    ''' </summary>
    Public AbsoluteLoc As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 相对坐标
    ''' </summary>
    Public RelativeLoc As Vector3
    ''' <summary>
    ''' 父骨骼
    ''' </summary>
    Public ParentBone As Bone
    ''' <summary>
    ''' 骨骼相对旋转
    ''' </summary>
    Public BoneQua As New Quaternion(0, 0, 0, 1)
    ''' <summary>
    ''' 子骨骼
    ''' </summary>
    Public ChildrenBone As New List(Of Bone)
    ''' <summary>
    ''' 索引
    ''' </summary>
    Public Index As Integer
    Private mQua As New Quaternion(0, 0, 0, 1)
    Private sQua As New Quaternion(0, 0, 0, 1)
    Private IsNewQua As Boolean = True
    Public Sub New(loc As Vector3, scale As Vector3)
        Me.RelativeLoc = loc * 10
        Me.Scale = scale
    End Sub
End Class

Imports SharpDX
''' <summary>
''' 表示一个用于描述骨骼信息的对象
''' </summary>
Public Class BoneInf
    Public Loc As Vector3
    Public Scale As Vector3
    Public ParentIndex As Integer
    Public ChildIndexArr() As Integer
    Public Sub New(l As Vector3, s As Vector3, p As Integer, c As Integer())
        Loc = New Vector3(l.Z, l.Y, l.X)
        Scale = New Vector3(s.Z, s.Y, s.X)
        ParentIndex = p
        ChildIndexArr = c
    End Sub
End Class

Imports SharpDX
''' <summary>
''' 表示一个人类模型
''' </summary>
Public Class Human
    Inherits RigidBodyBase
    Public RootBone As Bone
    Dim BoneInfArr() As BoneInf = {
                                       New BoneInf(New Vector3(0, 0, 0), New Vector3(1, 1, 1), 0, New Integer() {1, 12, 16}),'腰部0
                                       New BoneInf(New Vector3(0, 5, 0), New Vector3(2.5, 5, 1), 0, New Integer() {2, 4, 8}),'胸部1
                                       New BoneInf(New Vector3(0, 1, 0), New Vector3(0.7, 1, 1), 1, New Integer() {3}),'颈部2
                                       New BoneInf(New Vector3(0, 1.5, 0), New Vector3(1.3, 1.5, 1), 2, New Integer() {}),'头部3
                                       New BoneInf(New Vector3(-2, 0, 0), New Vector3(2, 1, 1), 1, New Integer() {5}),'左肩4
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -2.5, 0), New Vector3(1, 2.5, 1), 4, New Integer() {6}),'左上臂5
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -2.5, 0), New Vector3(1, 2.5, 1), 5, New Integer() {7}),'左小臂6
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -1, 0), New Vector3(1, 1, 1), 6, New Integer() {}),'左手7
                                       New BoneInf(New Vector3(2, 0, 0), New Vector3(2, 1, 1), 1, New Integer() {9}),'右肩8
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -2.5, 0), New Vector3(1, 2.5, 1), 8, New Integer() {10}),'右上臂9
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -2.5, 0), New Vector3(1, 2.5, 1), 9, New Integer() {11}),'右小臂10
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -1, 0), New Vector3(1, 1, 1), 10, New Integer() {}),'右手11
                                       New BoneInf(New Vector3(-0.8, 0, 0), New Vector3(0.8, 1, 1), 0, New Integer() {13}),'左骻12
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -4, 0), New Vector3(1, 4, 1), 12, New Integer() {14}),'左大腿13
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -4, 0), New Vector3(1, 4, 1), 13, New Integer() {15}),'左小腿14
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -1, 0), New Vector3(1, 1, 1), 14, New Integer() {}),'左脚15
                                       New BoneInf(New Vector3(0.8, 0, 0), New Vector3(0.8, 1, 1), 0, New Integer() {17}),'右骻16
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -4, 0), New Vector3(1, 4, 1), 16, New Integer() {18}),'右大腿17
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -4, 0), New Vector3(1, 4, 1), 17, New Integer() {19}),'右小腿18
                                       New BoneInf(New Vector3(0, -1, 0), New Vector3(1, 1, 1), 18, New Integer() {})'右脚19
                                       }
    Public Sub New()
        CreateBody()
        CalcBone(RootBone)
    End Sub
    ''' <summary>
    ''' 更新指定索引的骨骼
    ''' </summary>
    ''' <param name="qua">旋转</param>
    ''' <param name="index">骨骼索引</param>
    Public Sub UpdateBone(qua As Quaternion, index As Integer)
        qua.Normalize()
        DirectCast(Children(index), Bone).Qua = qua
        CalcBone(DirectCast(Children(index), Bone).ParentBone)
    End Sub
    ''' <summary>
    ''' 更新所有子骨骼
    ''' </summary>
    ''' <param name="parent"></param>
    Private Sub CalcBone(parent As Bone)
        For Each SubBone As Bone In parent.ChildrenBone
            SubBone.BoneQua = Quaternion.Normalize(Me.Qua * SubBone.Qua)
            Dim tempLoc = (Matrix.Translation(SubBone.RelativeLoc) * Matrix.RotationQuaternion(SubBone.BoneQua)).TranslationVector
            SubBone.AbsoluteLoc = parent.AbsoluteLoc + tempLoc
            SubBone.Location = parent.AbsoluteLoc + tempLoc / 2
            CalcBone(SubBone)
        Next
    End Sub
    ''' <summary>
    ''' 创建人物身体的所有骨骼
    ''' </summary>
    Private Sub CreateBody()
        For i = 0 To BoneInfArr.Count - 1
            Children.Add(New Bone(BoneInfArr(i).Loc, BoneInfArr(i).Scale))
            DirectCast(Children(i), Bone).Index = i
        Next
        For i = 0 To BoneInfArr.Count - 1
            DirectCast(Children(i), Bone).ParentBone = Children(BoneInfArr(i).ParentIndex)
            For Each SubIndex In BoneInfArr(i).ChildIndexArr
                DirectCast(Children(i), Bone).ChildrenBone.Add(Children(SubIndex))
            Next
        Next
        RootBone = DirectCast(Children(0), Bone)
        RootBone.Parent = RootBone
    End Sub
End Class

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using SharpDX;
/// <summary>
/// 表示骨骼结点
/// </summary>
public class Bone : RigidBodyBase
{
    public override Quaternion Qua {
        get { return Quaternion.Normalize(sQua * mQua); }
        set {
            if (IsNewQua) {
                IsNewQua = false;
                sQua = value;
                sQua.Invert();
                sQua.Normalize();
            }
            mQua = value;
        }
    }
    /// <summary>
    /// 绝对坐标
    /// </summary>
    public Vector3 AbsoluteLoc;
    /// <summary>
    /// 相对坐标
    /// </summary>
    public Vector3 RelativeLoc;
    /// <summary>
    /// 父骨骼
    /// </summary>
    public Bone ParentBone;
    /// <summary>
    /// 骨骼相对旋转
    /// </summary>
    public Quaternion BoneQua = new Quaternion(0, 0, 0, 1);
    /// <summary>
    /// 子骨骼
    /// </summary>
    public List<Bone> ChildrenBone = new List<Bone>();
    /// <summary>
    /// 索引
    /// </summary>
    public int Index;
    private Quaternion mQua = new Quaternion(0, 0, 0, 1);
    private Quaternion sQua = new Quaternion(0, 0, 0, 1);
    private bool IsNewQua = true;
    public Bone(Vector3 loc, Vector3 scale)
    {
        this.RelativeLoc = loc * 10;
        this.Scale = scale;
    }
}

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using SharpDX;
/// <summary>
/// 表示一个用于描述骨骼信息的对象
/// </summary>
public class BoneInf
{
    public Vector3 Loc;
    public Vector3 Scale;
    public int ParentIndex;
    public int[] ChildIndexArr;
    public BoneInf(Vector3 l, Vector3 s, int p, int[] c)
    {
        Loc = new Vector3(l.Z, l.Y, l.X);
        Scale = new Vector3(s.Z, s.Y, s.X);
        ParentIndex = p;
        ChildIndexArr = c;
    }
}

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using SharpDX;
/// <summary>
/// 表示一个人类模型
/// </summary>
public class Human : RigidBodyBase
{
    public Bone RootBone;
    BoneInf[] BoneInfArr = {
        new BoneInf(new Vector3(0, 0, 0), new Vector3(1, 1, 1), 0, new int[] {
            1,
            12,
            16
        }),
        //腰部0
        new BoneInf(new Vector3(0, 5, 0), new Vector3(2.5, 5, 1), 0, new int[] {
            2,
            4,
            8
        }),
        //胸部1
        new BoneInf(new Vector3(0, 1, 0), new Vector3(0.7, 1, 1), 1, new int[] { 3 }),
        //颈部2
        new BoneInf(new Vector3(0, 1.5, 0), new Vector3(1.3, 1.5, 1), 2, new int[]),
        //头部3
        new BoneInf(new Vector3(-2, 0, 0), new Vector3(2, 1, 1), 1, new int[] { 5 }),
        //左肩4
        new BoneInf(new Vector3(0, -2.5, 0), new Vector3(1, 2.5, 1), 4, new int[] { 6 }),
        //左上臂5
        new BoneInf(new Vector3(0, -2.5, 0), new Vector3(1, 2.5, 1), 5, new int[] { 7 }),
        //左小臂6
        new BoneInf(new Vector3(0, -1, 0), new Vector3(1, 1, 1), 6, new int[]),
        //左手7
        new BoneInf(new Vector3(2, 0, 0), new Vector3(2, 1, 1), 1, new int[] { 9 }),
        //右肩8
        new BoneInf(new Vector3(0, -2.5, 0), new Vector3(1, 2.5, 1), 8, new int[] { 10 }),
        //右上臂9
        new BoneInf(new Vector3(0, -2.5, 0), new Vector3(1, 2.5, 1), 9, new int[] { 11 }),
        //右小臂10
        new BoneInf(new Vector3(0, -1, 0), new Vector3(1, 1, 1), 10, new int[]),
        //右手11
        new BoneInf(new Vector3(-0.8, 0, 0), new Vector3(0.8, 1, 1), 0, new int[] { 13 }),
        //左骻12
        new BoneInf(new Vector3(0, -4, 0), new Vector3(1, 4, 1), 12, new int[] { 14 }),
        //左大腿13
        new BoneInf(new Vector3(0, -4, 0), new Vector3(1, 4, 1), 13, new int[] { 15 }),
        //左小腿14
        new BoneInf(new Vector3(0, -1, 0), new Vector3(1, 1, 1), 14, new int[]),
        //左脚15
        new BoneInf(new Vector3(0.8, 0, 0), new Vector3(0.8, 1, 1), 0, new int[] { 17 }),
        //右骻16
        new BoneInf(new Vector3(0, -4, 0), new Vector3(1, 4, 1), 16, new int[] { 18 }),
        //右大腿17
        new BoneInf(new Vector3(0, -4, 0), new Vector3(1, 4, 1), 17, new int[] { 19 }),
        //右小腿18
        new BoneInf(new Vector3(0, -1, 0), new Vector3(1, 1, 1), 18, new int[])
        //右脚19
    };
    public Human()
    {
        CreateBody();
        CalcBone(RootBone);
    }
    /// <summary>
    /// 更新指定索引的骨骼
    /// </summary>
    /// <param name="qua">旋转</param>
    /// <param name="index">骨骼索引</param>
    public void UpdateBone(Quaternion qua, int index)
    {
        qua.Normalize();
        ((Bone)Children(index)).Qua = qua;
        CalcBone(((Bone)Children(index)).ParentBone);
    }
    /// <summary>
    /// 更新所有子骨骼
    /// </summary>
    /// <param name="parent"></param>
    private void CalcBone(Bone parent)
    {
        foreach (Bone SubBone in parent.ChildrenBone) {
            SubBone.BoneQua = Quaternion.Normalize(this.Qua * SubBone.Qua);
            dynamic tempLoc = (Matrix.Translation(SubBone.RelativeLoc) * Matrix.RotationQuaternion(SubBone.BoneQua)).TranslationVector;
            SubBone.AbsoluteLoc = parent.AbsoluteLoc + tempLoc;
            SubBone.Location = parent.AbsoluteLoc + tempLoc / 2;
            CalcBone(SubBone);
        }
    }
    /// <summary>
    /// 创建人物身体的所有骨骼
    /// </summary>
    private void CreateBody()
    {
        for (i = 0; i <= BoneInfArr.Count - 1; i++) {
            Children.Add(new Bone(BoneInfArr[i].Loc, BoneInfArr[i].Scale));
            ((Bone)Children(i)).Index = i;
        }
        for (i = 0; i <= BoneInfArr.Count - 1; i++) {
            ((Bone)Children(i)).ParentBone = Children(BoneInfArr[i].ParentIndex);
            foreach (object SubIndex_loopVariable in BoneInfArr[i].ChildIndexArr) {
                SubIndex = SubIndex_loopVariable;
                ((Bone)Children(i)).ChildrenBone.Add(Children(SubIndex));
            }
        }
        RootBone = (Bone)Children(0);
        RootBone.Parent = RootBone;
    }
}

附录

　　需要注意哪些问题？

　　3D 编程中，形式转换经常是错误的根源，尤其要注意坐标系的手性

　　在限制欧拉角中，俯仰角 Pitch 的范围是 ±90º，偏航角 Yaw 的范围是 ±180º

　　《3D数学基础：图形与游戏开发》[美] Fletcher Dunnlan Parberry 著